Nanoindentierung

Die Nanoindentierung (auch instrumentierter Eindringversuch) ist eine Methode der Werkstoffprüfung zur Bestimmung der Härte von Materialien auf kleinen Längenskalen (Nanometer, nm). Hauptanwendungsgebiet ist die Härtebestimmung an dünnen Schichten.

Methode

Die Nanoindentierung ist von der klassischen Härteprüfung abgeleitet, findet aber in viel kleinerem Maßstab statt. Es wird eine Diamantspitze mit bekannter Geometrie in die zu prüfende Oberfläche hineingedrückt. Durch die Miniaturisierung des Aufbaues ist es unmöglich die Fläche des im Prüfling verbleibenden Härteeindruckes zu messen, wie das bei üblichen Verfahren zur Härtemessung getan wird^[1]. Deshalb werden bei der Nanoindentierung während des Versuchs die aufgebrachte Eindringkraft und der Eindringweg der Spitze gleichzeitig gemessen. Durch die bekannte Geometrie der Prüfspitze und den Messdaten für Eindringkraft und Eindringweg kann die Kontaktfläche, und in weiterer Folge die Härte berechnet werden.

Der Messkopf für die Nanoindentierung (Hysitron Triboscope) besteht aus einem Dreiplattenkondensator und wird auf einem Rasterkraftmikroskop angebracht. Wird eine elektrische Spannung an den Kondensator angelegt, entsteht eine Kraft auf die mittlere Kondensatorplatte, die einen Stift mit einer Diamantspitze in die zu prüfende Oberfläche drückt. Die Verschiebung der mittleren Kondensatorplatte bewirkt eine Kapazitätsänderung des Kondensators und man erhält die erforderlichen Kraft- und Eindringtiefen Daten zur Ermittlung der Härte. Als Grenze zwischen Mikro- und Nanomessbereich sind nach DIN EN ISO 14577 0,2 µm festgelegt. Die meisten Geräte zur instrumentierten Eindringprüfung messen jedoch auch im Mikrobereich bis hin zur Grenze zum Makroprüfbereich von 2 N.

Anwendung

Neben der Fähigkeit zur Bestimmung der Härte sind Geräte zur instrumentierten Eindringprüfung in der Regel auch in der Lage, eine dem E-Modul verwandte Größe zu ermitteln. Diese wird meist aus dem ersten Drittel der Entlastungskurve bestimmt. In diesem Bereich kann rein elastische Verformung angenommen werden. Durch Modifikationen am Messgerät können Härte und E-Modul auch tiefenaufgelöst ermittelt werden, indem die monoton ansteigende Kraft durch ein hochfrequentes Signal überlagert und die Reaktion der Eindringtiefe für jedes Interval ausgewertet wird. Diese Methode kommt insbesondere an gradierten Schichten zum Einsatz. Auch kann durch Integration von Heiz- bzw. Kühlanlagen eine temperaturabhängige Bestimmung der Werkstoffkennwerte erfolgen. Aufgrund der hohen Sensitivität der Messtechnik auf thermische Drift muss das Temperaturfeld während der Messung jedoch in hohem Maße stationär sein. Es existieren auch bereits Methoden, durch Kopplung von Nanoindentation und FEM-Simulationen Informationen über die Anisotropie der Schichteigenschaften sowie zum plastischen Fließverhalten zu gewinnen.

Quellen

• Nanoindentierung, TU-Graz
• Nanoindentierung, Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
• Nanoindentierung, Universität Erlangen-Nürnberg
• Nanonindentierung, Max-Planck-Institut für Eisenforschung

Literatur

• A. C. Fischer-Cripps: Nanoindentation, Springer, 2004, ISBN 978-0387220451
• Karsten Durst: Mikrostrukturelle und mikromechanische Charakterisierung ausscheidungsgehärteter Werkstoffe mit dem nanoindentierenden Rasterkraftmikroskop. Der Andere Verlag, 1. Auflage, Ort 2003, ISBN 978-3899591293.

Einzelnachweise

1. ↑ Härteprüfung nach Vickers