Измерение твердости конструкционных материалов методами индентирования и склерометрии на субмикронном и нанометровом масштабах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат технических наук Усеинов, Сергей Серверович

• Усеинов, Сергей Серверович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Усеинов, Сергей Серверович

Введение.

1 Обзор методов измерения твердости на субмикронном и нанометровом масштабах.

1.1 История развития методов измерения твердости.

1.2 Методы измерения твердости материалов на субмикронном и. нанометровом масштабе.

1.2.1 Метод микроиндентирования.

1.2.2 Метод наноиндентирования.

1.2.3 Метод склерометрии.

1.3 Особенности применения методов измерения твердости.

Выводы.

2 Сканирующий нанотвердомер «НаноСкан-ЗБ».

2.1 Отличительные особенности и основные функциональные. возможности сканирующего нанотвердомера «НаноС кан-ЗБ».

2.2 Конструкция сканирующего нанотвердомера «НаноС кан-ЗБ».

2.3 Конструкция системы нагружения.

2.3.1 Измеряемые сигналы.

2.3.2 Измерение топографии.

2.3.3 Измерение карт механических свойств.

2.4 Методика калибровки сканирующего нанотвердомера

НаноСкан-ЗБ».

2.4.1 Калибровка перемещений в плоскости ХУ.

2.4.2 Калибровка перемещений по оси Z.

2.4.3 Калибровка датчика силы.

2.4.4 Определение функции формы индентора.

2.4.5 Определение податливости системы нагружения. нанотвердомера.

Выводы.

3 Методы индентирования.

3.1 Метод измерительного динамического индентирования (ИДИ).

3.1.1 Общие принципы.

3.1.2 Определение точки контакта.

3.1.3 Алгоритм измерения.

3.1.4 Диаграмма нагружение-внедрение.

3.1.5 Учет факторов.

3.2 Метод измерения твердости по изображению. восстановленного отпечатка.

3.2.1 Общие принципы.

3.2.2 Процесс измерения.

3.2.3 Алгоритм расчета площади проекции отпечатка и. площади навалов.

Выводы.

4 Метод склерометрии.

4.1 Традиционный метод склерометрии.

4.1.1 Общие принципы.

4.1.2 Алгоритм эксперимента.

4.1.3 Определение значения твердости.

4.2 Усовершенствование метода склерометрии.

4.2.1 Общие принципы.

4.2.2 Алгоритм измерения.

4.2.3 Обработка полученных сигналов.

Выводы.

5 Экспериментальное исследование модельных образцов.81'

5.1 Условия проведения экспериментов.

5.2 Описание образцов.

5.3 Процесс эксперимента.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Измерение твердости конструкционных материалов методами индентирования и склерометрии на субмикронном и нанометровом масштабах»

С развитием научной деятельности в области нанотехнологий перед учеными встал важный вопрос о корректном определении физических свойств материалов в наномасштабе. Приставка нано- указывает на характерные размеры изучаемых объектов. Линейные размеры объектов нанотехнологии не превышают 200' нм при этом у них проявляются специфические физические свойства не характерные для аналогичных макро-и микрообъектов. К нанотехнологии относятся такие области исследований, как наноматериалы (нанокомпозиционные, наноструктурированные материалы), тонкие пленки и защитные покрытия, наномеханика, наноэлектроника. Общей для всех этих областей задачей является создание средств и методов наблюдения, измерения, контроля и модификации структур и объектов, недоступных для стандартных средств визуализации и измерения физических свойств.

Одними из наиболее распространенных средств исследования объектов нанотехнологии на сегодняшний день являются сканирующие зондовые микроскопы. Современные СЗМ предназначены не только для визуализации поверхности материалов со сверхвысоким пространственным разрешением, но и для исследования и измерения различных физических свойств нанообъектов и структур. Обширной областью исследования для сканирующих зондовых микроскопов являются физико-механические свойства материалов на наномасштабе, и прежде всего, твердость.

