KORELACE ZMĚN POVRCHOVÝCH VLASTNOSTÍ ELEKTROCHEMICKÝM ZATÍŽENÍM A KOROZNÍM PŮSOBENÍM V REÁLNÉM ČASE.

Transkript

1 KORELACE ZMĚN POVRCHOVÝCH VLASTNOSTÍ ELEKTROCHEMICKÝM ZATÍŽENÍM A KOROZNÍM PŮSOBENÍM V REÁLNÉM ČASE. Abstrakt Klára Jačková, Ivo Štěpánek Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, Plzeň, ČR, ivo.stepanek@volny.cz Příspěvek se zabývá korelací probíhajících změn povrchových vlastností vyvolaných při zkouškách koroze v elektrochemickém prostředí a při zkouškách v reálném čase. Soustředěná pozornost je na studium povrchových vlastností a to povrchu základního materiálu a povrchu systému tenká vrstva základní materiál. Hodnocení jsou nejvíce zaměřena na studium charakteru porušení při jednotlivých zkouškách a jejich vývoji v čase a to jak v relativně krátkých zkouškách elektrochemickou cestou tak v časově delších experimentech v reálném čase. Pro různé aplikační směry je prvořadá vlastnost mikrotvrdost či přesněji nanotvrdost, elasticko plastické chování a adhezivně kohezivní chování sledovaných systémů. Proto je nejvíce práce věnována právě sledování vývoje změn těchto vlastností a tohoto chování při různém korozním napadení. The paper deals of correlation of changing of surface properties which are given by corrosion tests in elektrochemical environment and in real-time trstiny conditions. Speciál attention is given on study surface properties namely surface of basic materiál surfaře of systém thin film - substrate. The evaluation is focusing first of all on study of character of failure in particular tests and their time development by relatively short time electrochemical corrosion tests and by long time tests in real-time too. The microhardness, especialy nanohardness, elastic plastic behaviour and adhesiv-cohesive behaviour are the most important properties for various aplication direction. Main attention is on evaluation of changing of this properties and behaviour in various corrosion failures. 1. ÚVOD Vzhledem k potřebným aplikacím nových materiálů, tenkovrstvých materiálů, materiálů s povrchově modifikovanou vrstvou apod. v provozních podmínkách, kde kromě samotného mechanického namáhání, pro které jsou uvedené systémy materiálů optimalizovány, se vyskytuje působení i korozního prostředí [1]. Jednak je potřeba v takových to případech dosáhnout určité korozní odolnosti systémů tenká vrstva substrát, povrchu substrátu apod. a jednak je potřeba dosáhnout udržení žádané povrchové mechanické odolnosti v určitém časovém horizontu a nebo alespoň znát probíhající změn a předpovědět další vývoj chování takto modifikovaných materiálů nebo přesněji povrchu těchto materiálů. Vzhledem k hodnocení systémů tenká vrstva substrát nelze postupovat pouze hodnocením v korozních komorách, ale je nutno se soustředit zejména na iniciaci prvotních porušení a stanovení jejich příčin [2]. 2. APROXIMACE PRAXE KOROZNÍMI EXPERIMENTY Hodnocení je rozděleno na několik oblastí. Z hlediska přesnější aproximace podmínek praxe z hlediska působení korozního prostředí se realizují dlouhodobé korozní experimenty v různých prostředí v závislosti na druhu materiálu, na druhu prostředí v praxi a na 1

2 konkrétních součástkách z praxe. Z hlediska dlouhodobosti korozních experimentů lze hovořit o experimentech v rozmezí několika hodin až několika měsíců. Parametr času je stanoven zejména z hlediska životnosti součásti v praktických podmínkách a tím možnosti rozvoje přídavného korozního napadení a jeho dopadu na změny hlavních požadovaných vlastností a chování mechanického charakteru. V dřívějších experimentech byla soustředěna pozornost na iniciaci korozního porušení a jeho vývoj hodnocený zejména na základě metalografického morfologického hodnocení. Vliv na hlavní potřebné a sledované vlastnosti však se může projevit ještě před tím než se projeví prvotní iniciace korozního prostředí, jak prokázaly již dřívější částečné experimenty. 3. REÁLNOST A URYCHLENÍ KOROZNÍHO NAPADENÍ Z hlediska zachycení náchylnosti sledovaných systémů ke koroznímu porušování jsou prováděny experimenty měření elektrochemických potenciálů. Cílem těchto experimentů je jednak stanovení korozní náchylnosti na různých základních materiálech a následně na různých systémech tenká vrstva substrát případně s vlivem rozdílné tloušťky tenké vrstvy pro získání rozdílného bariérového efektu. Dále je cílem provádět experimenty s různými časy působení elektrochemického prostředí pro stanovení různého stupně korozního porušení povrchu, na kterém jsou následně hodnoceny další vlastnosti a odolnosti modifikovaného povrchu. 4. CÍLE EXPERIMENTŮ Hlavním cílem experimentů nejsou systémy určené pro extrémní korozní odolnost a tak nelze hodnotit zda daný systém je nejvhodnější pro zlepšení korozní odolnost jak je často chybně v těchto experimentech chápáno. Pro zlepšení korozní odolnosti se nemusí použít právě tyto systémy, ale systémy s jinými druhy základního materiálu i typu tenkých vrstev. V tomto případě je pozornost soustředěna na korozní odolnost a probíhající změny jako faktoru druhotného ovlivňujícího negativně hlavní cílené povrchové vlastnosti, což jsou mechanické vlastnosti jako je mikrotvrdost, přesněji nanotvrdost, elasticko plastické chování, adhezivně kohezivní chování apod. 5. METODY HODNOCENÍ POVRCHOVÝCH ZMĚN VLASTNOSTÍ Statická indentační zkouška Probíhající změny povrchových mechanických vlastností jsou charakterizovány pomocí statických a vrypových indentačních zkoušek. Při statických indentačních zkouškách jsou volena různá působící zatížení, aby se zajistilo postupné pronikání indentačního tělesa do hloubky materiálu nebo přesněji povrchu základního materiálu a systému tenká vrstva modifikovaný povrch substrátu. Indentační křivka nese určitou informaci o hloubkovém porušování a tím míru korozního narušení mechanických vlastností na samotném povrchu (obr. 1). Může nést svým způsobem informaci o čase prostupu porušení skrze systém tenká vrstva substrát. Na toto lze usuzovat na základě tvaru a hladkosti měřených indentačních křivek případně snímaných signálů akustické emise, které ovšem v případě hodnocení nanoindentační metodou zatím nelze realizovat. Statická indentační zkouška při větších zatížení až do velikosti makro zatížení charakterizuje změny adhezivně kohezivního chování sledovaných systémů tenká vrstva substrát a kohezivního chování modifikovaného povrchu základního materiálu (obr. 2). 2

