Методы практики. Методы и средства контроля механических свойств микро и нанометровых покрытий и модифицированных приповерхностных слоев

• Название: Методы и средства контроля механических свойств микро и нанометровых покрытий и модифицированных приповерхностных слоев
• Анкор: Методы практики
• Дата: 19.04.2022
• Размер: 0.52 Mb.
• Имя файла: metody-pokrytij.docx
• Тип: Документы; #484422
• страница: 1 из 5

Методы и средства контроля механических свойств микро- и нанометровых

покрытий и модифицированных приповерхностных слоев

Гоголинский Кирилл Валерьевич

Генеральный директор

ООО «НТТ-Кон-

станта» (Санкт-

Петербург), к. т. н.




Сясько Владимир Александрович

Генеральный ди- ректор ЗАО «Кон- станта» (Санкт- Петербург), д. т. н. Научные интересы: контроль физико- механических характеристик, ми- кро- и нанострук- туриро-ванных материалов.

Введение

В настоящее время в разных областях промышлен- ности все чаще применяются технологии нанесения микро- и нанометровых покрытий, а также упроч- нения и модификации поверхности для защиты от воздействия окружающей среды, уменьшения тре- ния и износа в подшипниках и трущихся парах, по- вышения эффективности и увеличения срока службы обрабатывающего инструмента, обеспечения биоло- гической совместимости имплантов в медицине, для декоративных целей и т. д. К таким покрытиям отно- сятся гальванические, плазменные, магнетронные, электродуговые и др. Для упрочнения тонких при- поверхностных слоев используются технологии ла- зерной закалки, химико-термические методы (азоти- рование, цементация и др.), различные технологии плазменной модификации и активации поверхности. Их толщина может быть от нескольких микрометров до десятков нанометров. Измерение механических параметров (твердость, модуль упругости, прочность и др.) и контроль качества тонких покрытий пред- ставляет серьезную научно-техническую проблему, основным принципам решения которой посвящена данная статья.

Физические основы и общие принципы измерения твердости

Понятие твердости имеет множество разных опре- делений как с точки зрения физической интерпрета-

ции этого свойства твердых тел, так и с точки зрения методики изме- рений. Наиболее общим представляется определение, что твердость —

«способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела» [1, 2]. Методически все известные способы «прямого» измерения твердости заключаются в том, что твердое тело известной формы — индентор — вдавливают в поверхность исследуемого мате- риала с контролируемым усилием, а затем измеряют количественные параметры возникшего дефекта — отпечатка. Существуют два основных способа измерения твердос-ти: путем вдавливания индентора перпен- дикулярно поверхности (индентирование) и царапания вдоль поверх- ности с постоянным усилием (склерометрия). В зависимости от того, ка- кой применяется индентор, с каким усилием производится нагружение и какой параметр возникшего при этом отпечатка измеряется, различа- ют разные методы измерения твердости. В частности, метод Бринелля подразумевает вдавливание шарика с дискретным рядом нагрузок с из- мерением диаметра отпечатка; в методе Роквелла [4] измеряется глуби- на внедрения индентора после снятия нагрузки, т. е., по сути, глубина отпечатка; в методе Виккерса [5] индентором является четырехгранная пирамида, а измеряют при этом диагональ образовавшегося квадратного отпечатка. Расчет значения или числа твердости производится по-разно- му для разных методов, в результате возникают соответствующие шкалы твердости, являющиеся безразмерными шкалами порядка, которые по- зволяют сравнивать величины твердости только качественно (больше- меньше), но не допускают количественную оценку параметра твердости как физической величины. Такое положение вещей приводит к тому, что значения чисел твердости не могут быть корректно сопоставлены между собой в общем случае и допускают сравнения только для похожих мате- риалов и в случае близких параметров измерений (нагрузки).

