Усеинов А. С., Кравчук К. С., Маслеников И. И.

Технологический институт сверхтвёрдых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ),
г. Москва, г. Троицк

Аннотация

Предложен метод получения томограммы твёрдости и модуля упругости методом многоциклового инструментального наноиндентирования с частичным разгружением. Получены объемные карты твёрдости и модуля упругости для образцов полимерных покрытий на подложке из полидиметилсилоксана. Продемонстрированы преимущества нового подхода к изучению механических свойств приповерхностного объема материалов.

Введение

Методы освоения человеком окружающего мира постоянно совершенствуются, начиная с самых первых экспериментов, проводимых древними исследователями. По мере развития новых подходов к проведению испытаний увеличивается и количество измерений, участвующих в исследовании.

Эта тенденция в полной мере касается и исследования физико-механических свойств. Первые испытания делались методом индентирования (укалывания в одной точке). Затем стали активно развиваться методы нанесения дорожек из уколов, с возможностью построения профиля механических свойств. Наиболее передовые нанотвердомеры сегодня предлагают методики нанесения множества уколов по прямоугольной сетке на поверхности, что позволяет восстановить карту механических свойств.

Но самый большой интерес всегда вызывали методы, позволяющие заглянуть внутрь исследуемого объекта, будь то земная кора, тело человека или объем материала. На сегодняшний день известны различные методы, позволяющие определить механические свойства материала в зависимости от глубины. Так, методы оптической томографии позволяют получать пространственное разрешение на уровне 100 мкм [1] и путем достаточно сложного анализа полученных данных получать значение модуля упругости [2]. Измерение механических свойств можно проводить и на основе достаточно распространенного метода наноиндентирования. Известен метод индентирования с частичным разгружением [3], который позволяет получать зависимости твердости и модуля упругости как функции глубины. Данный метод, реализованный в большинстве моделей нанотвердомеров ведущих производителей, неоднократно использовался для проведения измерений механических свойств как функций именно одной координаты [4-5].

Подобные измерения представляют интерес при изучении механических свойств многослойных функциональных покрытий, а также при изучении слоёв на поверхности образца или внутри его объема. Они также могут быть полезны и при исследовании образцов, подверженных модификации (ионное облучение, плазменная обработка и др.), распределение свойств которых неоднородно по площади образца. В данной работе метод индентирования с частичной разгрузкой совмещен с методикой картографирования механических свойств. Результирующая томограмма, полученная путем совместной обработки большого количества экспериментальных кривых, представляет собой объемную карту распределения модуля упругости и твердости образца, приводится пример экспериментального исследования с помощью новой методики образцов полимерных покрытий.

Приборы и методы измерения

Измерения проведены на сканирующем нанотвердомере «НаноСкан» производства ФГБНУ ТИСНУМ (Россия) [6]. Приборы семейства «НаноСкан» представляют собой многофункциональные измерительные комплексы, предназначенные для исследования физико-механических свойств поверхности материалов на субмикронном масштабе линейных размеров. В данных приборах реализовано более двух десятков измерительных методик, включая инструментальное индентирование, царапание, силовую спектроскопию, многоцикловое истирание и ряд других. Перечисленный набор методов позволяет определять все ключевые механические параметры материалов, в том числе шероховатость рельефа, твердость и модуль упругости (Юнга).

В нанотвердомере «НаноСкан» реализован метод многоциклового индентирования с частичным разгружением (partial unloading technique, PUL). Для расчёта механических свойств в данном методе используется участок кривой разгружения, как и в традиционном методе инструментального наноиндентирования [7]. Разгружение производится до определенной доли от величины максимальной нагрузки, на каждом следующем цикле происходит повторное нагружение до величины нагрузки, большей, чем на предыдущем цикле. На Рис. 1 показана результирующая кривая нагрузки-разгрузки для 15-циклового индентировния с частичной разгрузкой до 50% от максимальной величины. Программное обеспечение позволяет изменять многие параметры проведения испытаний. Например, задавать количество циклов, алгоритм увеличения нагрузки (линейный, степенной и другие), скорость, время выдержки на участках релаксации.

Рис. 1 График зависимости силы нагружения от глубины индентирования при многоцикловом индентировании.

Таким образом, результат обработки экспериментальной зависимости для одного многоциклового индентирования эквивалентен данным, получаемым по серии индентов с увеличивающейся нагрузкой, и позволяет для данного локального участка образца построить зависимость твердости и модуля упругости от глубины внедрения индентора.

