CHARAKTERIZACE PORUŠENÍ PRI KOMPLEXNÍM HODNOCENÍ VLASTNOSTÍ A CHOVÁNÍ SYSTÉMU S TENKÝMI VRSTVAMI. Ivo Štepánek

Transkript

1 CHARAKTERIZACE PORUŠENÍ PRI KOMPLEXNÍM HODNOCENÍ VLASTNOSTÍ A CHOVÁNÍ SYSTÉMU S TENKÝMI VRSTVAMI Ivo Štepánek Západoceská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, Plzen, CR, ivo.stepanek@volny.cz Abstrakt Príspevek se zabývá komplexním hodnocením vlastností a chování systému tenká vrstva substrát pri ruzných zpusobech namáhání zejména však mechanického s doplnením o další postupy hodnocení pro zpresnení výsledku a jejich vyhodnocení. Pozornost je venována indentacním zkouškám statickým a vrypovým pri ruzných velikostech pusobícího zatížení pro nedestruktivní zkoušení na jedné strane a pro aproximaci mechanického namáhání na strane druhé. Jsou doplnována hodnocení porušování o chemické analýzy chemického složení, hloubkových profilu, postupných degradacních prechodu a rozsahu porušení. Duležitá jsou doplnení charakterizace porušení mikroskopickými metodami po indentaci plošnými a liniovými ci hloubkovými profily chemického složení. Hodnocení jsou zamerena jak na povrchy základních materiálu tak na povrchy s tenkými vrstvami deponovanými nízkonapetovým reaktivním obloukovým odparováním ve vakuu. The paper is devoted by complex evaluation of properties and behaviour of systems thin film substrate during different kind of stress the first of all mechanical with completion for improvement of results and their evaluation. Attention is on indentation tests static and scratch during different value of normal force for nondestructive testing on the first part and aproximation of mechanical stress on the second part. There are completed evaluation of failures with chemical analysis of chemical composition, depth profile of chemical composition, step by step evaluation of degradation and their range. The evaluation of failures after indentation tests by microscopic method is completed by line, mapping and depth profile analysis of chemical composition. The analysis are dirrected to the evaluation of surface basic material and surface of systems thin film substrate too. Deposition of thin films is realised at the first by low voltage reactive arc evaporation in vacuum. 1. ÚVOD Stále se rozširující oblastí jsou nejen technologie povrchových úprav od tlustých vrstev pres tenké vrstvy až k povrchovým modifikacím, ale též úzce související analytické metody hodnocení vlastností a chování povrchových vrstev presneji systému vrstva - substrát. Širokou oblastí jsou hodnocení mechanických vlastností, které je nutno prizpusobovat i daným hodnoceným systémum materiálu. V rade hodnocení se pohledy na výsledky mení s prihlédnutím na velikosti povrchových úprav, potreby lokálních charakteristik apod. Proto se napr. prechází od hodnocení mikrotvrdosti na hodnocení nanotvrdosti, od hodnocení adheze na hodnocení celkového adhezivne kohezivního chování sledovaných systému tenká vrstva substrát [1]. Nejsou získávány pouze základní charakteristiky jako mikrotvrdost, adheze apod., ale jsou sledovány chování studovaných materiálu v prubehu zkoušek. Pro charakterizaci prubehu porušování a degradace jsou využívány ruzné mikroskopické metody a ruzné metody mappingu povrchových vlastností mechanických ale i chemických [2]. Pro komplexní pohledy jsou metody modifikovány pro další hodnocení a zpresnování stávajících analytických metod. 1

