ZMENY POVRCHOVÝCH MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ SYSTÉMU S TENKÝMI VRSTVAMI PO KOMBINOVANÉM NAMÁHÁNÍ. Roman Reindl, Ivo Štepánek

Transkript

1 ZMENY POVRCHOVÝCH MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ SYSTÉMU S TENKÝMI VRSTVAMI PO KOMBINOVANÉM NAMÁHÁNÍ Roman Reindl, Ivo Štepánek Západoceská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, Plzen, CR, ivo.stepanek@volny.cz Abstrakt Príspevek se zabývá hodnocením povrchových zmen vlastností a chování povrchu základního materiálu a systému tenká vrstva substrát po aplikaci procesu kombinovaného namáhání krokovou metodou merení. Procesy namáhání jsou mechanické, korozní a tepelné. Mechanické namáhání je realizováno pomocí indentacních merení vrypových. Korozní namáhání je krokovou aplikací prostredí destilované vody na uvedené povrchy systému materiálu. Teplotní podmínky jsou realizovány krokove v normální atmosfére pozvolným rustem teploty v peci. Po aplikaci korozního prostredí a tepelného namáhání jsou sledovány povrchové zmeny vlastností a chování zejména mechanických s využitím statických a vrypových zkoušek. Hodnoceny jsou základní materiály a systémy tenká vrstva substrát, kde tenká vrstva je nanášena metodou nízkonapetového reaktivního obloukového odparování ve vakuu. The paper is devoted by evaluation changing of properties and behaviour of surface of basic material and systém thin film substrate after application combination stress by step by step method. Stresses are mechanical, corrosive and temperature. Mechanical stress is realised by indentation scratch test. Corrosive stress is realised step by step application destilated water on surface of systems of materials. Temperature conditions are realised by step by step stress in normal atmosphere by continual increasing of temperature. Changing of surface properties and behaviour (mainly mechanical) are evaluated by indentation measurement after application corrosive and temperature stress. There are evaluated basic material and systems thin film- substrate. Thin films are deposited by low voltage reactive arc evaporation in vacuum. 1. ÚVOD Rozširující se uplatnení povrchových úprav v ruzných aplikacních smerech si vynucují další rozvoj, optimalizace technologií vytvárení povrchových úprav. K tomuto rozvoji se ukazuje stále více potreba predikovat vlastnosti, chování a životnost systému materiálu s povrchovými úpravami [1]. Na základe ruzných aplikací povrchových úprav a zkušenostmi s jejich provozem v reálných podmínkách se klade rostoucí duraz na nejen technologické procesy a jejich optimalizaci, ale též na hodnocení vlastností a chování vytvárených systému povrchová vrstva substrát. Na základe základních vlastností se nedá presne predikovat chování a životnost techto materiálu vreálných podmínkách, proto soustredí pozornost i na optimalizace analytických metod ve smeru aproximace podmínek práce v laboratori, prechází se tudíž od hodnocení základních vlastností ke sledování chování vytvárených systému materiálu pri ruzných zpusobech namáhání, abych se pochopilo chování a nedostatky pro další optimalizaci a aby se dalo predikovat chování reálných výrobku. 1

2 2. MECHANICKÉ NAMÁHÁNÍ Jedním z nejduležitejších procesu namáhání, pro které se ve strojírenství optimalizují povrchové úpravy, je mechanické namáhání. Mechanické vlastnosti jsou hodnoceny pomocí indentacních merení statických a vrypových pro informace o mikrotvrdosti ci nanotvrdosti povrchových vrstev a pro informace o prilnavosti tenkých vrstev k základnímu materiálu. Predpovedet chování a životnost pri provozním používání systému materiálu s povrchovými úpravami na základe techto vlastností je velice težké. Celý proces indentace však mužeme využít pro získání mnohem více informací a to chování sledovaných systému materiálu pri mechanickém namáhání indentacním procesem. V prípade odolných systému nebo v prípade hodnocení systému, které mají mít dlouhodobou životnost, je možno realizovat pro další krok rozšírení mechanického namáhání opakované namáhání na základe cyklických indentacních zkoušek statických i vrypových, pro získávání informací o odolnosti vuci lokálnímu únavovému namáhání i opotrebení [2] (obr. 1). Na druhou stranu podle volby zpusobu namáhání je možné sledovat jak opotrebení tak iniciaci a šírení porušování. Obr. 1: Povrch pred vrypem a postupne po každém vrypu ve stejném míste morfologie charakterizující vývoj porušení pri opakovaném vrypu 2

