Силовой нанотестинг приповерхностных слоев

 

Различные методы сканирующей зондовой микроскопии в настоящее время бурно развиваются главным образом как инструмент визуализации результатов «неразрушающего» взаимодействия зонда с поверхностью.

Одновременно широко развивается другая группа зондовых ме­тодов исследования поверхности, объединяемая общим термином «силовой нанотестинг».

В нем используется тщательно контролируемое силовое воздействие на ис­следуемую поверхность. В первую очередь это требует применения хорошо ат­тестованных зондов с определенной геометрией вершины и прецизионного из­мерения силы контактного взаимодействия. Помимо того необходимы адекват­ные аналитические модели поведения материала в зоне контакта и расчетные методы для извлечения количественной информации о физико-механических свойствах приповерхностных слоев из первичных данных.

Подобные технологии радикально расширяют возможности традиционного индентирования, перенося их в нанообласть, и не тре-буют при этом визуализа­ции следов контакта. Наряду с однократной нормальной нагрузкой используют многоцикловое нагружение, приложение латеральной силы при неизменной или нарастающей нормальной нагрузке и др.

Контактный нанотестинг является, по существу, единственным экспери­ментальным методом получения количественных, а не только оценочных значе­ний величин, характеризующих механические свойства поверхностных слоев материалов в нано- и субмикро-объемах. Это достигается путем использования нагрузок, контро-лируемых с высокой точностью, и зондов-инденторов извест­ной геометрии, что позволяет достоверно определять площадь контакта индентора с материалом и мгновенные значения действующего напряжения.

Кроме того, мониторинг в реальном времени отклика материала на силовое воздействие зонда дает возможность исследовать кинетику микроструктурных процессов в наномасштабе, что затруднительно осуществить другими методами.

Можно выделить четыре основные группы задач, которые решают методом силового нанотестинга:

• установление границ резкого изменения механических свойств по мере уменьшения размеров объекта или области локального нагружения;

• изучение закономерностей механического поведения различных материалов в нанообласти;

• выявление природы наномеханических размерных эффектов, механиз­мов пластического деформирования и разрушения;

• моделирование и изучение трибомеханических процессов в наношкале (сухого трения, абразивного и эрозионного износа, тонкого помола, механоактивации поверхности и т.п.).

В соответствии с характерными размерами области испытания средства для исследования материалов методами локального нагружения принято условно разделять на макро-, микро- и наноиндентирование.

До середины прошлого века весьма популярным методом экспресс-анализа механических свойств было макроиндентирование и определение твердости по Бринеллю - НВ. Для этого в материал вдавливали известной силой Р стальной шарик, а затем измеряли диаметр получившегося отпечатка. Твердость находи­ли по соотношению

НВ=Р/А, (6.2)

где А – площадь поверхности отпечатка.

Непрерывно продолжающаяся миниатюризация продуктов высоких технологий резко подняла интерес к изучению механических свойств материалов в субмикро- и нанометровом масштабе размеров. Это стало актуально для различных сфер применения, включая тонкопленочные износостойкие и многослойные покрытия, микроэлектромеханические устройства, имплантированные элементы интегральных микросхем и т.д. С развитием точной микромеханики и компьютерных технологий метод кинетической твердости совершенствовался по пути учета и нейтрализации всех существенных погрешностей и помех, полной автоматизации процесса измерений и предельного уменьшения величины нагрузки на индентор с адекватным повышением чувствительности тракта измерения перемещения индентора (вплоть до долей нанометра).

В этой связи, начиная с середины 80-х годов ХХ в. метод непрерывной регистрации сил вдавливания и глубины отпечатка все чаще стали квалифицировать как наноиндентирование.

Принципиальная схема осуществления непрерывного вдавливания представлена на рис. 6.9.

Любой наноиндентометр содержит: силовую ячейку, с помощью которой выполняется программируемое нагружение; прецизионный датчик перемещений, непрерывно регистрирующий глубину погружения зонда индентора во времени, электронный контроллер, осуществляющий первичную обработку информации и управление прибором; персональный компьютер РС с пакетом специальных программ.

