Sprawozdanie z przedmiotu:

Współczesne materiały inżynierskie

Temat:

Analiza deformacji i pękania cienkich powłok

ceramicznych TiN i wielowarstwowych Ti-TiN.

Opracowali:

Radosław S????k

Rafał Przybytek

Mateusz Wójcikiewicz

Radosław Sz???

Piotr Sułek

Piotr Jarocha

Grzegorz Szczyp??

Piotr Stopich ??

Jarosław Wandas

Grzegorz Ślusarczyk

Gr. 2 rok I (mgr) WIMIR

Studia niestacjonarne

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest porównanie właściwości mikromechanicznych cienkich powłok TiN oraz wielowarstwowych Ti-TiN na drodze wyznaczania krzywych wgłębnikowych i analizy zdjęć odcisków.

2. Opis stanowiska badawczego

1. Schemat ogólny stanowiska

Rys. 1 Schemat stanowiska badawczego

2. Zasada działania MCT

Mikro-Combi-Tester szwajcarskiej firmy CSEM jest precyzyjnym urządzeniem przeznaczonym do wyznaczenia mikromechanicznych właściwości materiałów oraz cienkich warstw. MCT spełnia wymagania norm ASTM dotyczących mikrotwardościomierzy. Jest wyposażony w system zbierania i archiwizacji wyników pomiarowych.

Urządzenie umożliwia m.in.:

• wyznaczenie twardości i modułu Younga miękkich, twardych, kruchych oraz ciągliwych materiałów,

• wykonanie scratch-testu - testu zarysowania.

Właściwości mikromechaniczne są wyznaczane na podstawie odkształcenia materiału w wyniku wgłębnikowania próbki wgłębnikiem, do którego przyłożone jest określone obciążenie. Wartość siły obciążającej i głębokości penetracji ostrza wgłębnika są rejestrowane w sposób ciągły w czasie całego cyklu (obciążania i odciążania).
Na podstawie wykreślonej krzywej obciążenia vs. przemieszczenia są wyznaczane takie właściwości jak: twardość, moduł Younga, czas pełzania, odporność na kruche pękanie. Stosując minimalne siły obciążające wgłębnik, możliwe jest wykonanie pomiaru na głębokościach 1-2 μm, co jest szczególnie istotne podczas badania cienkich warstw gdzie należy wyeliminować wpływ podłoża na wyznaczane właściwości.

Parametry urządzenia:

• rodzaje wgłębników: Vickers - kąt piramidy 136^o,

Berkovich - kąt piramidy 65^o,

• zakres nastawy siły obciążającej wgłębnik: 0,02 ÷ 30 [N],

• dokładność pomiaru głębokości penetracji: 0,3 nm,

• dokładność pomiaru siły obciążającej wgłębnik: 0,15 mN

• dokładność pozycjonowania próbki: 1μm,

W połączeniu z komputerem wyposażonym w odpowiednie oprogramowanie możemy przygotować wykresy dla różnych próbek i porównać je ze sobą. Można również wykonywać zdjęcia w skali nm co pozwala również wyciągnąć wnioski podczas analizy obrazu próbki przed i po próbie.

3. Przebieg ćwiczenia

Całe badanie przeprowadzamy dla próbki z powłoką TiN, oraz z powłoką wielowarstwową Ti-TiN wykonując zdjęcie powierzchni po wykonanej próbie.

Na początku ustalamy prędkość narastania siły obciążającej oraz maksymalną wartość siły. W pierwszym etapie wgłębnik jest zanurzany w powierzchnię próbki aż do osiągnięcia maksymalnej wartości siły, po czym następuje drugi etap i wgłębnik zostaje wycofany z ustaloną prędkością aż do całkowitego wyjścia ponad powierzchnię próbki. W trakcie przebiegu krok po kroku rejestrowane są wartości obciążenia i przemieszczenia co pozwala wyznaczyć krzywą wgłębnikowania (rys. 2).

Rys. 2. Typowa krzywa wgłębnikowania obciążenie P w funkcji przemieszczenia h z zaznaczonymi parametrami: h_f - zagłębienie, h_i - końcowe zagłębienie, h_max - maksymalne zagłębienie, S* - całkowita sztywność systemu.