2 2. OTEVRENÉ METODY HODNOCENÍ MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ Pro hodnocení mechanických vlastností tenkých vrstev, povrchových úprav, povrchových modifikací, povrchových degradací apod. se nejvíce používají indentacní zkoušky. Na základe ruzné velikosti pusobícího zatížení se získávají ruzné vlastnosti a informace o chování sledovaných systému materiálu. V prípade hodnocení mikrotvrdosti se s poklesem tlouštky tenké vrstvy prechází na hodnocení nanotvrdosti na základe indentacní krivky závislosti hloubky proniknutí na velikosti pusobícího zatížení [3]. Pri vyšším zatížení indentor proniká do vetší hloubky a merení v sobe nese informaci o celém systému tenká vrstva substrát. Pri dalším nárustu zatížení jsou v merení obsaženy zejména informace o vlastnostech podkladového základního materiálu. Prubeh krivky pri merení nanoindentorem nese informaci o chování systému materiálu v prubehu celého zatežování a odlehcování, porušování v okolí a uvnitr vtisku nese informaci podle velikosti zatížení o porušování tenké vrstvy a základního materiálu. 3. DOPLNENÍ STATICKÝCH INDENTACNÍCH METOD Statické indentacní metody pri ruzných zatíženích jsou hodnoceny na základe hodnocení velikosti vtisku a nebo na základe indentacní krivky. Na základe techto hodnocení jsou stanoveny hodnoty makrotvrdosti, mikrotvrdosti a nanotvrdosti. Nejen základní hodnocení tvrdosti jsou duležitá pro další optimalizace technologických procesu a volby vytvárených systému materiálu pro ruzné aplikacní smery se zamerením zejména na mechanickou odolnost. Velice duležité je studium chování vytvárených systému povrchová úprava substrát pri ruzných zpusobech namáhání. Mechanické namáhání muže být realizováno ruznými indentacními zkouškami pri velice rozdílných velikostech zatížení. Pri malých velikostech zatížení jsou namáhány lokální oblasti materiálu a je nutno realizovat merení s velikou presností pro zabezpecení analýz ve stanovených lokálních oblastech ruzných strukturních složek základního materiálu a lokálních oblastech povrchových úprav. Velice duležité je proto doplnit jednoduché mikroskopické metody prístroju pro tato hodnocení doplnit kvalitnejšími mikroskopickými metodami pro presné nastavení mikrolokalit pro merení. To muže být realizováno pomocí svetelné mikroskopie s polarizovaným svetlem a Nomarského diferenciálním kontrastem nebo pomocí rádkovací elektronové mikroskopie v ruzným modech merení a to v sekundárních elektronech pro morfologická odlišení a v odražených elektronech pro odlišení ruzného chemického složení. Využití výše uvedených mikroskopických metod je jednak pro zvýraznení lokalit pro merení a jednak pro zlepšování kontrastu pro hodnocení prubehu porušení uvnitr a v okolí indentací. Velice duležitá je znalost zda dané porušení je pouze v povrchové vrstve ci zasahuje do hlubších vrstev prípadne až do základního materiálu. Pri vyšších pusobících normálových silách se hodnotí adheze povrchových vrstev k základnímu materiálu. Ovšem muže docházet též k porušování jak samotné vrstvy tak základního a tak mluvíme presneji o adhezivne kohezivním porušování celého systému vrstva substrát, povrchová úprava substrát, povrchová modifikace substrát apod. Je nutné rozlišovat zda dané porušení je pouze v povrchové vrstve ci je adhezivního charakteru a nebo kohezivního porušení substrátu pod povrchovou tenkou vrstvou. Rozlišení techto prípadu nemusí být zcela zrejmé a proto jde opet o doplnování kvalitními mikroskopickými metodami výše uvedenými. V rade prípadu opet rozlišení není presvedcivé. Hodnocení jsou doplnována povrchovým chemickým složením prípadne jejich profilováním. Informace o rozložení prvku po povrchu prináší elektronová mikrosonda, která muže dát informace o rozložení prvku po povrchu pro zachycení lokalit s ruzným chemickým složením v ruzných strukturních složkách základního materiálu ci 2