 

 

Рис. 6.9. Схема метода наноиндентирования

В качестве индентора при наноиндентировании используют, как правило, трехгранную алмазную пирамиду Берковича с углом заточки 65,3° (против 68° у четырехгранного индентора Виккерса). Выбор такой формы индентора обу­словлен тем, что ему можно придать гораздо большую остроту, чем четырех­гранной пирамиде. Для формирования острой четырехгранной пирамиды необ­ходимо свести в одну точку четыре ее грани, что практически нереально выпол­нить, а в трехгранной они сходятся в одной точке сами.

Несмотря на то, что идея метода непрерывной регистрации сил и глубины внедрения была предложена в СССР, первые полноценные приборы, реализую­щие его, были построены в Оксфорде (Великобритания) и Окридже (США). С начала 90-х годов прошлого столетия в Австралии, Великобри­тании, Германии, США, Швейцарии и Японии наноиндентометры выпускаются серийно ведущими фирмами в области прецизионной измерительной техники.

Весь цикл измерения и обработки информации в таких устройст­вах полностью автоматизирован и осуществляется с помощью компьютера. Для исследования достаточно установить образец, выбрать на его поверхности об­ласть тестирования и ввести параметры нагружения. Все остальное приборы делают автоматически с высокими точностью и надежностью.

Источником информации о материале при наноиндентировании является непрерывно регистрируемая зависимость величины смещения индентора h от величины приложенной нормальной нагрузки Р (рис. 6.10). Получаемая в ре­зультате Р-h-диаграмма (сила внедрения – глубина погружения) аналогична по смыслу традиционной диаграмме при одноосном растяжении/сжатии.

Из нее может быть извлечено более десятка параметров, характеризующих материал на наноуровне (в том числе и времязависимые), а после специальной обработки – восстановлена и кривая де­формирования. Итак, за два десяти­летия существования метода наноинден­тирования область его практического применения в науке вышла далеко за рамки чисто метрологического определе­ния твердости и модуля упругости.

 

 

Рис. 6.10. Анализ диаграммы нагружения по методу Оливера-Фарра:

h_r – глубина остаточного отпечатка; h_е – упругое восстановление; h_р – глубина остаточного отпечатка при максимальной нагрузке на индентор; h_а – упругий прогиб поверхности образца; h _max – максимальная глубина отпечатка при максимальной нагрузке Р _max;

h_cr – ползучесть при Р=const; W_р – работа пластической деформации при формировании отпечатка; W_e – работа упругой деформации; dP/dh = S – жесткость в контакте

индентор –образец

 

 

Современные методы обработки результатов наноиндентирования позво­ляют разделить вклад масштабного и скоростного факторов и получить боль­шой объем информации с одного образца, не разрушая его. Это дает большие преимущества при испытании наноструктурированных или малоразмерных объ­ектов.

В итоге наноиндентирование позволяет решать следующие задачи:

- измерять твердость и модуль Юнга;

- выявлять сопротивление чисто упругому локальному деформированию в наноконтакте и верифицировать теории микро- и наноконтактного взаимодейст­вия;

- выявлять критическую нагрузку перехода из чисто упругой в упругопластическую область при локальном деформировании;

- измерять энергию, поглощенную в контактном взаимодействии;

- определять упругопластические характеристики материалов, не под­дающихся пластическому деформированию в макроопытах вследствие опережающего развития квазихрупкого разрушения (керамики, минеральные и ме­таллические стекла, карбиды, нитриды, бориды металлов и т.д.);

- устанавливать коэффициент вязкости разрушения и энергию разру­шения по скачкам на Р-h-диаграммах;

- моделировать процессы усталости и износа в приповерхностных слоях путем многократного нагружения одной и той же области или нанесения наноцарапин;

- оценивать пористость материала;

- исследовать структурные полиморфные превращения, индуцируемые высоким контактным давлением под индентором;

- судить о структуре многофазных и градиентных материалов;

- оценивать анизотропию механических свойств;

- определять толщину, степень адгезии, механические и механохимические свойства тонких слоев и покрытий;

- исследовать времязависимые характеристики материала в субмикрообъемах;

- оценивать величину и распределение внутренних напряжений;

- выявлять причины неустойчивости пластического течения.

