ZMĚNY PORUŠOVÁNÍ SYSTÉMŮ TENKÁ VRSTVA SUBSTRÁT CYKLICKOU VRYPOVOU PŘI POUŽITÍ RŮZNÝCH DRUHŮ INDENTORŮ CHANGING OF FAILURE OF SYSTEMS THIN FILM SUBSTRATE BY CYCLIC SCRATCH TEST WITH DIFFERENT KIND OF INDENTORS Kateřina Macháčková, Ivo Štěpánek, Martin Hrdý Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, 306 14 Plzeň, ČR, ivo.stepanek@volny.cz Abstrakt Příspěvek se zabývá hodnocením změn porušování systémů tenká vrstva substrát jednoduchou a cyklickou vrypovou zkouškou při použití různých druhů indentorů. Jsou sledovány změny porušování při použití různých indentorů na různě odolných systémech tenká vrstva substrát. Porušení je sledováno jak z povrchu systému tak ze speciálních příčných výbrusů ve vybraných místech po vrypové indentaci. Jsou studovány změny v modifikovaných oblastech, změny deformačních procesů použitím různých indentorů na různých systémech materiálů, změny adhezivně kohezivního chování a změny vlastností v lokálních oblastech. Závěrem je diskutován přinos povrchových tenkých vrstev pro odolnost proti vrypové indentaci. The paper is devoted by analysis of changing of failure of systems thin film substrate by simple and cyclic scratch test with using different kind of indentors. There are evaluated of change of failure with change of indentor on systems thin film substrate with different resistivity to indentation stress. The failures are evaluated from surface of systems and from special cross sections in selective places after scratch indentation too. There are evaluated changing in influenced localities, changing of deformation processes with using different indentors on different systems of materials, changing adhesive cohesive behaviour and changing properties in selected places. In the end contribution of surface thin films is discussed for resistivity to scratch indentation. 1. ÚVOD S rostoucí potřebou kontroly kvality povrchových úprav různého druhu, z různých technologií přípravy, na různých základních materiálech a s různým aplikačním uplatněním roste potřeba odpovídajících analytických metod pro velmi rozdílné systémy s tenkými vrstvami. Jednou z nejdůležitějších oblastí je hodnocení mechanických vlastností a mechanické odolnosti vytvářených systémů s tenkými vrstvami. Vůbec nejzákladnější je přilnavost tenkých vrstev k základnímu materiálu případně přilnavost jednotlivých vrstev k sobě pro případy několika vrstvých systémů materiálů. Základní je tedy přilnavost, pro jejíž hodnocení existuje mnoho metod. Každá z těchto metod má své výhody a nevýhody a jsou ovlivněny celou řadou dalších vlivů. Pouze kritická čísla adheze jsou málo vypovídající a mnohdy mohou být diskutabilní [1]. Proto je nutno na zkoušky přilnavosti pohlížet v komplexnosti a hodnotit odolnost celého systému tenká vrstva substrát v průběhu provádění těchto zkoušek, což přináší mnohem více informací, které pomohou predikovat chování v praktických podmínkách namáhání. 1
2. HODNOCENÍ PŘILNAVOSTI TENKÝCH VRSTEV Jednou ze základních a nejdůležitějších vlastností tenkých vrstev, které jsou nanášeny na povrch základního materiálu, ne ty které jsou tvořeny modifikačními a degradačními procesy, je přilnavost tenkých vrstev. Hodnocení přilnavosti tenkých vrstev může být prováděno celou řadou analytických metod. Každá z metod hodnocení přilnavosti je ovlivněna řadou faktorů a je nutno brát ve zřetel vstupní podmínky použitelnosti analýzy. V současné době ovšem nelze k hodnocení přilnavosti přistupovat jednoduše, neboť v celé řadě případů povrchové tenké vrstvy nejsou složeny jen z jednoduché tenké vrstvy ale z několika vrstvých struktur. V tomto případě je nutné hodnotit nejen přilnavost tenkovrstvého systému k základnímu materiálu ale i přilnavost jednotlivých vrstev mezi sebou. Z tohoto důvodu je nutné analytické metody dále precizovat a doplňovat. 