Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7103

Identifikation von mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe mit dem Eindruckversuch

E. Tyulyukovskiy

Zusammenfassung
In den letzten Jahren wird zunehmend der Eindruckversuch zur mechanischen Charakterisierung von Werkstoffen eingesetzt, da das Probenmaterial zerstörungsfrei und unter Vermeidung einer komplizierten Präparation untersucht werden kann. In der vorliegenden Arbeit geht es um die Entwicklung einer Methode zur Identifikation der Materialparameter der Viskoplastizität mit isotroper und kinematischer Verfestigung für Massiv-Material und dünne Schichten aus Kugeleindruckexperimenten.

Zunächst wurde der Kugeleindruckversuch studiert und eine neue Methode zur Ermittlung der viskoplastischen Materialeigenschaften eines homogenen Materials entwickelt. Diese Methode basiert auf Neuronalen Netzen und ermöglicht die Identifikation des geschwindigkeitsabhängigen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens eines homogenen Materials aus der Last-Eindrucktiefe-Kurve eines Eindruckversuches. Zu diesem Zweck wurde eine neue Lastgeschichte eingesetzt, die aus vier Belastungs- und Kriechphasen besteht. Um dieses Verfahren zur Ermittlung der Materialparameter einer dünnen Schicht auf einem Substrat einsetzen zu können, wurden die Einflüsse des sich unter der Schicht befindlichen Substrates aus der gemessenen Last-Eindrucktiefe-Trajektorie des Schicht- Substrat-Verbundes eliminiert. Dafür wurden wiederum Neuronale Netze eingesetzt. Außerdem wurde eine Korrekturmethode entwickelt, die es erlaubt, die mit einem nichtidealen Prüfkörper gemessene Last-Eindrucktiefe-Kurve in eine zugeordnete ideale Kurve zu überführen. Alle Methoden wurden mit FEM-Beispielen verifiziert und zur Identifikation der mechanischen Eigenschaften von herkömmlichen Massiv-Materialien, nanokristallinem Nickel sowie Al, Cu und Ti-Schichten verschiedener Dicke auf unterschiedlichen Substraten eingesetzt. Die erhaltenen Ergebnisse demonstrieren die gute Qualität und die Grenzen der Anwendbarkeit des entwickelten Verfahrens.

Identi¯cation of mechanical properties of metals using the indentation test

Abstract
During the last years the indentation test is used increasingly for the mechanical characterization of materials, because of its nondestructive nature and avoidance of complex sample preparation. In this work a new method was developed for the identification of visco-plastic material parameters including isotropic and kinematic hardening for bulk materials and thin films from spherical indentation data.

At first the spherical indentation experiment was studied and a new identification method of the visco-plastic material parameters for a bulk material was developed. This method is based on neural networks and allows the identification of the velocity dependent stress-strain-behaviour of a homogeneous material from the load-depth response of a spherical indent. For this purpose a new loading history consisting of four loading and four creep segments was used. To use this procedure to identify the material parameters of a thin film on a substrate the influence of the substrate was eliminated from the measured load-depth-response of the film/substrate-composite. For this purpose also a neural networks approach has been developed. In addition, a correction method was developed to transfer the load-depth response, which is measured using a non-ideal indenter, into a load-depth response associated with an ideal indenter. All methods were verified using FEM and were used for identfying the mechanical properties of conventional bulk materials, nanocrystalline Ni, and Al, Cu and Ti films of varying thickness on various substrates. The obtained results demonstrate the good identificiation quality and the applicability limits of the developed method.

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