Měření nanomechanických vlastností

Měření bylo prováděno na přístroji NanoTestTM NT600, který je umístěn na Fyzikálním ústavu AV ČR. Jedná se o multifunkční zařízení určené k testování nanomechanických vlastností. Stavebnicová modulová konstrukce umožňuje flexibilní úpravu systému. Všechny experimentální moduly umožňují zatížení 0,1 mN – 500 mN. Fotografie pracovní části sloužící k nanoindentaci, včetně optického mikroskopu se zvětšením 100x, je na obrázku 18. Zátěžná síla na indentor je realizována prostřednictvím specielního keramického kyvadla. Pohyb kyvadla je umožněn díky čepu na principu zkřížených listových pružin, s minimálním třením. V bočním směru má čep vysokou tuhost. Rotační tuhost je naopak extrémně malá a dovoluje pohyb kyvadla v poměrně širokém rozsahu zatěžovacích sil, které jsou realizovány velmi nízkými budícími proudy v cívce na horním konci kyvadla.

Obr. 18 Pracovní část systému NanoTest^TM: 1- indentor, 2 - vzorek, 3 – kyvadlo, 4 – desky kondenzátoru, 5 – držák vzorku s x-y-z

nano-posuvy, 6 – mikroskop [51]

Přístroj měří hloubku vtisku v závislosti na zátěžné síle indentoru, který může být z různých materiálů a různého tvaru. Standardně se používá tříboký jehlan – typ Berkovich [52]. Tento indentor má tentýž poměr hloubky vtisku jako indentor Vickers, ale je lépe strojově obrobitelný do bodového hrotu [51].

Po dosažení zadaného maximálního zatížení (nebo hloubky) je zátěž redukována a hloubka se zmenšuje tak, jak materiál elasticky regeneruje. Během celého procesu jsou

Analýza dat

Pro výpočty hodnot tvrdosti a modulu pružnosti touto instrumentovanou indentací je používaná metoda, která byla uvedena Oliverem a Pharrem [53] , která vychází z indentačních dat získaných během cyklu zatížení a odlehčení. Typický cyklus zatížení – odlehčení z dat získaných indentorem Berkovich je na obrázku 19. V tomto grafu je nezávisle proměnou zatížení P a závisle proměnou hloubka h – relativní průnik indentoru do vrstvy vzhledem k počátečnímu nedeformovanému povrchu. Jsou zde tři důležité veličiny, které musí být odvozeny z h – P křivek. Jednak Pmax – maximální zatížení, maximální hloubka hmax a dále kontaktní poddajnost vzorku Cs definovaná jako sklon horní části odlehčovací křivky během počáteční fáze odlehčení [54] , nebo jako převrácená hodnota měřené odlehčovací tuhosti S [55] . Další důležitá veličina je hf – permanentní hloubka penetrace (plastická deformace) po úplném odlehčení indentoru (obr. 20)

dh S dP C1_s = =

(10)

Obr. 19 Stanovení kontaktní hloubky z průběhu odlehčovací křivky [51]

Obr. 20 Odlehčovací proces [51]

Na rozdíl od lineární aproximace podle Doernera a Nixe [53] kontaktní plocha nezůstává konstantní po odlehčení indentoru. Jak experimenty ukazují, odlehčovací křivky jsou zřetelně zakřiveny (obr. 19) a obvykle dobře aproximovatelné mocninným pravidlem.

m

hf

h

P=α( − ) (11)

Kde α, hf a m jsou konstanty. Podle (2) a (4) je kontaktní hloubka, v případě použití indentoru Berkovich, určená z rovnice (12)

max

max 0,75 C P

h

h_c = − ⋅ _S ⋅ (12)

Procedura použitá ke stanovení tvrdosti H a modulu pružnosti E je založená na odlehčovacím procesu znázorněném schematicky na obrázku 19. Předpokládá korektně stanovenou, nezávisle kalibrovanou, tvarovou funkci indentoru, což je vztah mezi průmětem Ac dotykové oblasti – plochy vtisku a kontaktní hloubkou hc. Může být vyjádřena ve tvaru (13).

C C

C k h k h

A = ₁ ² + ₂ (13)

Kde koeficienty k1, k2 se určují při kalibraci, nepřímo, indentací do materiálu se známými mechanickými vlastnostmi. Následující vztahy jsou užity k výpočtu H a E.