3 v ruzných nehomogenitách v povrchové úprave (napr. rozložení makrocástic pri deposici za pomoci obloukového odparování). Výhody ci nevýhody ruzných analytických metod mohou být využitelné pro speciální hodnocení, napr. zachycení strukturních složek pod povrchovou tenkou vrstvou. Hodnocení v ruzných místech mohou dát užitecné informace o vlivu strukturního složení a vlastností v ruzných strukturních složkách na vlastnosti povrchové vrstvy nad touto lokalitou. Proto je nutné využít metod s hloubkovou citlivostí merení. Pro tato merení jsou použitelné nekteré metody jako napr. GDOES, kde však je velikost plochy merení príliš rozsáhlá a dále je to metoda destruktivní. Informace z urcité hloubky prináší elektronová mikrosonda vzávislosti na velikosti ovlivnované oblasti pri merení. Zde je velikost plochy v mikronech a hloubka informace též v mikronech. Pro velmi tenké vrstvy prináší odpovídající výsledky. Operativnost tohoto hodnocení a jeho dostupnost jsou omezené, merení jsou casove nárocná. V soucasné dobe jsou provádeny experimenty pomocí rtg fluorescence, které však mohou dávat dílcí informace ovšem hodnocená plocha je rozsáhlejší než v prípade elektronové mikrosondy, ovšem menší než u GDOES. Metoda je nedestruktivní a má vetší hloubkovou informaci. Merení mikrolokalit jsou velice citlivá a vyžadují velice presné metody analýz. Další oblastí je hodnocení adhezivne kohezivního chování systému tenká vrstva substrát pomocí statických indentacních zkoušek pri ruzných velikostech zatížení. Podle velikosti zatížení muže narustat porušení a postupne pronikat pres povrchovou úpravu až do základního materiálu. S poklesem velikosti zatížení narustá potreba citlivosti analytických metod. Ruzné mikroskopické metody se používají pro zvýraznení porušování vokolí vtisku po indentaci prípadne prímo citelnost vtisku pro hodnocení klasické mikrotvrdosti. Porušení v okolí vtisku a uvnitr vtisku se muže hodnotit též s využitím vybraných výše uvedených metod hodnocení. Zejména se jedná o hodnocení pomocí elektronové mikrosondy a v soucasné dobe se provádí experimenty s využitím rtg fluorescence pro charakterizaci porušení pri vetších velikostech vtisku. V návaznosti na výše uvedené hodnocení mechanických vlastností a chování v mikrolokalitách je zrejmé, že základní materiál silne ovlivnuje celkové adhezivne kohezivní chování celého systému vrstva substrát. Pro stanovení prvotnosti porušení, zda porušení jde až do základního materiálu apod. je nutné zvýraznit porušení ruznými mikroskopickými metodami a overit významnost porušení lokálním chemickým složením nebo lépe liniovým hodnocení prípadne mappingem po povrchu. Celkove výše uvedená charakterizace pomuže zpresnit a rozšírit standardní hodnocení adheze na základe kritických císel a rozsahu porušení, která zejména pro aplikacní oblasti jsou ne zcela presne vypovídajícími hodnotami. 4. DOPLNENÍ VRYPOVÝCH INDENTACNÍCH ZKOUŠEK Vrypové indentacní zkoušky na prístroji scratch tester CSEM REVETEST (obr. 1) se standardne využívají pro hodnocení adheze tenkých vrstev k základnímu materiálu. Problematika stanovení kritických sil adheze je však velice nárocná a casto dosti nepresná. Proto se prechází na hodnocení chování celého systému materiálu tenká vrstva substrát a to z pohledu porušování v prubehu vrypové zkoušky se zamerením na charakterizaci adhezivne kohezivního chování sledovaných systému materiálu. Hodnocení kritické síly prvního odhalení základního materiálu je zpresnováno korelací snímaných signálu akustické emise a koeficientu trení (obr. 2) a dále i s obrazovými informacemi (obr. 3) ruznými mikroskopickými metodami s využitím polarizovaného svetla a Nomarského diferenciálního kontrastu u svetelné mikroskopie pro zvýraznení porušení. Dále jsou stopy po vrypové indentaci ve vybraných prípadech hodnoceny pomocí rádkovací elektronové mikroskopie a to pomocí sekundárních elektronu (zvýraznení morfologie porušení) ale i odražených elektronu 3

4 (zvýraznení signálu od vrstvy a substrátu) (obr. 4). Hodnocení na rádkovacím elektronovém mikroskopu však není operativní a ve vetším merítku je težko aplikovatelné. Jednoznacnost urcení kritické síly i s využitím výše uvedeným mikroskopických metod není. Merení je potreba doplnit v rade prípadu rozložení prvkového složení po povrchu a hledání signálu od základního materiálu a povrchové vrstvy. Nové informace prináší bodové, liniové a mappingové hodnocení s pomocí elektronové mikrosondy. Na základe výsledku z merení mikrosondou lze presneji stanovovat míru a charakter porušování. Vzhledem k problémum kolem urcování kritických sil, se hodnocení orientuje na prubeh porušování adhezivne kohezivního charakteru. Pro zpresnování hodnocení ve vetších plochách hodnocení se pripravují experimenty merení pomocí rtg fluorescence v lokálních místech, které by mohly napomoci pri získávání více informací z této indentacní zkoušky. Prínos této metody je z hlediska operativnosti použití, z hlediska nedestruktivního hodnocení a hodnocení v lokálních oblastech podle volby velikosti kolimátory pri analýze. Velikost oblasti, ze které jsou informace snímány je patrna z obrázku a rozdíl spektra ve dvou ruzných oblastech vrypu též (obr. 6). Postupné zmeny spekter vruzných místech vrypu jsou patrny zobr. 7. Je videt postupný nárust signálu substrátu a pokles signálu vrstvy jak proniká vryp do hloubky a odhaluje substrát. Vrypová zkouška pri aproximaci praktického namáhání se rozširuje na cyklické vrypové zkoušky. V tomto prípade prubežné hodnocení rtg fluorescencí prináší doplnující informace o expanzi porušování v okolí i uvnitr vrypu, ale též porušení hloubkového charakteru. Obr. 1: Prístroj scratch tester CSEM REVETEST Obr. 2: Korelace signálu akustické emise (modrá) a koeficientu trení (cervená) snímaných v prubehu vrypové zkoušky 4

