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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