H = P^max (14)

C S

r A C

E 1 1

2 ⋅ ⋅

= π

(15)

i i

r E E

E

2 1 2

1

1 ν −ν

− +

= (16)

Kde Er je redukovaný modul (označovaný rovněž jako účinný modul pružnosti [54] a zahrnuje fakt, že k pružným deformacím dochází jednak ve vzorku s Youngovým modulem E a Poissonovým číslem υ, ale rovněž i v indentoru s elastickými konstantami Ei a υi.

4.2.2 Pin – on – Disc

Pro měření byl použit vysokoteplotní tribometr firmy CSM Instruments umístěný na ČVUT v Praze na fakultě strojní. Jedná se o jednu ze základních tribologických metod.

Metoda je založena na měření změn třecí síly, při přesně dané normálové síle, působící na kuličku či hrot v kontaktu s rovinným rotujícím povrchem. Schématický nákres uspořádání je na obr. 21.

Obr. 21 Schéma uspořádání při měření metodou Pin – on – Disc

Měřící zařízení umožňuje měřit závislost koeficientu tření na počtu cyklů. Měření je prováděno při přesně daných podmínkách (normálová síla, rychlost otáčení, teplota, vlhkost,…).

Na obr. 22 je typický průběh koeficientu tření v závislosti na počtu cyklů. V počátku měření dojde k prudkému nárůstu koeficientu tření a poté k jeho ustálení. Pokud dojde k probroušení zkoušené vrstvy objeví se výrazný rozkmit této křivky. Výsledná hodnota koeficientu tření se udává pro konkrétní počet cyklů.

Obr. 22 Typický průběh koeficientu tření v závislosti na počtu cyklů pro ocelovou kuličku na vrstvě TiOx

Dále se při zkoušce hodnotí způsob opotřebení ze vzhledu a profilu vytvořené stopy.

Obrázek stopy se získá optickou nebo rastrovací elektronovou mikroskopií (SEM). Profil stopy je měřen např. mechanickým profilometrem nebo mikroskopem atomárních sil (AFM).

Pomocí obsahu změřeného profilu a středního průměru stopy se vypočte dle (17) objem odebraného materiálu K, tzv. worn volume, vztažený na zatížení a celkovou dráhu [56].

s w K V

= ⋅ (17)

kde V je objem odebraného materiálu, w je zatížení a s je celková uběhlá vzdálenost.

Další hodnocený parametr je opotřebení použité kuličky (hrotu) měřený obvykle pomocí optické mikroskopie, viz. obr. 23.

Obr. 23 Ukázka opotřebení ocelové kuličky po 5000 cyklech na vrstvě W-C:H

4.2.3 Měření tloušťky vrstev

Pro určení tloušťky vrstev byla použita metoda Kalotest. Měření bylo prováděno v laboratořích KMT TUL. Metoda spočívá v probroušení povlaku rotující kuličkou pomocí diamantové brusné pasty. Nejčastěji se používá ložisková kulička s velkým průměrem. Po probroušení povlaku se objeví na povrchu vzorku mezikruží.

Ze znalosti průměru kuličky a mikroskopem změřených průměrů kulových vrchlíků je možné jednoduchým výpočtem stanovit tloušťku nanesené vrstvy dp dle vzorce

( ) (

[

2

1 D L D L

d_p = − − −

) ]

Kde dp je tloušťka určované vrstvy, D je průměr kuličky, L1 a L jsou malý a velký průměr vytvořené kaloty [7].

Obr. 24 Princip měření tloušťky metodou Kalotest [7]

Konstrukce zařízení na tvorbu kalot však omezuje aplikaci tohoto typu měření tloušťky vrstev na vnitřních nebo jinak geometricky nedostupných plochách měřených vzorků. Jinak lze měření provádět na vzorcích a nástrojích s většími rovinnými i válcovými zakřivenými plochami. Měření také vyžaduje kvalitní povrch substrátu s maximální střední aritmetickou úchylkou profilu Ra = 0,2 µm. Pokud drsnost dosahuje vyšších hodnot, přesnost měření se snižuje nebo je úplně znemožněno [57].