HODNOCENÍ HLOUBKOVÝCH PROFILŮ ZMĚN MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ A DEGRADAČNÍHO PROCESU PROSTUPUJÍCÍHO OD POVRCHU POMOCÍ INDENTAČNÍCH ZKOUŠEK

Transkript

1 HODNOCENÍ HLOUBKOVÝCH PROFILŮ ZMĚN MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ A DEGRADAČNÍHO PROCESU PROSTUPUJÍCÍHO OD POVRCHU POMOCÍ INDENTAČNÍCH ZKOUŠEK EVALUATION OF DEPTH PROFILE OF MECHANICAL PROPERTIES AND DEGRADATION PROCES FROM SURFACE BY INDENTATION TESTS Marek Tengler, Ivo Štěpánek Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, Plzeň, ČR, ivo.stepanek@volny.cz Abstrakt Příspěvek se zabývá studiem hloubkových profilů změn povrchu polymerních materiálů před degradačním procesem a následně po postupném degradačním procesu. Předně je připravována metodika hodnocení probíhajícího degradačního procesu pomocí statických indentačních zatížení. Měření jsou prováděna pomocí nanoindentoru při různých rozsazích velikosti normálové síly záznamem celého průběhu indentační křivky při zatěžování, prodlevě a odlehčování. Hodnocení jsou prováděna též cyklickým modem měření pro přesnější charakterizaci probíhajících změn. The paper is devoted by study depth profilling of changing on surface of polymer materials before degradation proces and after degradation proces. First of all is prepared method for avaluation of degradation proces by static indentation tests. Measurements are provided by nanoindentor in different range of loading, record all indentation curve during loading, time delay and unloading. Evaluation is provided by cyclic mode of measuement for more precision characterisation of changing too. 1. ÚVOD Veliký rozmach povrchových úprav pro kontrolu svých jak základních vlastností a chování tak komplexních odolnostních charakteristik vyvolává expanzi, zdokonalování a zpřesňování metodik hodnocení vlastností a chování povrchových úprav, ale i systémů povrchová úprava základní materiál [1]. Modifikované a upravené metodiky hodnocení vlastností a chování povrchových vrstev či systémů povrchová vrstva základní materiál jsou upravované do podoby, že začínají být elmi přínosné i pro další hodnocení a to nejen povrchových úprav vytvářených různými deposičními procesy, ale i vytvářené modifikačními procesy a procesy degradačními. Degradace která probíhá z povrchu se v podstatě chová jako povrchová vrstva a tím lze průběh degradačního procesu charakterizovat na základě metodik hodnocení pro technologie vytváření tenkých vrstev. Vlivem moderních technologií pro deposice tenkých vrstev se vytvářejí již velmi tenké vrstvy či složité tenkovrstvé systémy vyžadující zjemňování analytických technik do takových oblastí, kde začínají iniciace degradačních procesů. 2. NANOINDENTAČNÍ METODY HODNOCENÍ POVRCHŮ MATERIÁLU Vzhledem k rostoucím požadavkům hodnocení povrchu materiálu, povrchových vrstev s klesající tloušťkou vrstev je potřeba přecházet od hodnocení pomocí klasické mikrotvrdosti, neboť zatížení musí klesat k nižším hodnotám, by měření nebyla ovlivněna vlastnostmi základního materiálu. Při poklesu těchto zatížení v případě velmi tvrdých tenkých 1

