VRYPOVÁ ZKOUŠKA Z POHLEDU HODNOCENÍ POMOCÍ OBRAZOVÉ ANALÝZY. Martin Hrdý, Ivo Štěpánek, Roman Reindl, Markéta Podlahová

Transkript

1 VRYPOVÁ ZKOUŠKA Z POHLEDU HODNOCENÍ POMOCÍ OBRAZOVÉ ANALÝZY. Martin Hrdý, Ivo Štěpánek, Roman Reindl, Markéta Podlahová Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, Plzeň, ČR, ivo.stepanek@volny.cz Abstrakt Příspěvek se zabývá možnostmi využití obrazové analýzy pro hodnocení porušení a jeho šíření během vrypové zkoušky scratch testerem. Soustředěná pozornost je na vyhodnocení obrazových informací získaných digitalizací přes kameru snímající obrazové informace z metalografického mikroskopu. Vychází se z hardwarové i softwarové optimalizace obrazu a následně spojení informací z celé plochy zasažené vrypovou zkouškou. Metodika je založena na odměřování vzdáleností ve vrypu a přiřazení silových informací, odměřování rozměrů vrypů, plochy narušení vrypovou zkouškou, sledování charakteru a velikosti porušení jak uvnitř vrypu pro adhezivní vlastnosti tak podél vrypu pro odhalení kohezivního porušení. Soustředěná pozornost je na vývoj sledovaných veličin při cyklické vrypové zkoušce. This supply is concerned on possibilities of the utilization of the image analysis for evaluation failures and their expansion during scratch testing on Scratch tester. We especially concentrate on the image information evaluation obtained by digitalization (digital camera) of the image observed via metalographic microscope. The hardware and the software of the image optimalization are basic of the evaluation of the scratched area. Methodology is based on measuring of distances and of areas of scratches, on measuring of distances inside the scratch with assigning of the force information, on observation of the character and the size of failures inside the scratch (adhesion properties) and along the scratch (detection of cohesion failures). We especially concentrate on trend of observed variables at cyclic scratch testing. 1. ÚVOD Veliký rozvoj deposice tenkých vrstev různými metodami si stále více vynucuje též komplexní hodnocení vytvářených systémů tenká vrstva substrát a zpětnou reakci na základě tohoto hodnocení při optimalizaci deposičního procesu. Pro další rozvoj širokého uplatnění tenkých vrstev v praktických podmínkách provozu je potřeba alespoň částečně aproximovat chování systémů s tenkými vrstvami v praktických podmínkách a nebo alespoň soustředit pozornost na hodnocení chování systémů s tenkými vrstvami při určitých způsobech namáhání [1]. Nejvíce rozvinutá zkouška pro hodnocení mechanických vlastností a chování tenkovrstvých systémů je indentační zkouška vrypová na zařízení scratch tester [2]. Vrypová zkouška na jednu stranu umožňuje celou řadu zkoušek vlastností a chování tenkých vrstev, povrchu základního materiálu, systému tenká vrstva základní materiál, modifikovaného povrchu základního materiálu. Na druhou stranu však se objevuje celá řada faktorů ovlivňujících vrypovou zkoušku, znejasňujících vrypovou zkoušku bez kompleního pohledu na hodnocení a bez hodnocení v zájemných souvislostech a bez doplňujících a zpřesňujících způsobů hodnocení. 2. VÝVOJ METODIK HODNOCENÍ VRYPOVÉ ZKOUŠKY Pohledy na hodnocení vrypové zkoušky (obr. 1) se stále mění a vyvíjejí a to od základního hodnocení pomocí kritických sil adheze jako specifika ve své podstatě jediným 1

