CC BY
53
УДК 53.08
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-841-844
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ №0-№, НАНЕСЕННОГО МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ
© Е.В. Садырин1*, Б.И. Митрин1*, Л.И. Кренев1*, А.И. Тюрин2), А.Л. Николаев3*
1) Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация,
e-mail: evgeniy.sadyrin@gmail.com 2) Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: tyurin@tsu.tmb.ru 3) Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация, e-mail: andreynicolaev@eurosites.ru
Исследованы механические свойства двухслойного покрытия МО-№ на подложке из Si, нанесенного методом магнетронного распыления, по результатам серии экспериментов по наноиндентированию. Проведено сравнение полученных экспериментальных результатов с результатами, рассчитанными с использованием математической модели, учитывающей особенности внутренней структуры покрытия.Показано влияние тонкой поверхностной оксидной пленки на эффективный модуль Юнга покрытия при наноиндентировании. Ключевые слова: наноиндентирование; двухслойное покрытие; тонкие пленки; магнетронное распыление; модуль Юнга; математическое моделирование.
Создание тонких пленок и покрытий на поверхности деталей позволяет значительно изменить их физико-механические свойства, не затрагивая объема, что достигается за счет комбинации свойств составляющих покрытие материалов. При этом синтез современных покрытий направлен на создание, с одной стороны, все более тонких покрытий, а с другой стороны, покрытий более сложной структуры - композиционных (многослойных или функционально'-градиентных) покрытий [1]. Нанесение композиционных покрытий позволяет в значительной мере повысить износо- и эрозионную стойкость, защиту от абразивного износа, термо- и коррозионную устойчивость, химическую стабильность, прочностные характеристики, снизить коэффициент трения конструкционных, инструментальных и других материалов.
Однако внедрение композиционных материалов в различные отрасли ограничено ввиду недостатка методов исследования, аттестации и диагностики их свойств, что требует разработки новых методик измерения, которые могут быть применены при аттестации изготавливаемых композиционных покрытий, контроле их качества и диагностике технического состояния в ходе эксплуатации. Для выполнения данных задач все большее распространение приобретает наноиндентиро-вание как совокупность методов, использующих прецизионное локальное силовое воздействие на материал и одновременную регистрацию деформационных откликов с нанометровым разрешением [2]. Наноинден-тирование сегодня активно применяется для оценки механических характеристик однослойных [3-4] и многослойных покрытий [4-5].
При этом методология определения механических характеристик покрытий с помощью наноиндентиро-
вания разработана все еще недостаточно: интерпретация результатов испытаний даже для однородных материалов сопряжена с необходимостью учета ряда факторов: шероховатость и толщина покрытия, температурный дрейф, неидеальная геометрия индентора, особенности структуры материала и др. [6]. Случай слоистого покрытия усложняется тем, что упругие свойства изменяются по глубине, при этом в области сопряжения слоев может наблюдаться скачок упругих свойств. Корректная интерпретация результатов индентирова-ния слоистого покрытия возможна только за счет методик, разработанных на основе математических моделей, учитывающих особенности его внутренней структуры, например [4].
Целью настоящей работы является изучение механических свойств двухслойного покрытия №0-№ на подложке из Si, нанесенного методом магнетронного распыления, по результатам серии экспериментов по наноиндентированию и сравнению полученных экспериментальных результатов с результатами, рассчитанными с использованием математической модели, учитывающей особенности внутренней структуры покрытия.
Характеристики объекта испытаний и используемого оборудования. В качестве подложки покрытия была выбрана монокристаллическая пластина Б1. Ее предварительная пробоподготовка была осуществлена в несколько этапов путем выдерживания в ваннах со следующими жидкостями:
1) ацетон, доведенный до кипения; 2) Н202, доведенная до кипения, а затем остывающая; 3) СН3С00Н, разбавленная дистиллированной водой по объему 1:1; 4) дистиллированная вода; 5) раствор НЕ 2 %; 6) дистиллированная вода.