3. VRYPOVÁ INDENTAČNÍ ZKOUŠKA Jednou z metod hodnocení přilnavosti tenkých vrstev k základnímu materiálu je vrypová indentační zkouška. Je realizována standardně buď s konstantní normálovou silou nebo proměnnou normálovou silou působící na diamantový indentor Rockwellova typu s poloměrem zkřivení 0.2 mm. Základem této zkoušky je hodnocení přilnavosti na základě určování kritických sil adheze tj. síly při které dojde k odtržení tenké vrstvy od základního materiálu. K tomu je využíváno studia morfologie porušení světelnou mikroskopií. Dále je možné vycházet z průběhu signálu akustické emise v závislosti na normálové proměnné síle, kde se vychází z náhlého nárůstu tohoto signálu. Podobně při záznamu závislosti koeficientu tření na velikosti působící normálové síly, opět náhlý nárůst. Vzhledem k tomu, že rozlišení z morfologie porušení i průběhu signálu akustické emise i koeficientu tření je poměrně náročné a nejednoznačné [1], proto jsou tyto kritické síly jen orientační a jen ve specifických případech dobře vypovídající. Přesnější je hodnocení průběhu porušování v průběhu vrypové zkoušky. Níže jsou ukázány důvody nepřesnosti rozdíly v určení kritických sil na základě rozdílných metod stanovení. Na obr. 1 je záznam průběhu akustické emise a koeficientu tření v závislosti na normálové síle. Je patrno, že akustická emise má jiný projev než koeficient tření a navíc akustická emise zachytává změny na dvakrát, tudíž pravděpodobně dochází k více stupňovitému porušování. Obr. 1: Záznam průběhu signálu akustické emise a koeficientu tření při vrypové zkoušce v závislosti na normálové síle. 2
4. HODNOCENÍ ADHEZIVNĚ KOHEZIVNÍHO CHOVÁNÍ Vzhledem k výše uvedenému je proto lépe studovat v průběhu vrypové indentace, jakým způsobem se povrch materiálového systému kohezivně porušuje [2]. V případě tenké vrstvy pak mluvíme o adhezivním i kohezivním porušení. Mnohdy je adhezivně kohezivní porušování povrchové tenké vrstvy ovlivněno kohezivním porušováním samotného základního materiálu pod povrchovou tenkou vrstvou. Záleží silně na stavu povrchové vrstvy základního materiálu, na který je tenká vrstva nadeponována. Z tohoto důvodu je výhodné při hodnocení vlastností a chování systémů tenká vrstva substrát dokumentovat chování jak povrchu s tenkou vrstvou tak povrchu bez povrchové tenké vrstvy, který je ve stavu před deposičním procesem. V tomto případě pak lze využít hodnocení vrypovou indentací v mnohem širší míře i na materiály, pro které je výsledkem hodnocení ovlivněn celou řadou dalších faktorů. Zejména se jedná o vliv základního materiálu na porušování celého systému tenká vrstva substrát tj. vlivy vlastností jednotlivých strukturních složek s rozdílnými mechanickými vlastnostmi, vlivy deformačních procesů a kohezivní soudržnosti jednotlivých strukturních součástí systému apod. Hodnocení adhezivně kohezivního chování celého systému tenká vrstva substrát se provádí pak vrypovou indentační zkouškou v podmínkách proměnné normálové síly s konstantním nárůstem její velikosti a s konstantní rychlostí se pohybujícím stolkem se vzorkem pod indentorem. Celkové porušení v okolí a uvnitř vrypu pak velice dobře charakterizuje odolnost celého systému proti vrypové indentaci a lze charakterizovat hlavní charaktery porušení. Rozdílné porušování je dokumentováno výsledky vrypových zkoušek na samotném povrchu základního materiálu 14 220 a systému s TiN vrstvou na stejném materiálu (obr. 2). Z obr. 2 je patrno, že deformace základního materiálu přispívá k iniciaci porušení systému tenká vrstva substrát. Obr. 2: Část morfologie vrypu na základním materiálu 14 220 a na systému tenká vrstva TiN substrát 14 220. 5. HODNOCENÍ PRŮBĚHU PORUŠOVÁNÍ CYKLICKOU VRYPOVOU INDENTACÍ Hodnocení celého průběhu vrypové zkoušky s proměnnou normálovou silou nám dává informaci o tom jak se daný materiálový systém porušuje při působení tohoto druhu namáhání. Můžeme charakterizovat adhezivně kohezivní porušení uvnitř vrypu i v jeho okolí. Ukazuje nám, jakým způsobem vrypová indentace deformuje povrch a tím i mění způsob namáhání daného systému. Povrch materiálového systému ovšem v praktických podmínkách bývá opakovaně namáhán a tím dochází k postupným změnám a šíření porušení. Určitým přiblížením může být realizace cyklické vrypové indentace se záznamem informací o průběhu 3