Sztywność S* jest nachyleniem stycznej do krzywej odciążenia w punkcie maksymalnego obciążenia (h_max, P_max). Kiedy zagłębienie h jest całkowitym przemieszczeniem systemu, S* jest całkowitą sztywnością systemu. Przemieszczenie „ramki pozycjonującej” można pominąć po odpowiedniej kalibracji i pominięciu jej podatności tak, więc h jest tylko przemieszczeniem wierzchołka wgłębnika w powierzchnie próbki. W takim przypadku S*=S, a styczna przedstawia linię odciążenia, dla której powierzchnia kontaktu jest niezmienna. Pole powierzchni kontaktu A, obliczone przy użyciu S powinno być aktualnym polem powierzchni kontaktu przy maksymalnym obciążeniu. Ekstrapolując tę linię w dół do wartości P=0 uzyskać można wartość głębokości h_i, która powinna odpowiadać głębokości kontaktu h_c, sprzężoną z maksymalnym punktem obciążenia. Przemieszczenie h_c opisuje właściwości deformacyjne materiału (zdolność do odkształceń) oraz przedstawia kształt wgłębienia jak jest to pokazane na rys. 3.

Rys. 3. Schemat zagłębienia wgłębnika o idealnym stożkowym kształcie ostrza.

Zgodnie z rys. 3. głębokość kontaktu

h_c = h_max - h_s

gdzie: h_s - sprężyste przemieszczenie (odkształcenie) powierzchni próbki mierzone
w miejscu największego obwodu powierzchni kontaktu.

Sprężyste przemieszczenie h_s może być obliczone dla określonej geometrii przy użyciu równania przemieszczenia wg analizy Sneddon'sa. Dla każdej z trzech typowych geometrii wierzchołka wgłębnika:

h_s = εP_max / S

gdzie: ε - współczynnik zależny od geometrii wierzchołka wgłębnika: dla płasko zakończonego cylindrycznego stempla ε=1; dla kształtu paraboloidy obrotowej ε=0,75; dla kształtu stożkowego ε=2(π-2)/π.

4. Opracowanie wyników

Na podstawie wyników uzyskanych przez pomiar przemieszczenia i siły możemy wykreślić krzywe wgłębnikowania dla powłoki TiN, oraz powłoki wielowarstwowej Ti-TiN, a następnie porównać ze sobą obydwie krzywe.

Tej strony

nie drukować

/

/

zamiast niej

wstawić wykres

z Excela

Dodatkowo poniżej przedstawiam zdjęcia zrobione po próbie, pokazują one powierzchnie po zakończeniu badania.

Rys. 4 Powłoka TiN Rys. 5 Powłoka wielowarstwowa Ti-TiN

5. Wnioski

Przedstawione krzywe wyraźnie pokazują różnice pomiędzy powłoką jednolitą TiN, oraz powłoką wielowarstwową Ti-TiN.

Powłoka TiN jest bardziej krucha, potrzeba większej siły aby wgłębnik się przemieścił i przejścia pomiędzy poszczególnymi położeniami wgłębnika są widocznie gwałtowne (ząbki na wykresie). Na zdjęciu widać niewielkie pęknięcia sygnalizujące, że powierzchnia nawet poza obszarem działania wgłębnika została naruszona co jest bardzo niekorzystnym efektem przy współpracy dwóch materiałów ponieważ odłamane fragmenty powłoki mogłyby doszczętnie zniszczyć powierzchnie współpracujące w niedługim okresie.

Powłoka wielowarstwowa Ti-TiN jest znacznie bardziej plastyczna, na wykresie widać, że krzywa jest bardziej gładka co świadczy o równomiernym zagłębianiu się wgłębnika. Na zdjęciu wyraźnie widać, że jedynie miejsce które miało styczność z wgłębnikiem zostało zdeformowane i nie ma śladów pęknięć co korzystnie wpływa na dalszą pracę odkształconej powłoki, tzn. brak odłamków w przestrzeni współpracy.

Badanie pokazuje, że porównanie powłok wykonanych z różnych materiałów jest stosunkowo łatwe i wyniki pozwalają rozważać zastosowanie danych powłok w konkretnych rozwiązaniach i różnych warunkach pracy. Ponadto bazując na wynikach można spekulować jaki materiał mógłby poprawić własności powłoki.

h_max

h_i

h_f

S*

Obciążenie normalne, P

Przemieszczenie, h

P_max

Wgłębnik

Powierzchnia próbki

Powierzchnia profilu
przy maksymalnym obciążeniu

P_max

Przemieszczenie, h

Obciążenie normalne, P

S*

h_f

h_i

h_max

---