Verformungsverhalten

Das Verformungsverhalten von makroskopischen Schüttgutproben und einzelner Partikel wird am Institut für Partikeltechnik mit Hilfe von Druck- und Indentationsversuchen untersucht. Im Normalfall wird dabei die Probe durch eine Normalkraft beansprucht und der resultierende Kraft-Weg-Verlauf aufgenommen. Durch Anwendung verschiedener Materialmodelle können so Informationen über die Härte, die Steifigkeit beziehungsweise den E-Modul oder auch die Fließgrenze des untersuchten Materials gewonnen werden. Je nach Größe der Partikel und dem zu betrachtenden Kraft- und Deformationsbereich kommt hierbei entweder eine Materialprüfmaschine, ein Nanoindenter oder ein Rasterkraftmikroskop zum Einsatz.

Schema der Beanspruchung eines Einzelpartikels zwischen parallelen Platten (links)
und resultierender Kraft-Weg-Verlauf (rechts)

Während die Materialprüfmaschine (Z010, Zwick Roell) eingesetzt wird um makroskopische Schüttgutproben und größere Partikel (einige Millimeter) bei Belastungen von mehreren Newton zu vermessen, wird mit dem Nanoindenter (Triboindenter, Fa. Hysitron) das Verformungsverhalten von Einzelpartikeln bis zu wenigen Mikrometern Größe erfasst. Die im Nanoindenter messbaren Kräfte reichen von einzelnen Mikro-Newton bis etwa einem Newton. Zum einen kann durch lokale Beanspruchung mit einem Berkovic-Indenter und Auswertung der Kraft-Weg-Kurve nach der Methode von Oliver und Pharr [1] der von Sneddons Kontaktmodell [2] abgeleite, lokale Elastizitätsmodul bestimmt werden. Zum anderen kann durch globale Beanspruchung zwischen zwei parallelen Flächen (Flat-Punch-Indenter) die globale Kontaktsteifigkeit oder durch Anwendung der Hertz’schen Theorie der globale Elastizitätsmodul ermittelt werden.

Neben der Messung der Topographie von Proben kann die Rasterkraftmikroskopie eingesetzt werden um Kraft-Weg-Kurven zu messen. Das Rasterkraftmikroskop (XE 100, Fa. Park Systems) ermöglicht hohe Kraftauflösungen bis zu einigen Nano-Newton und ist somit insbesondere für die Messung von Haftkräften an Einzelpartikeln als auch für die Messung der Kontaktsteifigkeit bei sehr geringen Belastungen geeignet.
Literatur:

[1] Oliver, W. C. und Pharr, G. M.: An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J. Mater. Res. 7, (1992), 1564.
[2] Sneddon, I. N.: The relation between load and penetration in the axisymmetric Boussinesq problem for a punch of arbitrary profile. Int. J. Eng. Sci. 3(47), (1965).

 


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