Nanoindenter
Final Report Abstract
Nanoindentation ist eine weit einsetzbare Methode in der Materialforschung, welche immer weiter entwickelt wird und in Verbund mit mikroskopischen Verfahren wichtige Beiträge zur Entwicklung und zum Verständnis der thermo-mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen und dünnen Schichten liefert. Neben Härte und Elastizitätsmodul, können auch Effekte wie die Nukleation von Versetzung, das Verfestigungsverhalten oder auch die Dehnratenempfindlichkeit von Werkstoffen auf kleinster Skala charakterisiert werden. Mit dem beantragten Nanoindentersystem konnte diese Kompetenzen in der Materialwissenschaft an der TU Darmstadt etabliert und wichtige Erkenntnisse bezüglich des Verformungsverhaltens von nanokristallinen Cu-Basis Legierungen, Borosilikatgläsern, keramische Werkstoffe wie Strontiumtitanate und dünnen Hartstoffschichten erzielt werden: Silikatbasierte hochfeste Gläser sind in der Anwendungen lokal hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt und mittels Nanoindentation können die bei Gläsern auftretenden Verformungsmechanismen vom plastischen Fließen über die hydrostatische Verdichtung bis hin zur Rissbildung untersucht werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass Verdichtungsprozesse in Borosilikatgläsern wichtig bei der Rissbildung in den Gläsern sind, so dass ein wichtiger Ansatz zur Entwicklung sogenannter „ultrastrong glasses“ aufgezeigt werden kann. Die experimentellen Befunden in Verbindung mit Finite Elemente Simulationen zu Verdichtung und Rissbildung bei der Indentierung sind weiterhin ein wichtiges Werkzeug zum Verständnis des Verformungsverhalten von silikatbasierten aber auch metallischen Gläsern. Strontiumtitanat ist eine bei Raumtemperatur plastisch verformbare Keramik, welche bei Druckverformungen plastischen Dehnungen >5% ertragen kann. Mittels Nanoindentation konnten die lokalen Verformungsmechanismen in STO im Temperaturbereich bis 300°C aufgeklärt werden. Wichtig für die Untersuchung der Versetzungsmechanismen war die Entwicklung einer sequentiellen Nanoätztechnik, mit welcher die Versetzungsstruktur unter dem Härteeindruck dreidimensional analysiert werden kann. Diese Arbeiten sollen auch zukünftig zur Beeinflussung der lokalen Leitfähigkeit von Keramiken mittels Versetzungen genutzt werden. Mittels Methoden der hochgradigen plastischen Umformung können eine Vielzahl von Legierungen in den nanokristalline Zustand überführt werden. Die Kornfeinungsmechanismen und die thermo-mechanischen Eigenschaften der so erzeugten Werkstoffe hängen dabei entscheidend von der Legierungszusammensetzung ab. Mittels Nanoindentation konnte für eine Vielzahl von einphasigen Cu-Basis Legierungen (Cu-Sn, CuZn, CuAl) neben der hohen Festigkeit eine ausgeprägte Dehnratenempfindlichkeit der nanokristallinen Cu-Legierungen aufgezeigt werden, was für die makroskopischen Eigenschaften der Legierungen von großer Bedeutung ist. Neben den genannten Beispielen spielt die Nanoindentation auch bei einigen Neuprojekten zu Nanoimprinting und Hochentropielegierungen eine wichtige Rolle.
Publications
- Dynamic nanoindentation testing for studying thermally activated processes from single to nanocrystalline metals. Current Opinion in Solid State and Materials Science 19 (6), 340-353, 2015
K Durst, V Maier
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cossms.2015.02.001) - Synthesis and high-temperature evolution of polysilylcarbodiimide-derived SiCN ceramic coatings, Journal of the European Ceramic Society 35 (14), 3771-3780, 2015
A Klausmann, K Morita, KE Johanns, C Fasel, K Durst, G Mera, R Riedel
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2015.07.013) - Advanced nanoindentation testing for studying strain-rate sensitivity and activation volume, JOM 69 (11), 2246-2255, 2017
V Maier-Kiener, K Durst
(See online at https://doi.org/10.1007/s11837-017-2536-y) - Constitutive modeling of indentation cracking in fused silica, Journal of the American Ceramic Society 100 (5), 1928-1940, 2017
S Bruns, KE Johanns, HUR Rehman, GM Pharr, K Durst
(See online at https://doi.org/10.1111/jace.14734) - Indentation size effect and dislocation structure evolution in (001) oriented SrTiO3 Berkovich indentations: HR-EBSD and etch-pit analysis: Acta Materialia 139, 1-10, 2017
F Javaid, E Bruder, K Durst
(See online at https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.07.055) - Influence of Cooling Rate on Cracking and Plastic Deformation during Impact and Indentation of Borosilicate Glasses, Frontiers in Materials 4, 5, 2017
C Zehnder, S Bruns, JN Peltzer, K Durst, S Korte-Kerzel, D Möncke
(See online at https://doi.org/10.3389/fmats.2017.00005) - Influence of solid solution strengthening on the local mechanical properties of single crystal and ultrafine-grained binary Cu–AlX solid solutions, Journal of Materials Research 32 (24), 4583-4591, 2017
V Maier-Kiener, X An, L Li, Z Zhang, R Pippan, K Durst
(See online at https://doi.org/10.1557/jmr.2017.320) - Preparation of dense SiHf (B) CN-based ceramic nanocomposites via rapid spark plasma sintering, Journal of the European Ceramic Society 37 (16), 5157-5165, 2017
J Yuan, D Li, KE Johanns, C Fasel, K Durst, HJ Kleebe, Z Shen, R Riedel
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.04.066) - Influence of solute effects on the saturation grain size and rate sensitivity in Cu-X alloys, Scripta Materialia 144, 5-8, 2018
E Bruder, P Braun, H ur Rehman, RKW Marceau, AS Taylor, R Pippan, K Durst
(See online at https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2017.09.031) - Temperature dependence of indentation size effect, dislocation pile‐ups, and lattice friction in (001) strontium titanate. Journal of the American Ceramic Society 101 (1), 356-364, 2018
F Javaid, KE Johanns, EA Patterson, K Durst
(See online at https://doi.org/10.1111/jace.15182)