Актуальность темы

Разработка объемных наноструктурированных конструкционных и функциональных материалов для машиностроения, медицины и энергетики, а также создание наноразмерных объектов в электронике, микро и наномеханике требует изучения их физико-механических свойств на субмикронном и нанометровом масштабах линейных размеров. Это относится, в том числе, к параметрам, связанным с особенностями упруго-пластической деформации и, в частности, к таким; величинам, как твердость, модуль упругости, коэффициент упругого-восстановления. Известно, что с уменьшением размера деформируемого объема, существенное влияние на упруго-пластическое поведение материала оказывает наличие и плотность дефектов его структуры, изменяется распределение вкладов различных механизмов пластической деформации, меняется соотношение между, упругой и пластической компонентами деформации. Исследование подобных • так называемых «размерных» эффектов, является одной из основных задач в современном материаловедении. Недостаточно изученьг также зависимость, упруго-пластических свойств твердых тел на наномасштабах от типа химических связей, кристаллографической решетки и других структурных особенностей. Исследования в данной; области требуют создания: новой приборной базы, которая включает в себя средства измерения- и их метрологическое обеспечение. Необходимо, также разрабатывать новые методики выполнения измерений и соответствующие аналитические модели для обработки экспериментальных данных.

Твёрдость является одним, из наиболее широко применяемых и интуитивно понятных механических параметров твёрдого тела. Практически во всех источниках твёрдость определяется; как «способность материала . сопротивляться вдавливанию в, него более твёрдого тела». В основе измерения; твердости лежит анализ взаимодействия острой иглы (индентора) с поверхностью материала. Этот вид испытаний широко распространён в промышленности. Измерение твёрдости используют в ходе технологических процессов; при определении эксплуатационных характеристик изделий, выборе режимов механической обработки и типа режущего инструмента. Контроль этого параметра распространен и в научных исследованиях, в том числе; в материаловедении, при разработке новых конструкционных < матёриалов. При этом твёрдостью характеризуют как полимеры/ и металлы; так и сверхтвёрдые кристаллические, керамические и - композитные материалы.

К методам измерения твердости на субмикронном и нанометровом масштабах относятся: методы вдавливания индентора в = материал (микро и наноиндентйрование) и метод нанесения царапин (склерометрия). Наибольшее распространение на сегодняшний день получили приборы, называемые нанотвердомерами, в которых реализован метод измерительного динамического индентирования (ИДИ) в соответствии с, международным стандартом ISO 14577. Существует ряд факторов; влияющих на измеренные значения твердости, которые не учитываются; в стандартной методике измерения методом ИДИ!

Успешно зарекомендовавшие себя методы измерений твердости на макро- и микро- масштабах, такие как метод восстановленного отпечатка и склерометрии; потенциально могут применяться и на меньших масштабах, чем предусмотрено существующими на сегодняшний день стандартами: Однако для этого необходимо изучить влияние размерного фактора на работу данных методов и установить взаимосвязь между измеряемыми - значениями твердости на макро- , микро- и нанометровом масштабам глубины внедрения индентора. Также требуется совершенствование ' этих методов в части повышения точности контроля прикладываемой нагрузки- й способов определения геометрических параметров отпечатка, поскольку оптические методы на таких масштабах не применимы. Одним из путей решения этих задач; является применение сканирующих нанотвердомеров - нового класса приборов для исследования механических свойств; материалов. Данные приборы, совмещают в себе возможности нанотвердомеров по прецизионному приложению нагрузки, и возможности сканирующих зондовых, микроскопов ; (СЗМ) по; получениюi изображения рельефа поверхности. Такая комбинация* характеристик позволяет развить существующие и разработать новые методики измерения твердости.

Все перечисленные выше методы измерения твердости имеют определенные ограничения по их применимости в зависимости от механических свойств исследуемых материалов и глубины внедрения индентора. В связи с этим актуальной представляется разработка комплексного подхода к измерению твердости на субмикронном и нанометровом масштабах, сравнение экспериментальных данных, полученных различными методами, и определение условий применения реализованных методов для различных конструкционных материалов.