В этой связи нельзя не сказать о косвенных методах измерения твер- дости: динамическом (ударном) и ультразвуковом. Приборы, реализую- щие эти методы, измеряют не собственно твердость как меру деформа- ции материала, а параметры, косвенно связанные с твердостью (дисси- пацию энергии при ударе, затухание ультразвуковых колебаний и т. п.). В результате градуировка таких приборов производится индивидуально для очень узкого перечня исследуемых материалов с близкими свойст- вами, а расчет значения твердости осуществляется по таблицам соот- ветствия, составленным именно для конкретного типа материала.

Подобный подход к определению твердости как механической ве- личины и методам ее измерения удовлетворителен, когда речь идет о контроле параметров близких по свойствам материалов с заранее известными свойствами (цветные металлы, черные металлы и т. п.). Однако для измерений свойств таких сложных объектов контроля, кото- рыми являются тонкие пленки и приповерхностные слои, необходимо ввести физически более обоснованное и универсальное определение твердости, которое бы позволило не только количественно оценивать результаты измерений на микро- и наномасштабе, но и сопоставлять их с макроскопическими свойствами других материалов. Это необходимо, в частности, чтобы сравнивать механические свойства деталей, на кото- рые наносится покрытие, и самого покрытия для оценки эффективности и практической пользы от его нанесения.

Вопросы унификации определения твердости были всесторонне рассмотрены в работе [1] и исследованы в контексте измерений на субмикронных и нанометровых масштабах в работе [6]. Для введения

«универсального» определения твердости необходимо определить фи- зическую природу деформации тела при вдавливании, а также форму вдавливаемого тела — индентора.

Деформация.Большинство современных методов измерения твердо- сти требуют соблюдения условия упруго-пластической деформации и, как следствие, отсутствие хрупкого разрушения материала под инден- тором. Наиболее полно упруго-пластические свойства твердых тел опи- сываются кривой зависимости напряжения от деформации  () (рис. 1). В идеальных модельных условиях такая кривая строится при растя- жении (сжатии) стержня, изготовленного из исследуемого материала, с помощью «разрывной машины». Однако использовать этот метод для определения свойств готовых изделий и, тем более, тонких пленок не- возможно. При измерении твердости каждый участок поверхности, на который воздействует индентор, подвергается некоторой деформации

, при этом в материале возникает соответствующее напряжение . Сумма напряжений в каждой точке поверхности под индентором дает силу сопротивления материала нагрузке, приложенной к индентору. Когда в процессе индентирования индентор достиг своей максимальной глубины и остановился, сила, приложенная к индентору, равна силе со- противления материала. Если эту силу поделить на площадь проекции области контакта, то получится величина, имеющая физический смысл


0 Äåôîðìàöèÿ, 

Рис. 1. Кривая напряжение–деформация
Ð/Ð_m

4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0

-1.00
-0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75
r/a

Íàïðÿæåíèå, 



Рис. 2. Профиль распределения давления в площади контакта для инденторов разной фор- мы: Р— локальное давление, Р_m — среднее давление, r— расстояние от центра, a— радиус контакта

среднего контактного давления под индентором, измеряемая в паска- лях (Н/ м²). Твердость, измеренная в этих единицах, имеет очевидный физический смысл, может сравниваться количественно и служить уни- версальной шкалой твердости. Однако необходимо учитывать неопре- деленность данной шкалы, связанную с формой индентора.

В описанной модели в каждой точке области контакта индентора де- формация, а, следовательно, и напряжение, зависят от формы инденто- ра. Распределение деформаций под инденторами разной формы при- ведено на рис. 2 [7]. В результате оказывается, что среднее контактное давление сильно зависит от формы индентора. Поэтому, чтобы исклю- чить данную неопределенность, необходимо выбрать индентор задан- ной формы, удовлетворяющий требованию самоподобия: характерный размер (диагональ) сечения должен линейно зависеть от расстояния до вершины. Этому требованию удовлетворяют пирамиды: четырехгран- ная Виккерса и трехгранная Берковича.