Nanoindenter
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nanoindentation wird zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von mikrostrukturellen Einheiten auf der Mikrometer- und Submikrometerskala eingesetzt. Insbesondere für mikrostrukturell gradierte Bauteile aus verschiedensten Werkstoffen ermöglicht sie, den Einfluss der Gradierung auf das mechanische Verhalten mit hoher Ortsauflösung zu bewerten. Neben (quasi-)statischen Kennwerten wie Härte und reduziertem Elastizitätsmodul (Indentationsmodul) sowie tribologischen Kennwerten können auch dynamische Eigenschaften mikrostruktureller Bestandteile, z.B. einzelner Körner, Ausscheidungen sowie der Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Phasen, untersucht werden. Klassisch werden diese dynamischen Messungen als sog. dynamisch-mechanische Analysen zur Bewertung der frequenzabhängigen Steifigkeit durchgeführt, meist bei Polymeren. Am Fachgebiet Werkstofftechnik wird die Nanoindentation zur Charakterisierung der lokalen Ermüdungseigenschaften genutzt. Diese neue Anwendung des Verfahrens wurde seit Beschaffung des Geräts am Fachgebiet etabliert. Durch zyklische Beanspruchung eines kleinen Probenvolumens in der Größenordnung von wenigen 100 nm3 wird das Wechselverformungsverhalten von strukturellen Einheiten auf dieser Längenskala bzw. der Einfluss von Zweitphasen, Ausscheidungen, Korngrenzen und anderer kristallographischer Defekte auf das zyklische Verformungsverhalten untersucht. Im Fokus der Untersuchungen stehen bioinspirierte keramische Verbundstrukturen, Leichtbau- und Implantatwerkstoffe sowie Nanokomposite. Beispielsweise wurden aus präzisionsgegossenen Schwämmen aus einer Aluminium-Silizium-Magnesium- (AlSiMg-)Legierung Einzelstege entnommen. Diese haben eine dendritische Mikrostruktur, bei der ein bis zwei Al-Dendriten von Si-Al-Eutektikum umgeben sind. Weiterhin finden sich intermetallische Phasen (IMP). Querschiffe durch diese Stege wurden zyklisch nanoindentiert. Der Einfluss der Phasenverteilung im zyklisch indentierten Probenvolumen wurde durch Kombination hochauflösender Tomographie- und Diffraktionsuntersuchungen an Beamlines verschiedener Synchrotronanlagen (BESSY, DESY) mit transmissionselektronenmikroskopischen (TEM) Untersuchungen an Proben, die mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls (focussed ion beam, FIB) gezielt aus dem indentierten Volumen entnommen wurden, mit dem Wechselverformungsverhalten korreliert. Es zeigte sich, dass die Dendritenorientierung und insbesondere die Lage und Menge von Si-Partikeln oder IMP im plastisch verformten Volumen unterhalb des Indents die Versetzungsreaktionen und damit das lokale Wechselverformungsverhalten immens beeinflussen. Weitere Untersuchungen dieser Art wurden an einer additiv, durch selektives Lasersintern (laser powder bed fusion, LPBF) hergestellten β-Titanlegierung, an Nanokompositen aus Magnesium (Mg) und Siliziumkarbid (SiC) sowie an verschiedenen Zirkonoxidkeramiken (ZrO2) durchgeführt. Bei der Untersuchung der Titanlegierungen interessierte insbesondere der Einfluss der α- und β-Phasenverteilung nach verschiedenen Wärmebehandlungen auf das Nanoermüdungsverhalten, wobei die Ergebnisse mit denen klassischer Wechselverformungsuntersuchungen korreliert werden. Für die Nanokomposite standen der Einfluss der Nanopartikel sowie verschiedener Herstellungsparameter im Mittelpunkt des Interesses. Quasistatische Untersuchungen zeigten, dass die SiC-Nanopartikel, die bis zu hohen Gehalten von bis zu 10 Vol.-% in der Mg-Matrix gut verteilt sind, den reduzierten Elastizitätsmodul und die Nanohärte der Nanokompositpulver deutlich verbessern. Für mit 3 mol-% Yttriumoxid (Y2O3) teilweise stabilisiertem (d.h. metastabilem) ZrO2 (3YSZ) wurde im Vergleich zu mit 8 mol-% Y2O3 vollständig stabilisiertem ZrO2 (8YSZ) untersucht, inwieweit eine mögliche Phasenumwandlung in 3YSZ die Ermüdungseigenschaften beeinflusst. Darüber hinaus wurde der Nanoindenter für klassische, quasistatische Nanoindentationsuntersuchungen an den genannten Werkstoffen sowie an Stegen aus Gusseisen- und Stahlschwämmen genutzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Investigation of fatigue and crack propagation of hierarchically structured ceramic materials using nanoindentation. Proc. LCF8: Eighth International Conference on Low Cycle Fatigue, Dresden, Deutschland Proc LCF8: Eighth International Conference on Low Cycle Fatigue, Dresden, DVM 319-324 ISBN: 978-3-9814516-5-8
C. Müller, A. Maerten, W.-D. Müller & C. Fleck
-
Microstructural characterization of Mg-SiC nanocomposites produced by powder metallurgy techniques Research & Reviews: Journal of Material Sciences J Mat Sci 5(7) 42
D. Penther, S. Kamrani, A. Ghasemi, R. Riedel & C. Fleck
-
Microstructure and nanoindentation analysis of Mg-SiC nanocomposite powders synthesized by mechanical milling. Materials Characterization, 142, 137-143.
Ghasemi, A.; Penther, D. & Kamrani, S.
-
Foams of Gray Cast Iron as Efficient Energy Absorption Structures: A Feasibility Study. Advanced Engineering Materials, 21(6).
Kaya, Ali C.; Zaslansky, Paul; Rack, Alexander; Fischer, Sebastian F. & Fleck, Claudia