Цели и задачи работы

Целью диссертационной работы являлась разработка экспериментальных методов изучения физико-механических свойств материалов на субмикронном и нанометровом масштабах линейных размеров, сравнение различных методов, а также исследование области применимости различных методов при измерении механических свойств конструкционных материалов.

В ходе работы было необходимо решить следующие задачи:

1) Создать приборно-методическую базу для измерений механических свойств на субмикронном и нанометровом масштабах линейных размеров с использованием сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-ЗБ», в том числе:

- разработать методики калибровки сканирующего нанотвердомера для измерения силы и линейных размеров;

- реализовать методики измерения механических свойств I материалов на основе индентирования и царапания (склерометрии), включая методы измерения твердости по восстановленному отпечатку/царапине и метод измерительного динамического индентирования.

2)«Провести сравнительный анализ результатов измерений, полученных различными методами на субмикронном и нанометровом масштабах для определения области применимости разработанных методов.

3) Определить источники ошибок различных методов и установить особенности и ограничения их применения для различных конструкционных материалов на разных масштабах глубин индентирования.

4) Используя различные методы измерений, исследовать зависимость механических свойств нового наноструктурированного конструкционного материала на основе промышленного алюминиевого сплава, легированного фуллереном в диапазоне концентраций Сбо от 1 до 5 весовых процентов.

5) Исследовать зависимость механических свойств алмазоподобных углеродных (РЬС) тонких пленок от их толщины и состава.

Научная новизна работы

1) Предложен метод измерения твердости на субмикронном и нанометровом масштабах, заключающийся в расчете твердости по трехмерному изображению рельефа восстановленного отпечатка, полученному методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), с учетом площади пластических навалов по периметру отпечатка.

2) Предложен метод измерения, заключающийся в расчете твердости по трехмерному изображению рельефа восстановленного следа царапины, полученному методом СЗМ, с учетом пластических навалов по краям следа царапины.

3) Определены условия и ограничения применения методов измерения твердости для разных классов материалов на субмикронном и нанометровом масштабах.

4) Установлено, что наноструктурирование и легирование промышленного алюминиевого сплава 1430 фуллереном Сбо увеличивает твердость, материала от 2 до 3,5 раз по сравнению с исходным немодифицированным сплавом.

5) Показано, что твердость алмазоподобных углеродных тонких пленок не зависит от толщины в диапазоне от 100 до 900 нм.

Практическая значимость работы

1) Разработаны методики калибровки сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-ЗБ» для измерений силы в диапазоне от 10 мкН до 500 мН и линейных размеров в диапазоне от 1 нм до 100 мкм.

2) Разработаны алгоритмы и реализованы режимы работы сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-ЗБ» для измерения твердости методами измерительного динамического индентирования, восстановленного отпечатка и склерометрии (царапания).

3) Разработан программный модуль для проведения измерений твердости перечисленными выше методами. Разработанный модуль интегрирован в программное обеспечение сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-ЗБ» производства ФГУ ТИСНУМ и зондовой нанолаборатории «Интегра» производства ЗАО «НТ-МДТ».

4) Сформулированы рекомендации по учету особенностей упруго-пластической деформации при испытаниях методами индентирования и склерометрии.

5) Разработаны и метрологически аттестованы методики выполнения измерений твердости на сканирующем нанотвердомере «НаноСкан-ЗБ» методом измерительного динамического индентирования (регистрационный код методики по Федеральному реестру ФР. 1.28.2010.07835) и методом восстановленного отпечатка в нанометровом диапазоне (регистрационный код методики ФР. 1.28.2010.07837).

6) Определен оптимальный процент легирования промышленного алюминиевого сплава фуллереном Сбо для достижения максимальных значений механических свойств получаемого материала.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Метод измерения твердости по трехмерному изображению рельефа восстановленного отпечатка на субмикронном и нанометровом масштабах.