vrypové indentace a dokumentací porušení po určitém počtu provedených vrypů ve stejném místě. Při zjemnění vrypové indentace lze pak sledovat postupný vývoj porušení od iniciace přes postupné proníkání do větší hloubky a větších vzdáleností. Blíže charakterizuje odolávání materiálového systému a ukazuje na změny v povrchu vlivem tohoto druhu namáhání. Hodnocení je podobně jako výše vhodné provést jak na povrchu základního materiálu tak na povrchu systému tenká vrstva substrát, z čehož je pak lépe patrný přínos povrchové tenké vrstvy k odolnosti povrchu vůči tomuto druhu mechanického namáhání. Na obr. 3. jsou ukázány dílčí výsledky cyklické vrypové indnetace na vybraném systému tenká vrstva substrát. Jak je patrno, tak počátek zatěžování povrchu ukazuje na zpevnění povrchu tenkou vrstvou, předně patrno z šířky jednoduchého vrypu na systému s vrstvou proti šířce vrypu na povrchu substrátu. Po určitém počtu vrypů, již tenká vrstva neudrží deformaci a přibližuje se chování povrchu substrátu. Přesto je patrno zpevnění hrany vrypu. Obr. 3: Morfologie postupně vrypů jednoduchého v substrátu 14 220, cyklického v substrátu, jednoduchého v systému s tenkou vrstvou a cyklického v systému vrstva - substrát 6. VLIV MATERIÁLOVÝCH CHARAKTERISTIK A GEOMETRIE INDENTORŮ Vrypová indentace je standardně určena pro hodnocení přilnavosti tenkých otěruvzdorných vrstev s vysokou mikrotvrdostí zejména na základních materiálech s vysokou mikrotvrdostí. Pro méně odolné systémy materiálů se v současné době používají přístroje pro vrypovou indentaci s nižší velikostí normálové síly tzv. mikroscratch testery nebo nanoscratch 4
testery. Podobně volíme použití těchto zařízení v případě, že nás zajímá prvotní iniciace porušení a nebo hodnocení v malých oblastech na povrchu nebo hodnocení velmi tenkých povrchových vrstev. Druhou z možných cest je hodnocení s použitím indentorů jiných materiálových a geometrických charakteristik. Volba jiných typů indentorů je namístě zejména pro hodnocení komplexních vlastností a chování od hodnocení základních charakteristik přes hodnocení chování v průběhu indentačního vrypového namáhání až po studium odolnosti při vrypové cyklické indentaci. V případě vrypové cyklické indentace je potřeba hodnotit chování povrchového systému od prvotního vzniku porušení přes jeho šíření až po dostoupení do kritické hranice. Změna charakteristik indentorů dává širší možnosti užití pro velmi různě odolné materiálové systémy. V některých případech je povrchový systém odolný proti pronikání diamantového indentoru a lze sledovat změny při cyklické vrypové indentaci. V jiných případech již první vryp je příliš drastický a dochází k velkému porušení adhezivně kohezivního charakteru celého systému vrstva substrát. Navíc dochází k velké plastické deformaci, která působí porušení materiálového systému. Může se tedy měnit charakter namáhání od velké deformace až po namáhání povrchu téměř jen třením. Tento pohled je patrný z dílčích výsledků měření cyklickou vrypovou indentací s různými indentory na různých materiálových systémech. Na obr. 4 jsou vyobrazeny morfologie vrypů na základním materiálu provedených diamantovým hrotem a hrotem ze slinutého karbidu a dále vrypy v systému s tenkou vrstvou opět oběma hroty. Z morfologie je patrný rozdíl v opotřebení, deformaci povrchu a adhezivně kohezivním porušení. Obr. 4: Morfologie vrypů na substrátu 14 220 a systému s tenkou vrstvou dvěmi různými indentory. 5
7. STUDIUM HLOUBKOVÝCH PROFILŮ PORUŠENÍ PŘI VRYPOVÉ INDENTACI Ověření významnosti porušení, velikosti deformačního procesu a toho, zda došlo k porušení až do základního materiálu je doplňováno speciálními příčnými výbrusy ve vybraných místech s charakteristickým porušením. Jak je patrno, v celé řadě případů se jeví porušení z povrchu jako výrazné a zasahující až do základního materiálu, ale po ověření v příčných výbrusech se ukazuje tento pohled nepřesný [3]. V příčných výbrusech může být patrno, jak výrazně je porušován základní materiál pod povrchovou vrstvou a zda jeho porušení nemůže být prvotní příčinou porušení celého systému. V řadě