2 číslem charakterizujícím adhezi tenké vrstvy k základnímu materiálu přes hodnocení adhezivně kohezivního chování charakterizujícího průběhy probíhajících změn v průběhu vrypové zkoušky až po hodnocení opotřebení cyklickou vrypovou zkouškou. Vzhledem k těmto přechodům se mění též pohledy na hodnocení z pozice systému obrazové analýzy a hardwarové a softwarové optimalizace obrazu. Obr. 1: Schema vrypové zkoušky Hodnocení z pohledu obrazové analýzy rozdělíme na tři oblasti a to: 2. HODNOCENÍ KRITICKÝCH SIL Hodnocení na základě kritických sil adheze a koheze na základě obrazových morfologických mapování vznikajících porušení. K tomu je silně potřeba optimalizace obrazu jak nastavením optických komponent přístroje a optimálního zvýraznění pomocí polarizovaného světla a Nomarského diferenciálního kontrastu tak další optimalizací pomocí softwaru Image Pro Plus. V našem standardním hodnocení se vychází převážně z možností světelné metalografické mikroskopie pro svoji operativnost a jednoduchou dostupnost zejména z důvodu seriového hodnocení systémů tenká vrstva substrát. Možností řádkovací elektronové mikroskopie a mikrosondy se využívá v případě ověření nejasností. Optimalizací pohledu na první porušení se eliminuje celá řada negativních faktoru, které vedou k subjektivnímu posouzení. To je v případě jednoduchého hodnocení adheze a koheze. Při přechodu na hodnocení adhezivně kohezivního chování sledovaných systémů se analyzuje metodou kritických sil přítomnost a významnost adhezivních a kohezivních porušení v celé délce vrypu při proměnné působící normálové síle. Hodnocení je soustředěno na charakter porušení, velikost porušení v závislosti na působící síle, hloubkový dosah porušení a zda je porušení dáno kohezivním porušováním substrátu a nebo tenkou vrstvou apod. V případě cyklických vrypových zkoušek se sleduje nárůst porušení v těchto vyznačených místech kohezivního a adhezivního porušení, dále se sleduje výskyt nových porušení zejména ve směru k začátku vrypu. 3. HODNOCENÍ ADHEZIVNĚ KOHEZIVNÍHO PORUŠENÍ Hodnocení na základě celkového porušení adhezivně kohezivního podél celého provedeného vrypu v případě analýzy adhezivně kohezivního chování systémů tenká vrstva 2

3 substrát. Případně dochází k rozdělení hodnocení na kohezivní podél vrypu a adhezivní uvnitř vrypu (obr. 2 obr. 6). Toto hodnocení není tak náhodné a charakterizuje přesněji chování sledovaných systémů s tenkými vrstvami, ale na druhou stranu je poměrně náročné automatické označení uvedených ploch porušení. Velikost porušení vrypovou zkouškou může být významnější především z výhledu, že systémy v praktických podmínkách jsou vystaveny kombinovaným způsobům namáhání. Při hodnocení cyklickou vrypovou zkouškou se sleduje změna velikosti celkového porušení s počtem cyklů, případně se zaznamenává hloubková změna porušení podle možností mikroskopických metod. Obr. 2: Hodnocení kohezivního porušení v okolí vrypu Obr. 3: Část vrypu a hodnocení celkové plochy zasažené vrypem Obr. 4: Část vrypu a hodnocení vybraného kohezivního porušení Obr. 5: Použité masky pro hodnocení porušení vrypem 3

4 Obr. 6: Vybrabé místo před vrypem, po vrypu, zvýraznění softwarové a hodnocení plochy porušení. 4. MĚŘÍTKO NORMÁLOVÉ SÍLY Pro charakterizaci jak kritických sil tak celkových ploch porušení je využívána kalibrace na velikost síly v různých místech vrypu provedeného při proměnné působící normálové síle s konstantní rychlostí nárůstu její velikosti (obr. 7 a obr. 8). To umožňuje jednak stanovení velikosti kritických sil tak přepočet velikosti porušení na velikost působící síly v případě hodnocení plochy narušení vrypovou zkouškou. 4