2) Метод измерения твердости по трехмерному изображению рельефа восстановленного следа царапины на субмикронном и нанометровом масштабах.

3) Обоснование необходимости учета особенностей упруго-пластической деформации путем визуализации области отпечатка методами СЗМ для корректного измерения твердости на субмикронном и нанометровом масштабах

4) Наноструктурирование и легирование промышленного алюминиевого сплава фуллереном Сбо увеличивает твердость материала.

Внедрение результатов работы

Методика калибровки СЗМ «НаноСкан-ЗБ» и методики измерения твердости, разработанные в процессе выполнения работы, внедрены в базовое программное и методическое обеспечение для серийно выпускаемых приборов СЗМ «НаноСкан-ЗБ» производства ФГУ ТИСНУМ, а также измерительных модулей для наноиндентирования СЗМ «Интегра» и «Солвер-Некст» производства ЗАО «НТ-МДТ». Научные результаты, полученные с применением разработанных методик, были использованы при выполнении ФГУ ТИСНУМ государственных контрактов (ГК 02.531.11.9005 от 29.10.2007, ГК №041/2008 от 24.10.2008, ГК 049/2008 от 05.11.2008) и работ по федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., контракт № П719.

Апробация работы

Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:

1) IV Научно-практическая конференция «Нанотехнологии - производству 2007» 28 - 30 ноября 2007г., г.Фрязино Московской области

2) Первая международная научная конференция «Наноструктурные материалы - 2008: Беларусь-Россия-Украина», Секция 7 «Методы аттестации и сертификации наноматериалов» Минск, 22 - 25 апреля 2008 г.

3) IV Российская научно-техническая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», 25-18 мая 2009 г., г.Екатеринбург

4) Шестая международная конференция «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология». 28 - 30 октября 2009 г., Московская область, г.Троицк

5) Научная сессия НИЯУ МИФИ-2010. 25-31 января 2010 г., г.Москва

6) VI Российская научно-техническая конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение». 25 - 27 мая 2010 г., г.Екатеринбург.

7) 10-я международная конференция по неразрушающему контролю. 7-11 июня 2010 г., г.Москва.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 5 работах.

Публикации в изданиях из списка ВАК РФ:

1)Усеинов С.С., Соловьев В.В., Гоголинский К.В., Львова H.A., Усеинов A.C., Кулибаба В.Ф. Особенности применения метода наноиндентирования для измерения твердости на наномасштабе // Нанотехника. Инженерный журнал, №1, 2008. -с.111-115.

2) Гоголинский К.В., Пятов А.Л., Соловьев В.В., Усеинов С.С. Разработка метрологического комплекса для обеспечения единства измерений свойств поверхности в нанометровом диапазоне на базе сканирующего зондового микроскопа «НаноСкан-ЗБ» // Законода-тельная и прикладная метрология. №1 (107). 2010. - с.33-34. •

Публикации в изданиях, не входящих в список ВАК РФ:

3) Козельская А.И., Усеинов С.С., Салтымаков М.С., Швецов Е.Е., Васильева Е.Ю. Применение сканирующего нанотвердомера «Наноскан» для исследования тонких биосовместимых кальций-фосфатных покрытий, полученных ионно-плазменными методами // Перспективы развития фундаментальных наук: Труды V международной конференции студентов и молодых учёных - Томск, 20-23 мая 2008. - Томск: ТПУ, 2008. - с. 43-44.

4) Усеинов С.С., Соловьев В.В., Гоголинский К.В., Усеинов A.C., Львова H.A. Методы измерения механических свойств материалов с нанометровым разрешением и их метрологическое обеспечение. // Труды научной сессии НИЯУ МИФИ-2010. В 6 томах. Том II. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. - с.233-236.

