, Hradec nad Moravicí

Transkript

1 KOMPLEXNÍ METODIKA ANALÝZY CHOVÁNÍ RŮZNĚ ODOLNÝCH SYSTÉMŮ TENKÁ VRSTVA SUBSTRÁT VRYPOVÝM TESTEM S POVRCHOVÝM I HLOUBKOVÝM ROZLIŠENÍM BASIC EVALUATION AND MORE PRECISSION EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES AND BEHAVIOUR OF SYSTEMS THIN FILM SUBSTRATE BY INDENTATION TESTS Ivo Štěpánek, Kateřina Macháčková Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, Plzeň, ČR, ivo.stepanek@volny.cz Abstrakt Příspěvek se zabývá studiem chování systémů tenká vrstva substrát různě odolných proti tomuto indentačnímu namáhání pro zachycení iniciace porušení, jeho šíření a dosažení úplné degradace. Je brán zřetel na odolnost materiálového systému jak základního materiálu tak povrchové tenké vrstvy. Hodnocení jsou rozšířena doplňujícími analýzami pro přesnější zachycení postupného vývoje porušení přes celý vryp a v průběhu jednotlivých výsledků cyklické vrypové indentace. Vrypová indentace je zjemňována pro přínos nových informací a zachycení prvotnosti porušení méně odolných systémů s tenkými vrstvami. Doplňována je informace o rozsahu porušení do hloubky systému jednak speciálními přesnými příčnými výbrusy ve stopách po vrypových indentacích a dále využitím rentgenové fluorescenční analýzy s možností analýz ve velmi malých lokalitách. Závěrem je diskutován přínos zpřesněné vrypové indentace pro hodnocení povrchů materiálů a systémů tenká vrstva substrát. The paper is devoted by study of behaviour of systems thin film substrate with different resistivity to this indentation stress for capture initiation of failure, its expansion and increasing to all degradation. There is respect resistivity of basic material and surface thin film too. The evaluation is expanded by supplementary analyzis for precission capture step by step ëvolution of failure across all scratch and during single scratch in cyclic scratch test. Scratch test is refining for contribution of new information and capture primary failure of less resistive systems with thin film. Information about depth of failure is given by special cross sections in scratches and by x-ray fluorescence analyzis in small localities. In the end contribution of more precisely scratch indentation for evaluation of surface of materials and systems thin film substrate. 1. ÚVOD S intenzivním rozvojem povrchových úprav v různých směrech aplikací, s aplikací na různě připravené povrchy základních materiálů, s různými materiálovými vlastnostmi substrátu a s různě odolnými systému je rostoucí požadavkem na pružné operativní hodnocení vlastností a chování systémů tenká vrstva substrát. Vzhledem k tomu, že v celé řadě analytických pohledů nejsou plně respektovány potřeby pro hodnocení specifických systémů materiálů, je nutno výsledky analytických metod korelovat s parametry technologických procesů vytváření tenkých povrchových vrstev, ale i s přípravou základního materiálu před deposičním procesem. Dále je nutno přihlížet k parametrům deposičního procesu při volbě i realizaci analytických metod, by byly zaměřeny správným směrem pro odhalení právě těch vlivů, které je potřeba sledovat. Mnohdy nestačí specifikovat, zda daný systém je odolný či není odolný, ale je nutno najít jemné rozdíly pro pochopení probíhajících změn a rozdílů. 1

