Parameteridentifikation an metallischen Werkstoffen basierend aufnumerischen Simulationen und instrumentierter Eindringprüfung
Es wird gezeigt, wie die instrumentierte Eindringprüfung, auch als „Nanoindentation“ bezeichnet, genutzt werden kann, um Materialeigenschaften zu charakterisieren. Die instrumentierte Eindringprüfung stellt eine Erweiterung der klassischen Härteprüfung dar, da hier Kraft, Zeit und Tiefe kontinuierlich gemessen werden. Es werden die wichtigsten klassischen Konzepte zur Auswertung der gemessenen Daten vorgestellt. Mit diesen können der E-Modul, Härte und in Näherung die Fließgrenze bestimmt werden. Für eine Messung mit einem Indenter muss u.a. die Rahmennachgiebigkeit des Prüfgeräts bestimmt werden. Bei Geräten mit geringer Steifigkeit ergeben sich große absolute Fehler. Deswegen wird für ausgewählte Abweichungen der Rahmennachgiebigkeit mittels der durch die Dimensionsanalyse gefundenen Transformationsbeziehungen und einer aus einer FE-Rechnung gewonnenen, synthetischen Kraft-Eindringtiefe-Kurve die Auswirkung auf die Ermittlung von Härte und E-Modul untersucht. Das am weitesten verbreitete Auswerteverfahren zur Bestimmung von Härte und E-Modul auf Grundlage der von Oliver und Pharr publizierten Methode wird vorgestellt und die Abweichungen gegenüber FE-Simulationen für ein elastisch-ideal plastisches Material, und für ein stark verfestigendes Material untersucht. Um darüber hinaus eine uniaxiale Spannungs-Dehnungs-Kennlinie und auch Parameter der Kriecheigenschaften aus den Daten der Indentation ableiten zu können, wird ein gradientenbasiertes Minimierungsverfahren mit einem kontinuumsmechanischen Modell gekoppelt, dessen Lösung mit dem FEM-Programm ABAQUS erfolgt. Es werden Parameterstudien durchgeführt und theoretische Überlegungen bestätigt, wonach sphärische Prüfkörper für die Lösung dieses inversen Problems besonders geeignet sind. Nähere experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die Prüfkörpergeometrie wegen ihrer deutlichen Abweichung von der Sollform individuell in der Simulation nachgebildet werden muss. Dieses Verfahren wird auf Stahl und Aluminiumproben angewandt, an denen zuvor Mikrozugversuche durchgeführt wurden. Die Ergebnisse werden verglichen und mögliche Ursachen (wie Größeneffekte, Bestimmung lokaler anstelle makroskopischer Eigenschaften und vernachlässigte Eigenspannungen) für die signifikanten Unterschiede in den ermittelten Spannungs- Dehnungs-Kurven diskutiert.
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