Таблица 1
Значения механических характеристик материалов, составляющих покрытие
Материал Модуль Юнга E, ГПа Коэффициент Пуассона v
NiO 90 [8] 0,21 [9]
Ni 203 ± 7 [10, 11] 0,31 [11]
Si 145,7 ± 2,3 0,22 [12]
Покрытие наносилось на установке для DC магне-тронного распыления ВН-2000М при напряжении 470520 В и постоянном токе 35 мА. Перед напылением в вакуумной камере создавалось давление -2-10-5 мбар. Затем осуществлялся напуск аргона до давления ~2,2-10-1 мбар. Время напыления 44,5 мин. Расстояние от мишени до образца составило 65 мм. Использование магнетронного распыления позволяет получить покрытие высокой чистоты и однородности (даже на больших поверхностях) с сильной адгезией к подложке [7]. Перед нанесением покрытия часть подложки закрывалась маской из пластины Si для последующей оценки механических характеристик подложки после нанесения покрытия.
В результате было получено двухслойное NiO-Ni покрытие. Толщина полученного покрытия Ni составила ~ 1 мкм (исходя из калибровок прибора). Толщина оксидной пленки NiO была выбрана 50 нм по устойчиво повторяющемуся характерному перегибу на кривой нагрузки при наноиндентировании.
Для исследования механических свойств покрытия использовался наноиндентометр Nanotest 600 Platform 3 с подключенным функциональным блоком «Nanotest», позволяющим производить нагрузки в диапазоне от 0,01 до 500 мН. Прибор оборудован камерой, в которой поддерживается постоянная температура (в ходе данной работы она составила 27,5 °С), а также виброзащитной платформой с воздушной подушкой. Во всех экспериментах был использован индентор Бер-ковича с алмазным наконечником с радиусом закругления вершины ~ 100 нм.
Значения механических характеристик материалов, составляющих покрытие, получены из литературы и в ходе предварительных экспериментов и приведены в табл. 1 (если не указана ссылка на источник, значит, данную характеристику удалось получить в ходе предварительных экспериментов).
Отметим, что модуль упругости составляющих покрытие материалов существенно отличается: в 2,2 раза у NiO и Ni, в 1,4 раза у Ni и подложки Si.
Методы исследования. В целях проводимого исследования будем рассматривать зависимость от контактной глубины индентирования [2] величины эффективного модуля Юнга:
E 4 - V21-1 - 1" V
2 A-1
E
E
где V и VI - коэффициенты Пуассона испытываемого материала и индентора соответственно; Е^ - модуль Юнга индентора; Ег - приведенный модуль Юнга материала, полученный из соотношения
_ Syfn
Г ~ 2ßVÄ
где Ас - площадь проекции отпечатка на плоскость, нормальную к силе вдавливания; в - коэффициент, учитывающий геометрию индентора; S - контактная жесткость. Экспериментальные значения эффективного модуля Юнга определялись по методу Оливера и Фарра [2] из анализа разгрузочной части кривой сила-осадка.
Ввиду сферического притупления кончика вершины индентора Берковича, на малых глубинах внедрения для моделирования возможно применение модели сферического индентора. Для теоретического расчета величины эффективного модуля Юнга в зависимости от глубины внедрения применим решение контактной задачи теории упругости о внедрении жесткого сферического индентора в упругое покрытие, неоднородное по глубине, сцепленное с однородным упругим полупространством [13]. Исходя из предположений о недеформируемости и сферической форме индентора, для результатов моделирования Ег = Е, в = 1.
Теоретические кривые контактная глубина - эффективный модуль Юнга для упругого внедрения сферического индентора в материал и №0-№^ приведены на рис. 1.
Параметры эксперимента и результаты. Были проведены эксперименты с нагрузкой от 0,1 до 75 мН. Время нагрузки-удержания-разгрузки - 30-30-30 с. Скорость сближения индентора с поверхностью -20 нм/с. Применен специальный режим проведения эксперимента, включающий в себя выдержку инденто-ра в течение 60 с под постоянной нагрузкой в начале нагрузки и по окончании разгрузки для регистрации теплового дрейфа, коррекция осуществлялась с помощью программного обеспечения прибора.
