Wissenschaftliche Berichte – FZKA 6623

Untersuchung mechanischer Eigenschaften von Schichtsystemen

Kurzfassung

In diesem Bericht werden die mechanischen Eigenschaften von Schichtsystemen nach zwei Aspekten hin untersucht. Zunächst werden experimentelle und numerische Studien zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls und der Härte dünner Schichten mit Hilfe der Mikroeindrucktechnik vorgestellt. Ziel ist dabei Charakterisierung des Substrateinflusses auf die abgeleiteten effektiven Eigenschaften des gesamten Schicht-Substratverbundes. Es wird anschließend eine neue Extrapolationsrelation vorgestellt, mit der sich die reinen Schichtparameter für Eindrucktiefen gegen Null berechnen lassen.

Im zweiten Teil dieses Berichts wird eine neue Probe zur Charakterisierung der Bruchfestigkeit von Grenzflächen vorgestellt. Der experimentelle Teil und die Auswerteprozedur in Verbindung mit der Methode der Finiten Elemente werden ausführlich beschrieben. Mit Hilfe eines substratseitig eingeschliffenen Stempels wird ein zirkularer Grenzflächenriss initiiert und optisch vermessen. Die Simulation des Experiments liefert die notwendigen Parameter zur Berechnung des komplexen Spannungsintensitätsfaktors (cSIF). Das Konzept der Spannungsintensitätsfaktoren zur Beschreibung von Interfacerissen wird diskutiert und eine neue Skalierung einer weit verbreiteten charakteristischen Länge vorgeschlagen. Die Analyse liefert die Phasendiagramme der Spannungsintensitätsfaktoren, die eine Charakterisierung des Grenzflächenversagens ermöglichen. Die Ergebnisse von Untersuchungen an Metall-Epoxid-Proben lassen sich mit einem einfachen Versagenskriterium beschreiben.

Des Weiteren befasst sich diese Arbeit mit Metall-Zahnkeramik-Verbunden, wie sie in der Dentaltechnik Anwendung finden. Dazu wurde der Stempeltest modifiziert, um den Radius des Grenzflächenrisses mit Hilfe der Ultraschalltechnik bestimmen zu können. Die Durchführung und Zuverlässigkeit der Risslängenmessung wird beschrieben und mit den Ergebnissen einer optischen Methode verglichen. Der modifizierte Stempeltest, eine Kombination aus Probe und Ultraschall-Prüfkopf, wurde in ihren Abmessungen variiert, um einen größeren Mixed-Mode-Bereich abzudecken. Die Phasendiagramme der Metall-Zahnkeramik-Proben zeigen ein unsymmetrisches Bruchverhalten bezüglich des positiven und negativen K₂-Bereichs, das nicht durch ein einfaches Versagenskriterium erfasst werden kann.

Determination of Mechanical Properties of Layered Materials

Abstract

This report deals with the mechanical properties of layered materials from two different points of view. At first experimental and numerical studies of the evaluation of the elastic modulus and hardness by micro indentation technique are presented. The aim is to characterize the influence of the substrate on the derived effective materials parameters of the layer and the substrate. A new relation is proposed to extrapolate the pure elastic modulus and hardness of the layer to indentation depth zero.

This report also presents a new fracture test specimen to characterize the fracture of the interface toughness between dissimilar materials. The experimental part and evaluation procedure are combined with a finite element analysis and described in detail. A circular interface crack is initiated by a substrate-sided dragged-in punch. The simulation of the experiment using the finite element method yields the parameters to calculate the complex stress intensity factor (cSIF). The concept of the stress intensity factors of interface cracks is discussed and a scaling modification of a widely used characteristic length is proposed. The analysis yields a cSIF-phase-diagram as a tool to characterize the failure of the adhesion. The failure of the interface of metal-epoxy compounds can be described by a simple fracture criterion.

Furthermore this study deals with porcelain fused metal (PFM) normally used in dentistry. The punch test was modified to determine the radius of the interface crack by ultrasonic technique. The principle of the experiment is described and its reliability is proven by optical measurements. The modified punch test, which is a combination of the sample and an ultrasonic probe, was varied in dimension to expand the mixed-mode domain. The phasediagram of the porcelain fused metal shows an unsymmetrical failure behaviour regarding the positive and negative K₂-domain and can not be described by a simple criterion.