5 Obr. 3: Korelace signálu akustické emise a koeficientu trení s obrazovými informacemi a detailem místa porušení. Obr. 4: Zvýraznení prvkového rozložení po povrchu odraženými elektronu v rádkovací elektronové mikroskopii (prvý obrázek), zvýraznení morfologie vrypu a jeho detailu (druhý a tretí obrázek) odraženými elektrony Obr. 5: Zvýraznení prvkového složení po povrchu pro charakterizaci adhezivního a kohezivního porušení, ale i morfologie vrypu 3D zobrazením. 5

6 5. DOPLNENÍ ZKOUŠEK INDENTACNÍCH PRO ZKOUŠKY OPOTREBENÍ Obdobne jako v prípade vrypových zkoušek zejména cyklických vrypových zkoušek jsou rozširována hodnocení tribometrickými metodami. Pri hodnocení napr. na tribometru nebo na trecích strojích je hodnocena drsnost a prípadne koeficient trení v prubehu zkoušek. Vhodným a užitecným rozšírením je hodnocení stopy po techto zkouškách a to jak výše uvedenými zdokonalovanými mikroskopickými metodami ve smeru operativnosti hodnocení tak analýzou rozložení chemického složení s hloubkovou citlivostí. 6. DOPLNENÍ EXPERIMENTU KONTAKTNÍHO ÚNAVOVÉHO CHOVÁNÍ Obdobne jako v prípade tribologických zkoušek jsou doplnována hodnocení pomocí prístroje na kontaktní únavu, kde jsou snímány vibrace vzávislosti na velikosti porušení, sledována stopa po kontaktní únave operativne kvalitní svetelnou mikroskopií se zvýraznením porušení pomocí polarizace a Nomarského diferenciálního kontrastu. Vzhledem k nejasnostem kolem opotrebení hodnoceného povrchu a testovacích kulicek apod. se rozširuje zkouška pro získání více informací o prubehu porušení a jeho velikosti jak plošné tak hloubkové o hodnocení výše uvedenými metodami chemického složení, ale i lokálními statickými indentacními zkouškami. Obr. 6: Velikost merené plochy na základe výberu kolimátoru a rozdíl výsledku namerených spekter ve dvou ruzných místech a to mimo vryp a uvnitr vrypu. 6

7 Obr. 7: Postupné zmeny namerených spekter v ruzných místech ve stope vrypu v systému tenká vrstva TiZrN substrát 7. ZÁVER Pro optimalizaci deposicních procesu ve smeru konkrétního uplatnení na konkrétní soucásti a konkrétní provozní podmínky je soustredena pozornost na mechanické namáhání a nejen na hodnocení základních vlastností. Porušování behem mechanického namáhání je s výhodou doplnováno o další hodnocení pomocí mikroskopických metod s kvalitnejší optikou, kde jednak jsou upresnovány nejasnosti okolo standardních hodnocení jako je kritická síla apod. a jednak je sledována velikost porušení, charakter porušení, jeho iniciace a šírení. Pro širší uplatnení techto hodnocení ve vazbe na optimalizaci deposicního procesu a kontrolu kvality vytvárených systému je nutno rozšírení provádet na základe úvahy o operativnosti hodnocení, destruktivním hodnocením a hodnocením pro možnosti predikce chování v reálných podmínkách. Indentacní zkoušky statické a vrypové prináší již mnohem více informací s vhodným doplnením na základe analýz nedestruktivních chemického složení a tlouštky vrstev pomocí rentgenové fluorescence. Literatura Príspevek je presentován v rámci rešení výzkumného zámeru c. MSM 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., 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

8 3. ŠTEPÁNEK, I., Universal application of indentation tests in the wide range analysis mechanical properties and behaviour very different materials, sborník mezinárodní konference Matrib 2001, str , Chorvatsko Vela Luka 2001, ISBN