2 vrstev ovšem čitelnost vtisků v případě, když velikost zatížení může klesnout na klasických mikrotvrdoměrech k této malé velikosti, je velmi špatná vzhledem k jejich velikosti. Muselo by se přecházet na hodnocení povrchů se stále nižší drsností a na hodnocení vtisků při větší zvětšeních než je možné u světelné mikroskopie tudíž pomocí řádkovací elektronové mikroskopie. Tato hodnocení jsou jednak neoparativní a též vyhledávání vtisků je vcelku neřešitelné. To by muselo být realizováno měření přímo v řádkovacím elektronovém mikroskopu, což by bylo technicky velmi nároční a tím i ekonomicky. Přechází se na hodnocení ne velikosti vtisků po indentaci, ale na hodnocení indentačních křivek závislosti hloubky proniknutí indentoru na velikosti normálového zatížení. Tato závislost v závislosti na nastaveném modu měření je zaznamenávána buď pouze při zatěžování a časové prodlevě při maximálním zatížení a nebo v průběhu celého zatěžování, časové prodlevě při maximálním zatížení a při odlehčování. Na základě této indentační křivky lze určovat nejen nanotvrdost ale i poměr elastické a plastické deformace a další charakteristiky materiálového systému. 3. NEDESTRUKTIVNÍ HODNOCENÍ POVRCHU MATERIÁLŮ K nanoindentačnímu hodnocení se přechází z několika důvodů. Jednak s poklesem velikosti normálového zatížení do oblasti velmi malých zatížení, kde čitelnost vytvořených vtisků je velmi špatné či žádná, jednak pak že indentační křivka v sobě nese mnohem více informací o chování materiálu v průběh celého zatěžovacího, prodlevy a odlehčovacího procesu a tím, dávají možnost získat např. informace o elasticko plastickém chování sledovaných povrchových vrstev materiálových systémů apod. [2] Další záležitostí zvyšující důvody použití těchto metod je, že vzhledem k velmi malým zatížením při indentaci lze hovořit ve své podstatě o nedestrktivním zkoušení povrchových vlastností a chování a velmi lokálních oblastí hodnocení. 4. HLOUBKOVÉ PROFILY MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ Při nanoindentačním měření při různých velikostech zatížení indentor proniká postpně do rozdílných hloubek materiálových systémů. Již samotná indentační křivka odráží mechanické vlastnosti a chování systémů materiálů a nebo homogenního materiálu. Tj. podle toho, zda materiál v celém rozsahu hloubky, do které postupně indentor proniká a hloubky ze které se vlivem ovlivněných oblastí odráží vliv na měření, je homogenní a nebo s heterogenními vlastnostmi. Díky tomu můžeme rozlišovat postupné změny u tzv. multivrstev, sendvičových vrstev, gradientních vrstev apod. Rozvrstvený systém je zachycen v průběhu indentačních křivek a je však otázkou, jak může být diskutován. Vlivem hloubkového zachycení změn je možné studovat nejen složité tenkovrstvé systémy, gradientní systémy apod., ale též procesy modifikační, které postupně modifikují materiál do hloubky, nebo též degradační procesy různých druhů namáhání s dopadem na postupné povrchové změny vlastností a chování proměnného materiálového systému. S postupným nárůstem degradačního procesu se mění hloubkový profil indentačních křivek. 5. CYKLICKÉ NANOINDENTAČNÍ MĚŘENÍ Stejně jako v případě hodnocení tenkovrstvých systémů jsou přesnější hodnocení než jen jednoduché vlastnosti průběhy namáhání v celém průběhu indentačního procesu a ještě více aproximováno k reálným podmínkám namáhání cykličností indentačních procesů namáhání, tak i v případě povrchových vrstev vznikajících degradačním či modifikačním procesem od povrchu materiálu do hloubky jsou cyklická nanoindentační měření mnohem komplexnější zkouškou s přínosem mnohem více informací [3]. Cyklické nanoindentační měření může být prováděno v několika modech, které přístroj nanoindentor umožňuje. Základním cyklickým modem je mod 4 (obr. 1), který umožňuje opakovaná indentační měření v jednom bodě postupně opakováním v podstatě indentace modem 2 od minimálního nastavitelného zatížení až po maximální nastavitelné zatížení s přesně definovatelnou časovou 2

3 prodlevou při maximálním zatížení. Počet cyklů v jednom místě je nastavitelný do maximální hodnoty 25. Pro měření je možné nastavit i rychlost zatěžování, což může též výrazně ovlivnit průběh indentačního měření. Druhým cyklickým modem, který přináší velice zajímavé informace, je mod 7 (obr. 2). V tomto modu měření se opakuje indentace v jednom místě s tím, že po opětovném odlehčení do minimální hodnoty zatížení probíhá zatěžování do dostupně se zvyšující síly až do předdefinované konečné maximální normálové síly. Zde je ovšem počet cyklů omezen a tím i počet stupňů nárůstu zatížení až do maximálního počtem 2. Přesto informace, které přináší, jsou velice cenné a informují o postupných změnách do různých hloubek materiálového systému nebo postupující degradace do hloubky materiálu. Obr. 1: Cyklická nanoindentační křivka měřená modem 4na povrchu materiálu Obr. 2: Cyklická nanoindentační křivka modu 7 na systému tenk vrstva substrát (1983) 3