Полученные в каждом отдельном эксперименте значения эффективного модуля Юнга в зависимости от контактной глубины были точками нанесены на график на рис. 1.
Рис. 1. Сравнение результатов эксперимента и математического моделирования
Анализ экспериментальных и теоретических результатов позволяет установить следующие факты.
- Теоретические кривые для покрытия Ni и NiO-Ni существенно отличаются во всем диапазоне нагрузок.
- Экспериментальные результаты качественно и количественно совпадают с теоретической кривой для покрытия NiO-Ni, что подтверждает гипотезу о влиянии оксидной пленки на результат эксперимента.
- Эффективные значения модуля Юнга (как экспериментальные, так и теоретические для покрытия NiO-Ni) в зависимости от глубины внедрения могут существенно отличаться от значения для Ni. В этом случае применение стандартного подхода (внедрение на глубину < 10% от толщины покрытия) приведет к неверным результатам при определении упругих свойств покрытия Ni.
Выводы. Теоретические расчеты и результаты эксперимента показали, что наличие тонкой оксидной пленки существенно влияет на деформационный отклик покрытия. Для точного определения механических свойств тонких покрытий с помощью наноинден-тирования необходимо исследование структуры покрытия и математическое моделирование процесса индентирования. Это важно ввиду возможности образования оксидных пленок на исследуемом образце (особенно при исследовании при повышенных температурах [15]).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Айзикович С.М., Александров В.М., Васильев А.С., Кренев Л.И., Трубчик И.С. Аналитические решения смешанных осесимметрич-ных задач для функционально-градиентных сред. М.: Физматлит, 2011. 192 с.
2. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009. 312 с.
3. Садырин Е.В., Митрин Б.И., Кренев Л.И., Айзикович С.М. Исследование механических и микрогеометрических характеристик покрытия TiN на подложке из стали 40Х, нанесенного методом ион-но-плазменного напыления // Вестник ДГТУ. 2015. Т. 15. № 4 (83). С. 37-45.
4. Горячева И.Г., Торская Е.В., Корнев Ю.В., Ковалева И.Н., Мыш-кин Н.К. Теоретико-экспериментальное исследование механических свойств бикомпонентных покрытий, конденсируемых из паров металлов // Трение и износ. 2015. Т. 36. № 3. С. 262-265.
5. Кудряков О.В., Варавка В.Н. Комплексная индент-диагностика металлокерамических нанокомпозиционных покрытий // Завод. лаборатория. Диагностика материалов. 2014. Т. 80. № 11. С. 48-53.
6. Корнев Ю.В., Бойко О.В. Определение механических свойств материалов и покрытий методом наноиндентирования: проблемы, достижения, перспективы // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2011. Т. 2. Вып. 4. С. 473-474.
7. Swann S. Magnetron sputtering // Physics in Technology. 1988. № 19. P. 67-75.
8. Keem J.E., Honig J.M. Selected electrical and thermal properties of undoped nickel oxide. CINDAS Report 52, 1970. 72 p.
9. James M.A., Voogt F.C., Rogojanu O.C., Niessen L., Saxena S.S., Eerenstein W., Hibma T., Sawatzky G.A. The structural and magnetic properties of MBE-grown transition metal oxide films on MgO (001) // Bullt. Stefan University. 1999. V. 11. № 15. P. 359-360.
10. ДрицМ.Е. Свойства элементов. М.: Металлургия, 1985. 672 c.
11. Gere J.M., Timoshenko S.P. Mechanics of Materials. Boston: PWS Pub Co., 1997. 912 p.
12. Dolbow J., Gosz M. Effect of out-of-plane properties of a polyimide film on the stress fields in microelectronic structures // Mechanics of Materials. 1996. V. 23. P. 311-321.
