Registrierende Mikrohärte mit AFM

Ein Service der
Polymer Service GmbH Merseburg
Tel.: +49 3461 30889-50 E-Mail: info@psm-merseburg.de Web: https://www.psm-merseburg.de
Unser Weiterbildungsangebot: https://www.psm-merseburg.de/weiterbildung
PSM bei Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Polymer Service Merseburg

Registrierende Mikrohärte mit der Atomic Force Mikroskopie (AFM)

Grundlagen der Messmethode

Die registrierende oder instrumentierte Mikrohärteprüfung ist ein eingeführtes Prüfverfahren der Kunststoffprüfung, welches speziell zur Untersuchung der oberflächennahen Eigenschaften und lokaler Heterogenitäten, wie z. B. Schweiß- oder Fügenähten genutzt wird [1]. Aufgrund des Fehlens einer kunststoffspezifischen Norm wird dabei die für Metalle gültige DIN EN ISO 14577-1 [2] mit ihrem Kenngrößenfond zur Charakterisierung der Eigenschaften von Kunststoffen genutzt. Zur Verwendung kommen dabei Eindringkörper nach Vickers, Berkovich und Knoop sowie ein kugelförmiger Intender, wobei die Belastung auf maximal 2 N begrenzt ist. Im last-, eindringtiefen- oder positionsgeregeltem Versuch wird dabei der jeweilige Eindringkörper in die Prüfkörperoberfläche mit einer Geschwindigkeit dF/dt, dh/dt oder dL/dt eingedrückt, wobei simultan die Eindringtiefe h und die Belastung F erfasst wird. Diese beiden messtechnischen Parameter werden während des Be- und Entlastungszyklus registriert. Nach der Belastungsphase kann die konstante Belastung oder Verformung für eine festgelegte Zeitdauer gehalten werden, um Kriech- oder Relaxationseffekte der untersuchten Kunststoffe zur ermitteln. Normalerweise wird in der registrierenden Härtemessung die Eindringgeometrie über die gemessene Eindringtiefe mathematisch berechnet und dargestellt. Im Fall der Vickers-Härte kann das Messsystem auch mit einem zusätzlichen analogen oder digitalen Messmikroskop ausgestattet werden, um die entstandenen Eindruckdiagonalen zu vermessen. Diese Methode weist aber bei Kunststoffen infolge der Kriechneigung oder zu kleinen Eindrücken Probleme auf, die zu Unschärfen in der mikroskopischen Darstellung der Eindruckgeometrie führen können.

Erhöhte Ortsauflösung mittels AFM

Eine Alternative wird von der Fa. Fischer, Sindelfingen, mit der Erweiterung der Mikrohärtemessung durch ein „Atomic Force Microscope“ (AFM) angeboten, welches eine deutlich verbesserte Ortsauflösung der Eindruckgeometrie gewährleistet (Bild 1).

Bild 1:

Optionale Aufrüstung der registrierenden Mikrohärtemessung mit AFM [3]

Der Cantilever des AFM, bestehend aus einer Siliziumspitze folgt dabei der Kontur des Mikrohärteeidrucks (siehe: Härte) und stellt eine dreidimensionale Abbildung der lokalen Verformung dar. Diese weist eine wesentliche Verbesserung der Ortsauflösung auf und lässt neben der Darstellung der Aufwölbung neben dem Eindruck auch die optionale Bestimmung weiterer Werkstoffkennwerte zu (Bild 2). Da der Cantilever während der Messungen Schwingungen über einen Piezokristall mit einer festgelegten Frequenz ausführt, lassen sich Amplitude und Phase bei Materialkontakt über die Verstimmung des schwingungsfähigen gekoppelten Systems auswerten und spezifischen lokalen Eigenschaftsunterschieden zuordnen.

Bild 2:

Messprinzip des optionalen AFM-Aufsatzes [3]

Literaturhinweise

[1]	Grellmann, W.: Härteprüfverfahren. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 193–214, (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[2]	DIN EN ISO 14577-1 (2015-11): Metallische Werkstoffe – Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter – Teil 1: Prüfverfahren
[3]	Haas, T.: AFM – Ein Plus für die Mikrohärtemessung. Das Fischerscope. Firmenschrift der Fa. Helmut Fischer GmbH, Sindelfingen, Nr. 1/14