4 6. HODNOCENÍ PROCESŮ STÁRNUTÍ POVRCHU MATERIÁLŮ Na základě výše uvedeného lze říci, že nanoindentační měření na základě záznamu indentačních křivek hloubka proniknutí indentoru v závislosti na velikosti působícího normálového zatížení, mohou být velikým pomocníkem při studium probíhajících degradačních procesů. Pro tato hodnocení jsou vhodná jednak základní hodnocení pomocí modu 2 s informací nejen o změnách povrchové tvrdosti, ale též hlavně o změnách poměru elastické a plastické deformace povrchu materiálů. Hodnocení změn degradačním procesem je možno s výhodou zachytit i tím, že by se stanovila i vybraná kritická hloubka materiálu, neboť měření je možné provádět i s nastavením maximální hloubky proniknutí indentoru a tím sledováním oblasti vždy stejné se zachycením v této hloubce probíhajících změn vlivem degradačního procesu (obr. 3). Stupňovitá postupná přerušovaná měření s řízenou prodlevou na určitých velikostech normálové síly (obr. 4) mohou názorně zvýraznit vlivem změn náběhu křivek a změn hloubek proniknutí při časových prodlevách prostupování degradačního procesu do hloubky materiálu a včas zachytit dosažení kritických oblastí a zamezení včas degradaci celého systému. Cyklická nanoindentace ať již modem 4 a nebo modem 7 může mnohem více zvýraznit rozdíly a zachytit jemnějším krokem probíhající změny s vyloučením některých negativních faktorů při indentačním měření. Níže jsou patrny na základě ukázek měření rozdíly, které byly zachyceny na polymerním materiálu vlivem degradačního teplotního stárnutí (obr. 5 a obr. 6). Jsou zachycena měření při různých velikostech maximálního zatížení před procesem degradace a následně po procesu degradace za stejných podmínek hodnocení (obr. 5 obr. 8). Zde je patrno tvrdnutí povrchu materiálu vlivem teplotní degradace a změny poměru elastické a plastické deformace v povrchových vrstvách ovlivněných degradačním procesem. Obr. 3: Nanoindentační křivka měření modem 5 s řízenou hloubkou maximálního proniknutí indentoru na systému tenká vrstva substrát (1983) 4

5 Obr. 4: Nanoindentační křivka získaná modem 6 se stupňovitým zatěžováním na systému tenká vrstva substrát (1983) 12 1 g merení 1 1 g merení 2 1 g merení 3 1 g merení 4 1 g merení 5 9 Zatížení [Newton x1e-6] Materiál Polidan teplotně neovlivněný. Indentační zatížení 1g MOD 2. Obr. 5: Ukázka naměřených nanoindentačních křivek na teplotně neovlivněném polymerním materiálu před procesem stárnutí 5

6 12 Starnutí 135/1 1g merení 1 Starnutí 135/1 1g merení 2 Starnutí 135/1 1g merení 3 9 Zatížení [Newton x1e-6] Materiál Polidan uměle zestárnutý při 135 C / 1 hod. Indentační zatížení 1g MOD 2. Obr. 6: Ukázka naměřených nanoindentačních křivek na teplotně ovlivněném polymerním materiálu po procesu stárnutí 12,1 g merení 1,1 g merení 2,1 g merení 3,1 g merení 4,1 g merení 5 9 Zatížení [Newton x1e-6] Materiál Polidan neovlivněný teplotním stárnutím. Indentační zatížení,1g MOD 2. Obr. 7: Ukázka naměřených nanoindentačních křivek na teplotně neovlivněném polymerním materiálu před procesem stárnutí 6

7 12 Starnutí 135/1,1 g merení 1 Starnutí 135/1,1 g merení 2 Starnutí 135/1,1 g merení 3 9 Zatížení [Newton x1e-6] Materiál Polidan uměle zestárnutý při 135 C / 1 hod. Indentační zatížení,1g MOD 2. Obr. 8: Ukázka naměřených nanoindentačních křivek na teplotně ovlivněném polymerním materiálu po procesu stárnutí 7. ZÁVĚR Vlivem potřeb optimalizace deposičních potřeb jsou připravovány zpřesňované metody hodnocení mechanických vlastností a chování při stále menším zatížení. Tím se v podstatě stává indentační proces procesem téměř nedestruktivním a je tudíž dobře uplatnitelný a i další systémy materiálů,kde je tato podmínka potřebná. Dále vzhledem k metodě hodnocení na základě hodnocení závislosti hloubky proniknutí indentoru na velikosti zatížení lze svým způsobem získávat informace o hloubkovém rozložení vlastností, jejich změn v určitých hloubkových oblastech. Informace o změnách mechanických vlastností a chování v různých hloubkách je velice důležitá i např. v oblastech studia degradačních procesů stárnutí, které v podstatě vycházejí z povrchu. Byla zde tudíž provedena první měření materiálů před teplotním stárnutí a po teplotním stárnutím. Je vidět, že změny jsou výrazně ukázány právě v průběhu nanoindentačních křivek. Příspěvek je presentován v rámci řešení projektu č. FT-TA/75. Literatura 1. ŠTĚPÁNEK, I., Evaluation of mechanical behaviour very different kind of material and thickness of films, sborník mezinárodní konference Matrib 22, str , Chorvatsko Vela Luka 22, ISBN ŠTĚPÁNEK, I., Conversion of analytic methods from microindentation evaluation to the nanoindentation evaluation of special materials. Sborník Matrib 23, Chorvatsko 23, pp , ISBN: ŠTĚPÁNEK, I., MICHÁLEK, J., NĚMEC, R., JELÍNKOVÁ, Š., Cyclic indentation tests for evaluation mechanical behaviour of systems thin film substrate and negative influences on results. Sborník Matrib 24, Chorvatsko 24, ISBN X 7