Метод томографирования

Применение метода многоциклового индентирования в сочетании с методами картирования позволяет получить распределение механических свойств материала в объёме (томограммы). Максимальный диапазон глубин построения томограммы определяется максимальной глубиной проникновения индентора в исследуемый образец.

Метод был протестирован на образцах коммерческих полимерных покрытий (№1 и №2), нанесенных на подложку из полидиметилсилоксана, и разделенных граничной зоной. В качестве материала для калибровки формы индентора использовался поликарбонат.

В данном эксперименте предельная глубина индентирования задавалась равной 10 мкм. Разрешение прибора позволяет начинать измерение механических свойств с глубин в несколько десятков нанометров. Латеральное разрешение томограммы определяется расстоянием между соседними отпечатками, которое, в свою очередь, зависит от размера самих отпечатков.

Томографированию подвергалась область размером 3х3 мм, на которой наносилась регулярная сетка многоцикловых уколов по описанной выше процедуре. Общее время, затраченное на проведение измерений составило 6 часов.

Изображения томограмм твердости и модуля упругости приведены на Рис. 2. Для визуализации полученных результатов использовалось специализированное программное обеспечение. Для представления объемных данных твердости и модуля упругости образцов использовалась температурная цветовая палитра, а также функция прозрачности. В соответствии с введенными обозначениями более твердые участки видны за более прозрачными мягкими. С учетом операций интерполяции данных, результирующие объемные карты содержат 60х60х204 точек.

  

а)                                                                     б)

Рис. 2 Объемные карты (томограммы) твёрдости (а) и модуля упругости (б).

Как видно из полученных численных результатов, покрытие №1 имеет в 2,5 раза более высокие прочностные свойства по сравнению с покрытием №2. Модули упругости покрытий на глубине 1 мкм составляют 4 и 1,5 МПа соответственно. Общей закономерностью обоих покрытий является уменьшение твёрдости и модуля упругости с глубиной, трехкратное уменьшение на глубине от 1 до 10 мкм

Особенный интерес вызывает поведение материала на границе раздела между двумя покрытиями. Как видно на томограмме, граница раздела имеет более высокие значения модуля упругости (7 МПа на глубине 1 мкм), при этом значение характеризуется минимальным изменением с глубиной (5 МПа на глубине 10 мкм.). Как видно из Рис. 3, ширина граничной области, характеризующаяся более высокими механическими свойствами, составляет порядка 1 мм.

Заключение

Построение объемных карт распределения механических свойств является чрезвычайно информативным способом исследования приповерхностных слоев материалов. Широкий выбор настраиваемых параметров, высокая скорость проведения испытаний, автоматизация процедур обработки данных – всё это в сумме даёт мощный инструмент для изучения физическо-механических свойств. При этом полученные данные могут также быть представлены и в более привычном виде двухмерных графиков или трёхмерных карт по любым выбранным измерениям.

Применение метода томографирования при исследовании механических свойств открывает новые возможности по изучению скрытых дефектов и градиентов твердости и модуля упругости в приповерхностном объеме самых разных образцов.

Список литературы

[1] L. V Wang, “High-resolution ultrasound-modulated optical tomography in,” vol. 29, no. 23, pp. 2770–2772, 2004.

[2] R. S. Chandran, D. Roy, R. Kanhirodan, M. Vasu, and C. U. Devi, “Ultrasound modulated optical tomography: Young ’ s modulus of the insonified region from measurement of natural frequency of vibration Abstract:,” vol. 19, no. 23, pp. 1151–1158, 2011.

[3] T. Bell, A. Bendeli, J. Field, M. Swain, and E. Thwaite, “The determination of surface plastic and elastic properties by ultra micro-indentation,” Metrologia, vol. 463, 1991.

[4] J. Pezoldt, R. Grieseler, T. Schupp, D. J. As, and P. Schaaf, “Mechanical Properties of Cubic SiC, GaN and AlN Thin Films,” Mater. Sci. Forum, vol. 717–720, pp. 513–516, May 2012.

[5] T. Zhu, a Bushby, and D. Dunstan, “Size effect in the initiation of plasticity for ceramics in nanoindentation,” J. Mech. Phys. Solids, vol. 56, no. 4, pp. 1170–1185, Apr. 2008.

[6] “Сканирующиенанотвердомеры ‘Наноскан’.”[Online]. Available: http://www.nanoscan.info/.

[7] W. C. Oliver and G. M. Pharr, “An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indntation experiments,” J. Mater. Res., no. 1, 1992.