2 Tímto směrem je nutno dále zaměřovat analytické metody. Zejména v oblasti hodnocení mechanických vlastností je rozšiřován pohled od hodnocení základních vlastností jako je tvrdost, mikrotvrdost, adheze apod. ke sledování průběhu porušování při realizaci vnikacích zkoušek, pro zachycení prvotnosti porušení, jejích šíření a významnosti. 2. HODNOCENÍ STATICKOU INDENTACÍ RŮZNÝCH POVRCHOVÝCH ÚPRAV Základní hodnocení mechanických vlastností je prováděno na povrchových úpravách statickou indnetační zkouškou. Standardně se určuje mikrotvrdost pomocí měření mikrotvrdosti nebo nanotvrdosti při nesplnění podmínky pro mikrotvrdost a nebo potřeby více informací o povrchových vlastnostech a chování. V případě špatné přilnavosti tenkých vrstev k základnímu materiálu nebo kohezivní soudržnosti povrchové vrstvy je dosti problematické mluvit o hodnocení mikrotvrdosti či nanotvrdosti. V tomto případě i tato hodnocení při velmi malých silách můžeme použít pro hodnocení odolnosti povrchového systému proti indentaci nebo hodnocení šíření porušení adhezivně kohezivního charakteru (obr. 3 až 5). Adhezivně kohezivního porušování se může projevit i na průběhu nanoindentačních křivek v průběhu zatěžovací části a tudíž pak indentační křivka nevypovídá o nanotvrdosti, ale o porušení (obr. 1 a 2). V případě vyšší odolnosti systému volíme nízká zatížení pro hodnocení tvrdostních charakteristik a pro hodnocení adhezivně kohezivního chování zvyšujeme velikost normálového zatížení v rámci možností rozsahu na různých přístrojích [1] a můžeme volit i různé geometrické charakteristiky indentorů. Ukázka je na obr. 6, kde je provedena statická indentace na přistroji scratch tester při třech normálových zatížení 30 N, 60 N a 90 N. Velmi odolné povrchové úpravy mohou ovlivnit i měření při makroindentaci. V případě těchto systémů lze z vyhodnocení makroindentačních vtisků za stejných podmínek provedených na samotném základním materiálu i na systému s tenkou vrstvou usuzovat i na přínos tenkých vrstev pro zvýšení odolnosti proti indentačnímu namáhání. Obr. 1 a 2: První obr. Indentační křivky s maximální velikostí normálového zatížení 200 g na systému tenká vrstva substrát s velmi slabou odolností proti indentaci. Schody na průbězích odpovídají praskání systému materiálů. Druhý obr.indentační křivka při maximální normálové síle 2 g. Průběh indentační křivky je ovlivněn špatnou přilnavostí vrstvy k základnímu materiálu a neodpovídá tvrdostím charakteristikám ani alesticko plastickému chování povrchu systému. 2

3 Obr. 3: Vtisky po nanoindentaci při maximálním normálovém zatížení 200 g na systému vrstva substrát se špatnou kohezivní soudržností. Je patrno i při těchto malých zatížení silné porušení. Obr. 4 a 5: První obr. Vtisky po nanoindentaci při maximálním normálovém zatížení 25 g na systému vrstva substrát se špatnou přilnavostí tenké vrstvy. Je patrno i při těchto malých zatížení silné odlupování tenké vrstvy. Druhý obr. Vtisky po nanoindentaci při maximálním normálovém zatížení 25 g na systému vrstva substrát se špatnou přilnavostí tenké vrstvy. Je patrno i při těchto malých zatížení silné odlupování tenké vrstvy. Obr. 6: Vtisky po statické indentaci na scratch testeru při různých zatížení 30 N, 60N a 90N. Je patrné, že již při 30 N je velké odlupování tenké vrstvy. 3. HODNOCENÍ VRYPOVOU INDENTACÍ RŮZNÝCH POVRCHOVÝCH ÚPRAV Dalším základním hodnocením mechanických vlastností je prováděno vrypovou indentační zkouškou. Standardně je určována přilnavost tenkých vrstev, která je nejdůležitější vlastností. Přilnavost je určována na bázi kritických sil z morfologie porušení, z průběhu signálu akustické emise v závislosti na rostoucí normálové síle a z průběhu signálu koeficientu tření též v závislosti na rostoucí hodnotě normálové síly. Spornost určování těchto kritických sil by zavádělo tato hodnocení na velmi úzkou oblast povrchových úprav přesněji úzkou oblast systémů tenká vrstva substrát a navíc na velmi neefektivní využití diamantových indentorů. Zpřesňování hodnocení a rozšiřování na různé povrchové úpravy může jít několika cestami. Jednou z nich je určování více hodnot kritických sil, což jen rozšiřuje pohled o malinký krůček dopředu. Jednou z cest je volba různých rozsahů působících normálových sil, což je nutno realizovat více druhy přístrojů makroscratch tester, mikroscratch tester a nanoscratch tester [2], neboť různé rozsahy působících normálových sil jsou dosahovány různými principy. Na různých systémech tenká vrstva substrát se při vrypové indentaci může proces namáhání pohybovat od zejména třecího způsobu namáhání uvnitř vrypu až po deformační namáhání uvnitř i v okolí vrypu podle vlastností zejména základního materiálu (obr. 7 a 8). Proto je nutno v komparaci provádět vrypovou indentační zkoušku též na povrchu základního materiálu ve stavu před deposičním procesem a pak na systému s tenkou vrstvou (obr. 7 a 8), což je též jen určitým přiblížením, neboť povrch 3