13. Айзикович С.М., Александров В.М., Трубчик И.С., Кренев Л.И. Внедрение сферического индентора в полупространство с функционально--градиентным упругим покрытием // ДАН. 2008. Т. 418. № 2. С. 188-192.
14. ГОСТ Р 8.748-2011 (ИСО 14577-1:2002).
15. Sadyrin E.V., Krenev L.I., Mitrin B.I., Zabiyaka I.Yu., Aizikovich S.M., Abetkovskaya S.O. Investigation of the indenter temperature and speed effect during instrumented indentation on the mechanical properties of carbon steels // Proceedings of the 2015 international conference on Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications. N. Y.: Nova Science Publishers, 2016. 515 p.
БЛАГОДАРНОСТИ:
1. Покрытие нанесено в учебно-научной лаборатории наноматериалов Института математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воровича ЮФУ.
2. Эксперименты по исследованию механических свойств покрытия проведены в РЦКП НОЦ «Материалы» ДГТУ (http://nano.donstu.ru/).
3. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты №14-07-00343-а, 15-07-05208-а).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 53.08
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-841-844
NANOINDENTATION FOR DETERMINATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF THE TWO-LAYER NiO-Ni MAGNETRON SPUTTERED COATING
© E.V. Sadyrin1), B.I. Mitrin1), L.I. Krenev1), A.I. Tyurin2), A.L. Nikolaev3)
Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation, e-mail: evgeniy.sadyrin@gmail.com 2) Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: tyurin@tsu.tmb.ru 3) Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russian Federation, e-mail: andreynicolaev@eurosites.ru
The mechanical properties of the two-layer NiO-Ni coating, deposited by magnetron sputtering, on the Si substrate from the series of experiments on nanoindentation were investigated. A comparison of the experimental results with the results obtained using the mathematical model that takes into account the features of the internal structure of the coating was conducted. The effect of thin surface oxide film on the effective Young's modulus of the coating during nanoindentation was demonstrated.
Key words: nanoindentation; two-layer coating; thin films; magnetron sputtering; Young's modulus; mathematical modeling.
REFERENCES
1. Ayzikovich S.M., Aleksandrov V.M., Vasil'ev A.S., Krenev L.I., Trubchik I.S. Analiticheskie resheniya smeshannykh osesimmetrich-nykh zadach dlya funktsional'no-gradientnykh sred. Moscow, FIZMATLIT Publ., 2011. 192 p.
2. Golovin Yu.I. Nanoindentirovanie i ego vozmozhnosti. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2009. 312 p.
3. Sadyrin E.V., Mitrin B.I., Krenev L.I., Ayzikovich S.M. Issledovanie mekhanicheskikh i mikrogeometricheskikh kharakteristik pokry-tiya TiN na podlozhke iz stali 40Kh, nanesennogo metodom ionno-plazmennogo napyleniya. Vestnik Donskogo gosudarstvennogo tekh-nicheskogo universiteta — Vestnik of Don State Technical University, 2015, vol. 15, no. 4 (83), pp. 37-45.
4. Goryacheva I.G., Torskaya E.V., Kornev Yu.V., Kovaleva I.N., Myshkin N.K. Teoretiko-eksperimental'noe issledovanie mekhanicheskikh svoystv bikomponentnykh pokrytiy, kondensiruemykh iz parov metallov. Trenie i iznos, 2015, vol. 36, no. 3, pp. 262-265.
5. Kudryakov O.V., Varavka V.N. Kompleksnaya indent-diagnostika metallokeramicheskikh nanokompozitsionnykh pokrytiy. Zavodskaya Laboratoriya. DiagnostikaMaterialov, 2014, vol. 80, no. 11, pp. 48-53.
6. Kornev Yu.V., Boyko O.V. Opredelenie mekhanicheskikh svoystv materialov i pokrytiy metodom nanoindentirovaniya: problemy, dostizheniya, perspektivy. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. N.I. Lobachevskogo — Vestnik of Lobachevsky University of Nizhni Novgorod, 2011, vol. 2, no. 4, pp. 473-474.