3 Obr. 1: Průběh indentační křivky s možným vlivem koroze - tenká vrstva při 2 g. Kalotest Obr. 2: Změna indentačního porušení vlivem korozního porušení. Další metodou, kterou jsou charakterizovány probíhající změny povrchových mechanických vlastností je zkouška kalotestem. Touto zkouškou lze charakterizovat jak tloušťku několikavrstvého systému, který vzniká i prostupem korozního napadení skrze celý systém tenká vrstva substrát, ale lze usuzovat na probíhající změny abrazivních vlastností jak celého systému tenká vrstva substrát tak modifikovaného povrchu samotného základního materiálu (obr. 3). 3

4 Obr. 3: Tloušťka proměněné korozní vrstvy a abrazivní porušování korozní vrstvy Vrypová indentační zkouška Komplexní informace o probíhajících povrchových změnách přináší vrypová indentační zkouška a to buď v modu měření s konstantní působící normálovou silou nebo v modu s proměnnou působící normálovou silou s konstantní rychlostí nárůstu její velikosti. Jednak je hodnocen celkový provedený vryp morfologicky se standardním stanovováním kritických sil adheze a koheze případně stanovováním významných adhezivních a kohezivních porušení a jejich posun vlivem působení korozního prostředí na povrch sledovaných systémů s tenkými vrstvami ale i bez tenkých vrstev (obr. 4 obr. 7). Dále lze hodnotit nárůst celkového porušení uvnitř a v okolí vrypu. Během vrypové zkoušky je zaznamenáván i průběh signálu akustické emise, který je snímán snímačem uchyceným na držáku indentoru. Průběh signálu akustické emise v sobě nese informaci o změnách porušování jak celkového systému tenká vrstva substrát tak samotného modifikovaného povrchu základního materiálu. Podle charakteru porušování a podle charakteru průběhu snímaných signálů lze usuzovat na prvotnost a příčinnost probíhajících změn. 4

5 Obr. 4: Vrypová zkouška do substrátu a systému tenká vrstva substrát před korozním působením. Obr. 5: Vrypová zkouška do substrátu a systému tenká vrstva substrát po korozním působením v místě bez poruchy. 5

6 Obr. 6: Vrypová zkouška do substrátu a systému tenká vrstva substrát po korozním působením v místě korozního napadení. Obr. 7: Vrypová zkouška do substrátu a systému tenká vrstva substrát po korozním působením v různých místech napadení. 6. ZÁVĚR Předběžné experimenty ukazují na možnosti aproximace korozního prostředí v laboratoři a to urychlenými zkouškami tak dlouhodobými zkouškami. Na porušování mechanickým namáháním systémů tenká vrstva substrát má vliv chování samotného základního materiálu. Vlivem působení korozního prostředí se postupně mění povrchové mechanické vlastnosti a to již v době, kdy ještě není patrné korozní porušení, ale změna vlastností je pro praxi již velmi důležitá. Dobrá přiblížení mechanického namáhání dávají statické indentační zkoušky a to jak nanoindentační tak při vyšších zatížení, tak vrypové zkoušky tak i zkoušky abraze kalotestem. Příspěvek je presentován v rámci řešení grantu GA ČR č. 106/02/

7 LITERATURA 1. I.Stepanek, Complex analysis properties and behaviour systems of thin film - substrate with respect practice application of systems, sborník mezinárodní konference Matrib 2000 Vela Luka Chorvatsko Z.Bartuskova, I.Stepanek, Method of combinated stress of systems thin film substrate in agressive environment, sborník mezinárodní konference Matrib 2000 Vela Luka Chorvatsko