4 základního materiálu může být v průběhu deposičního procesu a předdeposičních procesů též modifikován. Obr. 7: Morfologie vrypu na základním materiálu a na systému tenká vrstva TiN provedených diamantovým hrotem.. Obr. 8: Morfologie vrypu na základním materiálu a na systému tenká vrstva TiN provedených diamantovým hrotem.. 4. ZJEMŇOVÁNÍ HODNOCENÍ PRO VYBRANÉ SYSTÉMY Cílem měření vrypovou indentací není jen určení přilnavosti a stanovení jejích kritických sil ale i posouzení odolnosti proti vrypové indentaci, odolnosti proti tření a deformačním procesům, určení charakteru porušení a porovnání rozdílů mezi různými systémy materiálů nejen v odolnosti ale i změn charakteru porušení. Vrypová zkouška při použití standardního diamantového indentoru Rockwellova typu mnohdy nedává možnost zachycení iniciace porušení v případě použití standardních podmínek měření. Pro zjemnění hodnocení lze použít několik postupů. V prvé řadě volba přístroje s jiným rozsahem měření mikroscratch testeru nebo nanoscratch testeru [2], což vzhledem k dostupnosti zatím není reálné. Další cestou je větší rozložení velikosti působící normálové síly tedy přechod od standardních podmínek měření. Další je volba jiné materiálové a geometrické charakteristiky indentoru pro zjemnění namáhání a rozložení normálového zatížení. Na základě zjemnění lze hodnotit méně odolné systémy materiálů, ale i několika vrstvé systémy se zaměřením na porušení v jednotlivých vrstvách. Pro vyobrazení rozdílů byla provedena hodnocení velmi tenkých povrchových vrstev i na nestandardních základních materiálech. Rozdíly změnou indentoru jsou patrny na obr. 9, kde jsou uvedeny výsledky vrypové indentace na různých systémech s použitím různých indentorů. Je patrný na první pohled zejména rozdíl v plastické deformaci vyvolané indentorem, v hloubce proniknutí indentoru a charakteru porušení v okolí vrypu i uvnitř jeho stopy. 4