5 Obr. 7: Tvorba měřítka normálové síly a určení síly ve vybraném místě. Obr. 8: Zvolené místo s poruchami kohezivními a určení velikosti normálové síly 5. ŠÍŘKA VRYPU Dalším způsobem hodnocení je především v případě cyklické vrypové zkoušky zaměření na sledování změn šířky vrypu v jednotlivých místech ve vrypu (obr. 9) případně změna vzájemného úhlu okrajů vrypu s počtem provedených cyklů především v závislosti na vlastnostech základního materiálu. 5

6 Obr. 9: Hodnocení změn šířky vrypu ve vybraných místech při cyklické vrypové zkoušce 6. HLOUBKA VRYPU Další charakteristikou využívanou při hodnocení vrypové zkoušky obrazovou analýzou je hloubka vrypu v různých místeh působící normálové síly (obr. 10). 6

7 Obr. 10: Určování hloubky a šířky vrypu ve vybraném místě. 7. PODÍL PORUŠOVÁNÍ POVRCHU SUBSTRÁTU Pro komplexní pohled na hodnocení adhezivně kohezivního chování systémů tenká vrstva substrát je nutno se v prvé řadě soustředit i na zjištění kohezivního chování samotného základního materiálu před samotnou povrchovou úpravou deposicí tenkých vrstev případně zhodnocení modifikace povrchu základního materiálu vlivem jednotlivých etap příprav substrátu před deposičním procesem. Je nutno z celkového adhezivně kohezivního porušování systémů tenká vrstva substrát rozlišit jaké porušení je dáno právě porušováním takto modifikovaného substrátu a jaké charaktery porušení jsou tudíž dány substrátem a přeneseny do celého systému. 8. OPOTŘEBENÍ INDENTAČNÍCH TĚLES Při hodnocení tenkých otěru vzdorných vrstev s vysokou mikrotvrdostí je nutno do celkových výsledků započítávat i probíhající změny porušování indentačních těles v průběhu vrypových zkoušek zejména je to důležité v případě hodnocení cyklickými vrypovými zkouškami, které navím mohou být realizovány indentačními tělesy s menší tvrdostí pro bližší aproximaci praktických podmínek namáhání. V takovém případě je nutno rozlišovat v provedených vrypech, co je porušení systému tenká vrstva substrát, porušení dané modifikovaným povrchem substrátu a setřené porušení indentoru a přenesené na povrch sledovaných systémů. 9. SYSTÉM PRO OBRAZOVOU ANALÝZU 7

8 Komplexní hodnocení je realizováno systémem obrazové analýzy snímající obrazové informace kamerou z metalografického mikroskopu NIKON OPTIPHOT 100 S přes frame graberovou kartu do počítače přes software pro obrazovou analýzu Image Pro Plus. Tento program umožňuje optimalizaci obrazu operacemi s obrazem a dále odměřování v obraze (obr. 11). Navíc je možnost vytvářet vlastní makra pro snímání, ukládání a zpracování získaných obrazových informací. Nadstavbou je i možnost vytváření přímo modulů do samotného program díky vybavení vývojovým prostředím tohoto programu. Obr. 11: Ukázky částí vrypů se zvýrazněním mikroskopickými metodami a hodnocením plochy porušení, hloubky vrypu a velikosti normálové síly v daném místě. 10. ZÁVĚR S využitím obrazové analýzy pro celkové hodnocení vrypové zkoušky lze získat mnohem více informací a získat více vypovídající informace o adhezivně kohezivním porušování, velikosti sil ve vybraných místech, hloubky vrypu, šířky vrypu expanzi vrypu zejména pak při cyklických vrypových zkouškách. Příspěvek prezentován v rámci výzkumného záměru č. MSM LITERATURA 1. Z.Bartuskova, I.Stepanek, Method of combinated stress of systems thin film substrate in agressive environment, sborník mezinárodní konference Matrib 2000 Vela Luka Chorvatsko I.Stepanek, Method for complex evaluation of properties and behaviour systems of thin film substrate, sborník mezinárodní konference Matrib 2000, Chorvatsko Vela Luka