případů se degradace přisuzuje povrchové tenké vrstvě, přitom hlavní příčina je dána porušením základního materiálu. Na obr. 5 a 6 jsou ukázány případy vybraných míst ve vrypech po realizaci vrypové jednoduché vrypové indentace na substrátu a systému s tenkou vrstvou. Je patrný rozdíl v deformaci. Tenká vrstva zpevňuje povrch a zabraňuje deformaci. Navíc je patrno, že tenká vrstva v místech, kde není porušena neukazuje výraznou deformaci. Obr. 5: Příčný výbrus ve vybraném místě ve vrypu v základním materiálu 14 220 diamantovým indentorem Obr. 6: Příčný výbrus ve vybraném místě ve vrypu v systému s tenkou vrstvou se základním materiálem 14 220 diamantovým indentorem Ověření míry opotřebení a proniknutí indentoru až do základního materiálu mohou dokumentovat záznamy z měření pomocí rentgenové fluorescence. Níže jsou uvedeny na obr. 7 až 10 průběhy změn spekter v místě vrypu postupně od minimální až po maximální normálovou sílu pro jednoduchý vryp a cyklický vryp provedený diamantovým hrotem a hrotem ze slinutého karbidu. Je vidět postupné zvyšování opotřebení u vrypu provedeným slinutým karbidem (obr. 9 a 10) a velmi rychlé pronikání u vrypu s diamantovým hrotem (obr. 7 a 8). 6
Obr. 7: Průběh změn spekter z rtg fluorescence v různých místech ve vrypu na systému TiN 14 220 měření provedena se dvěmi různými kolimátory- jednoduchý vryp diamantovým indentorem Obr. 8: Průběh změn spekter z rtg fluorescence v různých místech ve vrypu na systému TiN 14 220 měření provedena se dvěmi různými kolimátory- cyklický vryp diamantovým indentorem Obr. 9: Průběh změn spekter z rtg fluorescence v různých místech ve vrypu na systému TiN 14 220 měření provedena se dvěmi různými kolimátory- jednoduchý vryp indentorem z SK 7
Obr. 10: Průběh změn spekter z rtg fluorescence v různých místech ve vrypu na systému TiN 14 220 měření provedena se dvěmi různými kolimátory- cyklický vryp indentorem z SK 8. ZÁVĚR V práci je rozvedena vrypová indentační zkouška pro hodnocení adhezivně kohezivního chování systémů tenká vrstva substrát ve směru cyklické vrypové indentace se dvěmi rúznými indentory pro více odolné systémy a méně odolné systémy a pro zjemnění porušování a sledování ve vývoji od iniciace. Hodnocení z povrchu je doplňováno speciálními příčnými výbrusy ve vybraných poruchách v jednotlivých cyklických vrypech na dvou základních materiálech 14220 a 19830 bez tenké vrstvy pro srovnání a s tenkou povrchovou vrstvou TiN. Povrchová hodnocení jsou doplňována hodnocením pomocí rtg fluorescence s malou stopou analýzy ve stopách po provedených vrypech pro zachycení opotřebení uvnitř vrypu úběrem tenké vrstvy. Z výsledků vyplývá přínos cyklické vrypové indentace různými indentory pro aproximaci praktického mechanického namáhání a zjemnění pro sledování iniciace a šíření porušení a tím stanovení příčin opotřebení systémů tenká vrstva substrát. Dále z experimentů vyplývá nutnost hodnocení v příčných výbrusech pro pochopení procesů a příčin porušování celých systémů tenká vrstva substrát, kde je výrazný podíl vlastností a chování substrátu. Dále je ukázán velký přínos rtg fluorescence pro hodnocení ztenčování tenké vrstvy ve vrypu s malou stopu hodnocení, nedestruktivností a operativností použití. Ukazuje se různý přínos tenkých vrstev pro zlepšení povrchových vlastností a chování systémů tenká vrstva substrát a celkově přínos tenkých vrstev na obou použitých základních materiálech na základě cyklických vrypových zkoušek s různě intenzivním mechanickým namáháním. Příspěvek je presentován v rámci řešení projektu č. FT-TA/075. Literatura 1. Jiřík, P., Štěpánek, I., Hrdý, M., Korelace změn signálu akustické emise a změn porušování při vrypové zkoušce na systémech s tenkými vrstvami. Sborník Metal 2003, Hradec nad Moravicí 2003, ISBN: 80-85988-82-8 2. ŠTĚPÁNEK, I., Method for complex evaluation of properties and behaviour systems of thin film - substrate, Sborník mezinárodní konference Matrib 2000, str. 335-342, Chorvatsko Vela Luka, 2000, ISBN 953-96038-5-4 3. 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 953-7040-02-X 8