5 5. HODNOCENÍ ODOLNOSTI PROTI ŠÍŘENÍ PORUŠENÍ Po zjemnění realizace vrypové indentace lze více rozložit vývoj porušení i při opakovaném namáhání cyklickou vrypovou indnetací a zachytit tak přesněji počátek porušení a jeho šíření při opakovaném namáhání s postupným záznamem a vývojem změn. Při zjemňování hodnocení je nutno brát ve zřetel vlastností a chování základního materiálu, vlastnosti a chování povrchových vrstev, tloušťku tenkých vrstev jednotlivých i celého tenkovrstvého systému a v neposlední řadě i vlastnosti a chování zvolených indentorů a stav jejich porušení. Šíření porušování je dokumentováno světelnou mikroskopií v celé délce uvnitř vrypu i v jeho okolí. Šíření charakterizuje růst šířky vrypu př. jeho hloubky, expanze porušení uvnitř vrypu i v jeho okolí a velikost deformace v okolí i uvnitř vrypu. Postupné pronikání indentoru může charakterizovat i průběh signálu akustické emise a koeficientu tření v závislosti na počtu provedených cyklů i velikosti normálové síly. Rozdíly v šíření porušení a deformace při cyklických vrypových zkouškách na základním materiálu a systému s tenkou vrstvou indentorem diamantovým a ze slinutého karbidu jsou patrny z obr. 9., kde je patrné zjemnění zkoušky při přechodu k indentoru z SK. Zde je nutno však počítat s rychlým opotřebením indentoru v závislosti na odolnosti systému tenká vrstva subtrát. Obr. 9: Jednoduchý a cyklický vryp na základním materiálu , na systému vrstva substrát provedených diamantovým hrotem a jednoduchý a cyklický vryp opět na tomto základním materiálu a na systému s tenkou vrstvou provedený indentorem z SK. 6. HODNOCENÍ ŠÍŘENÍ PORUŠENÍ S HLOUBKOVÝM ROZLIŠENÍM Při hodnocení porušení jednoduchou i cyklickou vrypovou zkouškou je dobře dokumentovatelná plocha porušení vrypovou zkouškou, adhezivně kohezivní porušení, šířka vrypu apod. Důležitá informace je o porušování systémů tenká vrstva substrát do hloubky 5

6 systému, zda dochází k porušení až do základního materiálu v místech adhezivně kohezivních prasklin. Důležitou informací je též rychlost úběru povrchu materiálu vlivem tření indentoru s povrchem systému uvnitř vrypu. Právě uvnitř vrypu vzhledem k nízké hloubce ostrosti světelného mirkoskopu je problém. Porušení je zvýrazněno polarizovaným světlem a Nomarského diferenciálním kontrastem pro lepší čitelnost porušení a jeho významnosti. Nově zkoušenou metodou hodnocení stopy po vrypové zkoušce je speciální uspořádání přístroje pro rentgenovou fluorescenční analýzu s možností hodnocení v relativně malých plochách. Z této analýzy po správné kalibraci je možno získat nedestruktivně přímo tloušťku vrstvy v malých plochách. Navíc je možné získat informativní průběh spekter. Na základě využití měření v malých oblastech byla provedena dílčí měření uvnitř stop po vrypových indentacích. Z těchto průběhů vynesených programem v prostředí Matlab jsou patrné probíhající změny uvnitř stop po vrypech, které charakterizují postupné ztenčování tenkých vrstev s růstem normálového zatížení a s růstem počtu provedených cyklů u cyklické vrypové indentace (obr. 10 až 13). Podobně jsou charakterizovány postupně stopy jak po vrypech diamantovým hrotem (obr. 10 a 11) provedených tak indentorem z SK (obr. 12 a 13). Z průběhů je patrno, že diamantovým hrotem dochází k rychlému pronikání do systému TiN (obr. 10 a 11), kdežto SK hrotem nedochází k výraznému pronikání do hloubky ani při cyklických vrypech (obr. 12 a 13). Obr. 10: Průběh změn spekter z rtg fluorescence v různých místech ve vrypu na systému TiN měření provedena se dvěmi různými kolimátory- jednoduchý vryp diamantovým indentorem Obr. 11: Průběh změn spekter z rtg fluorescence v různých místech ve vrypu na systému TiN měření provedena se dvěmi různými kolimátory- cyklický vryp diamantovým indentorem 6

