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Holistische und lokale Eigenspannungsbestimmung mit Nanoindentation

Eigenspannungen können sowohl schädliche als auch nützliche Wir­kun­gen entfalten – ihre Bestim­mung ist daher wichtig. Über die Ermittlung von Eigen­spannungen mit Hilfe der Nanoin­dentation gibt es zahlreiche Publi­ka­tionen. Fast allen Methoden ist gemein, dass von einem idealen biaxialen Spannungszustand ausgegan­gen wird, und damit beispielsweise Scherspannungen oder komple­xe dreidimensionale Zustände unbe­rücksichtigt bleiben. Inzwischen werden speziell entwickelte Eigen­spannungszustände bzw. -profile auch dazu verwendet, Oberflächen ganz gezielt gegenüber bestimmten Anwendungen zu stabilisieren ohne dass dabei die Schichtmaterialien verändert werden müssen. Für eine moderne Oberflächenopti­mierung, die lediglich die gezielte Va­riation des Spannungszustands zu­­grunde legt, ist eine hochaufgelöste Kennt­nis der intrinsischen Span­nun­gen unabdingbar. Bei der Bestim­mung von Eigenspannungen muss daher streng zwischen lokalen und integralen Methoden unterschieden werden. Röntgenbeugungs- und Biege­me­thoden gehören zu den integralen Messungen, während Inden­terme­thoden und FIB-basierte Techni­ken den lokalen Methoden zuzuordnen sind.

Nanoindentation
Abb. 1: Eigenspannungsdesign zur Verbesserung der Lasttragfähigkeit einer Oberfläche. Die optimierte Oberfläche (rechts) erträgt bei sonst gleichen Kontaktbedingungen über 31 % mehr Last. Bei einem angenommenen Kontakt gegen Körper erhöht sich die Lasttragfähigkeit wegen der Vergrößerung des Kontaktradius mit der Kontaktkraft für dieses Beispiel sogar um das Doppelte. Die Optimierungsrechnung erfolgte mit der Software FilmDoctor
Nanoindentation
Abb. 2: Eigenspannungsbestimmung mittels NanoTest-Indenter und Referenz am Beispiel geschnittener Stähle (mit Dank an F. Neumayer). Dank an den Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießerei der TU München für das Bereitstellen der Proben
Theorie

Um Eigenspannungen lokal und Ten­­sor-aufgelöst mittels Kontakt­ex­­­pe­ri­menten zu ermitteln, werden vollständige, dreidimensiona­le Lö­sun­gen sowohl für allgemeine Kon­takt­situationen, als auch für die Ei­gen­spannungen benötigt. Erst dann kann mit Hilfe von Referenzen (wie hier) oder Mischlastversuchen der Eigen­spannungszustand aus einer Kon­­takt­messung extrahiert werden.

Messung mit Referenzprobe

Neben einer geeigneten Hypothese über die mögliche Charakteristik der Eigenspannungen muss auch eine Referenz mit bekanntem Eigen­spannungszustand vorliegen. Mit Hilfe der Theorie und einem Marker kann auf die Eigenspannungen in der Vergleichsprobe geschlossen werden. Sind die Eigenspannungen in der Referenz absolut bekannt, können auch Absolutwerte in der Vergleichsprobe ermittelt werden, andernfalls sind vergleichende Studien möglich. In dieser Untersuchung wurden mit Hilfe des Nanoindenters NanoTest Vantage von Micro Materials tiefenregistrierende Härtetests an Stahlblechen ausgewertet, in die zuvor durch mechanische Bearbeitung (Schneidvorgänge) mechanische Span­­­nungen eingebracht wurden. Im Vergleich mit einer als spannungsfrei angegebenen Referenzmessung können die Eigenspannungen ermittelt werden. Als Marker wurde die aus den Indentationsversuchen bestimmte Fließgrenze verwendet. In der Rechnung wurde als Maximum für die vergleichende Auswertung die von-Mises-Spannung verwendet. Dabei wurden komplexere Misch-Ei­­genspannungszustände untersucht. Abb. 2 zeigt das Ergebnis (hier -0,31 GPa) für eine angenommene biaxiale Spannungsverteilung, berechnet mit der Software FilmDoctor der Firma SioMEC. Komplexere Hypothesen kön­nen ebenfalls leicht durchge­spielt werden; auch ein hochaufgelöstes Profiling ist in Kombination mit dem NanoTest machbar. Für weitere Fragen zur Methode und Literaturhinweise stehen wir Ihnen gerne jederzeit zur Verfügung.


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