5) Усеинов С.С., Соловьев В.В., Гоголинский К.В., Усеинов A.C., Львова H.A. Измерение механических свойств материалов с нанометровым пространственным разрешением. // Наноиндустрия. Научно-технический журнал. № 2/2010 (20). 2010 г. - с. 30-35.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы. Объем диссертации составляет 127 страниц, включая 6 таблиц и 56 рисунков. Список литературы содержит 87 источников.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Усеинов, Сергей Серверович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате исследований, проведенных с помощью сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-ЗБ», была обоснована необходимость комплексного подхода к измерению твердости на субмикронном и нанометровом масштабах глубин внедрения индентора. В том числе:

1) Разработаны методики калибровки сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-ЗБ» для измерения силы и линейных размеров. Алгоритмы разработанных методик могут применяться для калибровки оборудования аналогичного типа.

2) На базе сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-ЗБ» реализованы следующие методы измерения твердости на микро и нано масштабах: метод измерительного динамического индентирования, метод восстановленного отпечатка, метод склерометрии. Метрологически аттестованы соответствующие методики выполнения измерений.

3) Определены условия и ограничения применения методов измерения твердости:

- Показано, что измерение твердости материалов, для которых характерно образование пластических навалов, требует учета их площади методами СЗМ.

- Установлено, что твердость материалов, характери-зующихся большим коэффициентом упругого восстановления, пред-почтительно измерять методом склерометрии.

- Измеренные значения твердости металлических конструкционных материалов по методу восстановленного отпечатка на субмикронном и нанометровом масштабах соответствует значениям микротвердости по методу Виккерса.

4) Установлено, что наноструктурирование и легирование фуллереном промышленного алюминиевого сплава 1430 увеличивает твердость материала от 2 до 3,5 раз по сравнению с исходным немодифицированным сплавом. При этом значение твердости материала зависит от концентрации фуллерена С60 и достигает максимального значения 3,9 ± 0,3 ГПа при содержании фуллерена 5 весовых процентов.

5) Показано, что среднее значение твердости исследованных алмазоподобных углеродных тонких пленок, измеренное методом склерометрии, составляет 23 ± 3 ГПа. Применение метода склеромет-рии позволило установить, что твердость алмазоподобных покрытий не зависит от их толщины в диапазоне от 100 до 900 нм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Усеинов, Сергей Серверович, 2010 год

1. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. М.: Наука, 1976. - 230 с.

2. Википедия свободная энциклопедия. Твердость.

3. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/TBepflOCTb (дата обращения: 08.10.2008).

4. Большая советская энциклопедия. Т.25. Т. 1-30. М., «Сов. энциклопедия», 1969-78.

5. Mohs F. // Grundriss der Mineralogie. Dresden (1822)

6. Сб. «Склерометрия. Теория, методика, применение испытаний на твердость царапанием» под ред. Хрущова М.М. г.Москва. Изд-во «Наука». 1968г.

7. Хрущов М.М., Беркович Е.С. Микротвердость, определяемая методом вдавливания. М.: Изд-во АН СССР. 1943. 131с.

8. С.Н.Дуб, Н.В.Новиков. Испытания твердых тел на нанотвердость. Сверхтвердые материалы. №6. 2004. с. 16-38.

9. М.М.Хрущов, Е.С.Беркович. Приборы МПТ-2 и МПТ-3 для испытания на микротвердость. М., Изд-во АН СССР, 1950.

10. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. ГОСТ 9450-76 (CT СЭВ 1195-78). М.: Издательство стандартов, 1976, 1973 (переиздание с изменениями).

11. Ю.И.Головин, В.И.Иволгин, В.В.Коренков, Н.В.Коренкова, Р.И.Рябко. Определение комплекса механических свойств материалов в нанообъемах методами наноиндентирования. // Конденсированные среды и межфазные границы. 2001. Том 3. №2. с. 122-135.

12. С.И. Булычев, В.П. Алехин. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. Машиностроение. М. (1990). 224 с.

13. А.П. Терновский, В.П. Алехин, М.Х. Шоршоров. М.М. Хрущев. В.Н. Скворцов. Завод, лаб. 39, 1242 (1973).