7 Obr. 12: Průběh změn spekter z rtg fluorescence v různých místech ve vrypu na systému TiN měření provedena se dvěmi různými kolimátory- jednoduchý vryp indentorem SK Obr. 13: Průběh změn spekter z rtg fluorescence v různých místech ve vrypu na systému TiN měření provedena se dvěmi různými kolimátory- cyklický vryp indentorem SK 7. HODNOCENÍ V PŘÍČNÝCH VÝBRUSECH Významnost adhezivně kohezivního porušení a šíření porušení do hloubky systémů tenká vrstva substrát se dá posoudit z povrchových analýz pouze částečně. Pro ověření, zda dané porušení zasahuje až do základního materiálu ve vybraných poruchách bylo provedeno na základě velmi jemných a přesných příčných výbruse ve stopách vrypu ve vybraných místech významných a charakteristických poruch. Na základě provedených příčných výbrusů se ověřilo, že některá porušení, která z povrchu vypadají jako velká a významná se ukázalo v příčných výbrusech [3], že porušení nezasahuje až do základního materiálu (obr. 14 a 15). U některých ověření ukázalo, že porušení je až do základního materiálu ovšem ne vlivem tření indentoru, ale vlivem deformace substrátu (obr. 16). V jiných případech se ukazuje, že porušení většího charakteru jsou vyvolávána kohezivním porušením základního materiálu a následně i povrchové vrstvy, která není samonosná. Na základě příčných výbrusů je zvýrazněn tvar profilu vrypu a ukazuje se tím průběh deformačních procesů a procesů zpevňování povrchu vlivem cyklické vrypové indentace. Obr. 15 a 16: První obr. Příčný výbrus ve vrypu v místě nevýrazného porušení na systému TiN Druhý obr. Příčný výbrus ve vrypu v místě, kde došlo porušením ke ztenčení vrstvy na systému TiN

8 Obr. 17: Příčný výbrus ve vrypu v místě, kde došlo k porušení až do základního materiálu na systému TiN ZÁVĚR Vzhledem k tomu, že je potřeba povrchově upravovat velice rozličné materiály a to povrchovými vrstvami rozličných vlastností a chování je nutno rozšiřovat hodnocení se započítáním vlivu velmi rozdílných základních materiálů. Pro započtení vlivu rozdílných materiálů je nutno podrobit hodnocení též samotný povrchu substrátu před deposičním procesem. Vzhledem k rozdílné odolnosti různých systémů tenká vrstva substrát mnohdy standardní postupy nedostačují a nebo nemohou dát správné vypovídající informace je nutno podle toho zjemňovat hodnocení či zvyšovat drastičnost zkoušky pod konkrétního systému. Navíc se ukazuje, že jednoduchá základní čísla nemohou být dostatečně vypovídající a je nutno k indentačním zkouškám přistupovat komplexněji a využít jejich možností pro hodnocení chování systémů materiálů v průběhu celé indentace a sledovat změny při opakovaných indentacích jak statických tak vrypových. Tím přiblížíme více namáhání reálnosti a dostaneme více velmi užitečných informací o odolnosti a porušování systémů. Pro přesnější a ne jen polemickou diskuzi, je potřeba indentační zkoušky vyhodnocovat v řadě případů detailněji s využitím i hloubkových informací o porušování např. s využitím precizních příčných výbrusů, při kterých se objasní významnost porušení a deformace. Při vrypové zkoušce je užitečné se zaměřit i na šíření porušení a opotřebení do hloubky materiálu. Při tomto hodnocení se ukazuje jako velice užitečná analýza lokální rtg fluorescenční analýza s postupným mapováním změn uvnitř stopy po vrypové indentaci. Literatura 1. ŠTĚPÁNEK, I., Evaluation of mechanical behaviour very different kind of material and thickness of films, sborník mezinárodní konference Matrib 2002, str , Chorvatsko Vela Luka 2002, ISBN ŠTĚPÁNEK, I., Conversion of analytic methods from microindentation evaluation to the nanoindentation evaluation of special materials. Sborník Matrib 2003, Chorvatsko 2003, pp , ISBN: ŠTĚPÁNEK, I., KAVINOVÁ, M., HRDÝ, M., Evaluation of macroindentation statical and scratch tests in cross section in systems thin films - substrate. Sborník Matrib 2004, Chorvatsko 2004, ISBN X 8