7. Swann S. Magnetron sputtering. Physics in Technology, 1988, no. 19, pp. 67-75.
8. Keem J.E., Honig J.M. Selected electrical and thermal properties of undoped nickel oxide. CINDAS Report 52, 1970. 72 p.
9. James M.A., Voogt F.C., Rogojanu O.C., Niessen L., Saxena S.S., Eerenstein W., Hibma T., Sawatzky G.A. The structural and magnetic properties of MBE-grown transition metal oxide films on MgO (001). Bullt. Stefan University, 1999, vol. 11, no. 15, pp. 359-360.
10. Drits M.E. Svoystva elementov. Moscow, Metallurgiya, 1985. 672 p.
11. Gere J.M., Timoshenko S.P. Mechanics of Materials. Boston, PWS Pub Co., 1997. 912 p.
12. Dolbow J., Gosz M. Effect of out-of-plane properties of a polyimide film on the stress fields in microelectronic structures. Mechanics of Materials, 1996, vol. 23, pp. 311-321.
13. Ayzikovich S.M., Aleksandrov V.M., Trubchik I.S., Krenev L.I. Vnedrenie sfericheskogoindentora v poluprostranstvo s funktsional'no-gradientnym uprugim pokrytiem. Doklady Akademii nauk - Proceedings of the Russian Academy of Sciences, 2008, vol. 418, no. 2, pp. 188-192.
14. GOST R 8.748-2011 (ISO 14577-1:2002).
15. Sadyrin E.V., Krenev L.I., Mitrin B.I., Zabiyaka I.Yu., Aizikovich S.M., Abetkovskaya S.O. Investigation of the indenter temperature and speed effect during instrumented indentation on the mechanical properties of carbon steels. Proceedings of the 2015 international conference on Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications. New York, Nova Science Publishers, 2016. 515 p.
GRATITUDE:
1. Aluminized coating is applied in educational-scientific laboratory of nanomaterials of Mathematics, Mechanics and Computer Science named after I.I. Vorovich Southern Federal University
2. Experiments on research of mechanical nature of aluminized coating were carried out in Resource Centre of Collective Use Research and Education Centre "Materials" of Don State Technical University (http://nano.donstu.ru/).
3. The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research (grants no. 14-07-00343-а, 15-07-05208-а).
Received 10 April 2016
Садырин Евгений Валерьевич, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация, младший научный сотрудник научно-образовательного центра «Материалы», e-mail: evgeniy.sady-rin@gmail.com
Sadyrin Evgeniy Valerevich, Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation, Junior Research Worker of Research and Education Centre "Materials", e-mail: evgeniy.sadyrin@gmail.com
Митрин Борис Игоревич, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация, младший научный сотрудник научно-образовательного центра «Материалы», e-mail: boris.mitrin@gmail.com Mitrin Boris Igorevich, Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation, Junior Research Worker of Research and Education Centre "Materials", e-mail: boris.mitrin@gmail.com
Кренев Леонид Иванович, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник научно-образовательного центра «Материалы», e-mail: lkrenev@yandex.ru
Krenev Leonid Ivanovich, Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Leading Research Worker of Research and Education Centre "Materials", e-mail: lkrenev@yandex.ru
Тюрин Александр Иванович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, зам. директора по научно-исследовательской работе Научно-исследовательского института «Нанотехнологии и наноматериалы», e-mail: tyurin@tsu.tmb.ru
Tyurin Aleksander Ivanovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Deputy Director for Scientific Work of Scientific Research Institute "Nanotechnologies and Nanomaterials", e-mail: tyurin@tsu.tmb.ru
Николаев Андрей Леонидович, Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация, младший научный сотрудник Института математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воровича, e-mail: andreynicolaev@eurosites.ru
Nikolaev Andrey Leonidovich, Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russian Federation, Junior Research Worker of Mathematics, Mechanics and Computer Science named after I.I. Vorovich Institute, e-mail: andreynicolaev@eurosites.ru