14. В.П.Алехин, Г.Н.Калей, М.М.Хрущов, М.Х.Шоршоров и др. Завод, лаб., 1972, № 4, 488.

15. СИ. Булычев, В.П. Алехин, MX. Шоршоров, А.П. Терновский, Г.Д. Шнырев. Завод, лаб. 41, 1137 (1975).

16. Ю.С Боярская, Д.З. Грабко, М.С. Кац. Физика процессов микронндентирования. Штиинца, Кишинев (1986). 234 с.

17. СИ. Булычев, В.П. Алехин, MX. Шоршоров, А П Терновский. Проблемы прочности 9, 79 (1976).

18. J.B.Pethica, R.Hutchings, W.C.Oliver. Hardness measurements at penetration depths as small as 20 nm. // Philos. Mag. A. 1983. 48, N 4. P. 593-603.

19. Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // J. Mater. Res. 1992. - V. 7, № 6. - P. 1564-1583.

20. B. JI. Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии, Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений, Российская академия наук, Институт физики микроструктур, г. Нижний Новгород, 2004 г. 110 с.

21. R. Saha, W.D. Nix. // Acta Mater. 50, 23 (2002).

22. D.E. Kramer, A.A. Volinsky, N.R. Moody, W.W. Gerberich. // J. Mater. Res. 16,3150 (2001).

23. NA Fleck, G.M. Muller. ME Ashby, J.W. Hutchinson. Acta Met. Mat. 42, 475(1994).

24. W.J. Poole, M.R. Ashby, NA. Fleck. Scripta Mat. 34, 559 (1996).

25. W.D. Nix, H. Gao. J. Mech. Solids 46, 4, 411 (1998).

26. Y H Lee, J H Hahn, S H Nahm, JI Jang, D Kwon . Investigations on indentation size effects using a pile-up corrected hardness. // J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008)

27. Я.М. Сойфер, А. Вердян. Исследование локальных механических свойств монокристаллов хлористого калия методом атомно-силовой микроскопии. // Физика твердого тела, 2003, том 45. вып. 9.

28. Fischer-Cripps, А. С. Nanoindentation (Springer, New York, 2002).

29. Loubet J.L., Georges L.M., Meille G. Vickers indentation curves of elasto-plastic materials. / Ed.: Blau P.J., Lawn B.R. Philadelphia: ASTM, 1986. -P. 72 - 89.

30. Hainsworth S.V., Chandler H.W., Page T.F. / J. Mater. Res. 1996. № 11. P. 1987- 1995.

31. Cheng Y.-T., Cheng C.-M. / J. Mater. Res. 1998. № 13. P. 1059 1064.

32. Sakai M. / Acta Metal Mater. 1993. № 41. P. 1751 1758.

33. Gubisza J., Juhasz A., Lendvai J. / J. Mater. Res. 1996. № 11. P. 2964 -2967.

34. Cheng Y.-T., Cheng C.-M. / Appl. Phys. Lett. 1998. V. 73. № 5. P. 614 -615.

35. Doerner M.F., Nix W.D. A method for interpreting the date from depth-sensing indentation instruments // J. Mater. Res. 1986. - Vol. 1(4). - P. 601-609.

36. Pethica J.B., Oliver W.C. / Materials research society symposium. 1989. V. 130. P. 13-23.

37. Oliver W.C., Pharr G.M. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology // J. Mater. Res. 2004. - V. 19, № 1. - P. 3-20.

38. K.O. Kese, Z.C. Li, B. Bergman. Method to account for true contact area in soda-lime glass during nanoindentation with the Berkovich tip. // Materials Science and Engineering A 404 (2005), p. 1-8.

39. Гоголинский K.B., Львова H.A., Усеинов A.C. Применение сканирующих зондовых микроскопов и нанотвердомеров для изучения механических свойств твёрдых материалов на наноуровне39.