Micromechanical characterization of heterogeneous materials, statistical analysis of nanoindentation data
Creators: name: Bos, Clémence
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: nanoindentation
materials
statistics
heterogeneous material
micromechanics
elasticity
hardness
copper
chromium
mortar
biological material
plant organ

description: Um aktuellen und zukünftigen Herausforderungen gerecht zu werden, steigen die Anforderungen an Effizienz, Leichtigkeit und Umweltfreundlichkeit industrieller Bauteile. Neue Bauteile bestehen immer öfter aus komplexen Werkstoffen wie Legierungen, Verbundwerkstoffe oder Werkstoffverbunde. Diese komplexen Werkstoffe müssen charakterisiert werden, unter anderem auf der Ebene der Heterogenität. Auch bestehende Werkstoffe müssen genauer untersucht werden, damit sie effizienter eingesetzt werden können. Die Struktur heterogener Werkstoffe und ihrer mechanischen Eigenschaften auf unterschiedlichen Längenskalen müssen immer genauer verstanden werden. Die registrierende Härtemessung (die sog. Nanoindentation) ist eine gängige Methode für die mechanische Charakterisierung von Werkstoffen auf der Mikrometer- bis Nanometer-Skala. Gekoppelt mit einer statistischen Analyse kann die Nanoindentation wertvolle Informationen über die Mikrostruktur und Eigenschaften heterogener Werkstoffe liefern, beispielsweise die Anzahl der Phasen in hydrierter Zementpaste, die Eigenschaften der Phasen sowie die Phasenanteile. In dieser Arbeit werden verschiedene heterogene Werkstoffe untersucht, die zu unterschiedlichen Materialklassen gehören: Haftpads der Kletterpflanze $\textit{Passiflora discophora}$, Metallverbunde aus Kupfer und Chrom sowie verschiedene Mischungen von Polymer und Zementpasten (kurz: Mörtel und polymer-modifizierter Zement). Diese Arbeit soll die Anwendbarkeit einer statistischen Methode auf Nanoindentationsergebnisse verschiedener Werkstoffklassen untersuchen. Sie soll auch bestimmen helfen, unter welcher Bedingungen Fits einer großen Anzahl experimenteller Datenpunkte aus der Nanoindentation (mit z.B. bis zu 10$^{3}$-10$^{4}$ Indents) Auskunft über die Werkstoffphasen und ihrer Eigenschaften geben können. Es werden zuerst zwei Metallverbunde aus Kupfer und Chrom untersucht, um die Anwendbarkeit der statistische Analysemethode von Nanoindentationsdaten heterogener Werkstoffe anhand eines Modellwerkstoffes zu überprüfen. Dann wird diese statistische Methode auf verschiedene Werkstoffe angewendet. Dabei werden die Rolle der heterogenen Mikrostruktur des Haftpads für seine Hafteigenschaften diskutiert, die mechanische Alterung von verschiedenen Mörteln sowie der Einfluss der Polymerart und seinem Anteil auf die gesamte Elastizität verschiedener polymer-modifizierten Zementpasten. Zum Schluss werden einige Empfehlungen zur Anwendung der untersuchten statistischen Analyse von Nanoindentationsdaten geäußert. Ein kritischer Parameter ist die Eindringtiefe, weil sie sowohl von der Materialmikrostruktur, als auch von den Phaseneigenschaften und von der Qualität der Oberfläche abhängt. Darüber hinaus sollen die einzelnen Phasen ausreichend vertreten sein, sodass in der nachfolgenden statistischen Analyse die Eigenschaften jeder Phase mit hoher Genauigkeit aufgelöst werden können. Auch der Einfluss der ausgewählten Modelle soll überprüft werden, wobei das Bayes-Informationskriterium (BIC) empfohlen wird, um nicht nur Fits, sondern auch Fit-Modelle, miteinander zu vergleichen.