3 Obr. 2: Vývoj signálu akustické emise pri opakovaných vrypech do stejného místa, z-tová osa ukazuje nárust poctu vrypu, odpovídá obrázkum morfologie na obr KOROZNÍ NAMÁHÁNÍ V nekterých aplikacních smerech je vyžadována korozní odolnost. Ta muže být dána jako hlavní nebo se muže jednat v castejších prípadech jako o druhotný vliv. V prípade druhém je potreba studovat jakým zpusobem jsou ovlivnovány puvodní žádané vlastnosti. V praktických provozních podmínkách nejsou ideální podmínky, které by vylucovaly vliv negativních prípadných faktoru. Ideální podmínky jsou jen v laboratori. Korozní prostredí ovlivnuje chování vytvárených systému v celé rade a muže být velice rozdílného druhu. V prípade druhotnosti tohoto pusobení mluvíme o kombinovaném namáhání mechanickém a korozním. Kombinaci korozního a mechanického namáhání svým zpusobem aproximuje strídáním namáhání mechanickým a korozním v laboratorních podmínkách. Sledujeme postupné zmeny mechanických vlastností a chování s využitím indentacních zkoušek pro studium základních vlastností a jejich zmen, pro studium zmen mechanického chování pri indentacním procesu [3] nebo i pri cyklických indentacních namáhání. Je sledován vliv korozního napadení prípadne jen pusobení i v místech bez korozního porušení na postupné zmeny mechanického namáhání. 4. TEPELNÉ NAMÁHÁNÍ 3

4 Obdobne jako v predchozím prípade korozního namáhání jako hlavního nebo druhotného namáhání je to s tepelným namáhání. K tepelnému namáhání muže docházet prímým tepelným zatížením a nebo napr. pri mechanickém namáhání nárustem teploty napr. trením. Tepelným zatížením muže dojít k degradaci povrchové úpravy a/nebo degradaci základního materiálu pod povrchovou vrstvou. Povrchová vrstva však není samonosná a tak je ovlivnen celý systém povrchová úprava - substrát. Cílem experimentu a pripravovaných metod hodnocení je práve nalezení prvotních prícin a šírení porušení. Vprípadech, kde je rozhodující mechanická vlastnost a chování, je systém materiálu s vrstvou postupne zatežován a jsou sledovány postupné zmeny povrchových vlastností a chování (obr. 3) i s hloubkovým rozlišením, které je velice zajímavé pro zachycení prostupování zmen skrz materiálový systém. Zmeny mechanických vlastností a chování a mechanické namáhání jsou realizovány indentacním i procesy zatežování statickými a vrypovými s velkým rozsahem velikosti pusobícího normálového zatížení. Na obr. 3 je patrná postupná zmena odolnosti povrchu systému s tenkou vrstvou po aplikaci ruzného tepelného zatížení proti indentacnímu procesu. Vtisky jsou realizovány pri zatížení 200 g. Obr. 3: Postupná zmena odolnosti proti indentaci a porušování uvnitr a v okolí vtisku pri zatížení 200 g po ruzném tepelném zatížení. 4

5 5. ZÁVER Pro splnení požadavku praxe na predikci chování tenkovrstvých systému v praktických reálných podmínkách a pro odhadnutí životnosti techto systému je nutno rozširovat pohledy analytické od studia základních vlastností ke studium chování pri ruzných stresových podmínkách. Ackoliv je hlavním cíle napr. odolnost vuci mechanickému namáhání, nelze použít k simulaci podmínek jen mechanické zpusoby namáhání, kde jsou vysoce užitecná indentacní hodnocení, ale je nutno pocítat s druhotnými vlivy napr. korozním pusobením a nebo postupným teplotním zatežováním. Tyto druhotné vlivy mohou negativne ovlivnovat zmeny puvodních vlastností. Proto je nutno toto brát ve zretel a aproximovat podmínky pro možnosti predikce ale i pro možnosti stanovení prícin degradace. Literatura Príspevek je presentován v rámci rešení grantu GA CR c. 106/02/ ŠTEPÁNEK, I., Aproximation real stress condition with using laboratory analysis of behaviour systems thin film substrate during combination stress, sborník mezinárodní konference Matrib 2001, str , Vela Luka Chorvatsko, , ISBN ŠTEPÁNEK, I., Method for complex evaluation of properties and behaviour systems of thin film - substrate, Sborník mezinárodní konference Matrib 2000, str , Chorvatsko Vela Luka, 2000, ISBN ŠTEPÁNEK, I.., Changing mechanical properties and behaviour of systems thin film substrate after application different stress, sborník mezinárodní konference Matrib 2002, str , Chorvatsko Vela Luka 2002, ISBN