Получаемая в результате наноиндентирования диаграмма нагружения состоит из нагрузочной и разгрузочной ветвей (см. рис. 6.10). Кривая нагружения характеризует сопротивление материала внедрению жестко­го индентора и отражает как упругие, так и пластические свойства исследуемо­го материала. Разгрузочная кривая определяется главным образом упругим вос­становлением отпечатка индентора. Анализ таких Р-h-диаграмм в рамках соот­ветствующих моделей дает возможность получить всю необходимую информа­цию о механических свойствах материала под индентором.

Шероховатость поверхности. Так как при наноиндентировании площадь контакта индентора с образцом определяется косвенным путем – из величины измеряемого смещения индентора, то шероховатость поверхности образца имеет существенное значение.

Остаточные напряжения. Все процедуры анализа экспериментальных данных в наноиндентировании, описанные выше, априори предполагают отсут­ствие в тестируемом материале каких-либо механических напряжений. Однако во многих случаях (зачастую в процессе приготовления образца) такие напря­жения вносятся извне и присутствуют во время теста, налагая свой отпечаток на конечный результат индентирования. Оценить уровень и знак остаточных на­пряжений можно, например, по изменению формы и высоты навалов по контуру отпечатка или используемому в качестве критерия размеру медианных трещин, генерируемых при внедрении в хрупкие материалы острого индентора.

Негомогенность тестируемой поверхности. Для устранения градиента свойств по глубине образца, возникающего при механическом шлифовании и полировании, рекомендуется химическая и электрохимическая полировка по­верхности образца перед тестом на твердость либо использование абразива с зерном, меньшим предельно ожидаемой глубины отпечатка в тесте. Неоднород­ности в плоскости образца (различные фазы сплава, композита, разориентированные зерна однофазных материалов и т.п.) могут быть предметом и целью исследования методом наноиндентирования при условии, что их размеры суще­ственно больше размеров отпечатка. В противном случае результаты измерений будут усредняться, а разброс данных может значительно возрасти.

Следует отметить, что в условиях наноконтакта несущая способность мате­риала может во много раз превышать его макроскопический предел теку­чести. Это положительно сказывается на стойкости наноинструмента, но созда­ет трудности при обработке и локальном пластическом деформировании под­ложек в различных нанотехнологиях.

Наноматериаловедение – комплексная междисциплинарная сфера дея­тельности, соединяющая фундаментальную и прикладную науку, технологию и производство. Кратко ее задачи можно сформулировать следующим образом:

- разработка новых и улучшение характеристик традиционных материалов.

- исследование микроструктуры на разных масштабно-временных уров­нях с целью совершенствования материалов и прогнозирования их поведения в различных условиях эксплуатации;

- изучение всего спектра макросвойств (физико-механических, физико-химических, тепловых, электрических, магнитных, оптических и др.) в широком диапазоне условий, включая экстремальные;

- развитие теоретических основ, позволяющих предсказывать свойства материалов на основе физических моделей различного уровня (электронного, атомарного, кластерного, мезоскопического);

- разработка техники компьютерного моделирования, анализа и дизайна материалов с использованием аппарата квантовой механики, методов молекулярной динамики, конечных элементов, динамики структурных дефектов и др.;

- создание новых и совершенствование традиционных технологий производства, обработки, характеризации и утилизации материалов;

- поиск новых сфер и способов применения, оптимизация выбора материалов при конструировании изделий, разработка новых принципов конструирования и сборки.

В целом наноструктурные материалы должны удовлетворять всей совокупности требований, предъявляемых к обычным материалам.

Вместе с тем по мере развития нанотехнологий накапливается все больше специфических условий, пожеланий, подходов и проблем.

Вследствие чего и как родилась потребность выделить наноматериаловедение из традиционного спектра наук о свойствах материалов вообще? Почему это стало особенно интересно и актуально в последнее десятилетие? Что нового появилось в подходах к дизайну самих материалов? Каковы перспективы и уже сложившиеся области их применения? Ответам на эти вопросы в основном и посвящен настоящий раздел.

В течение многих веков принципиальной основой материаловедения слу­жили три фундаментальных положения: свойства материала определяют, главным образом:

• химический состав;

• технология получения, т.е. реальная структура;

• температура и другие факторы окружающей среды: ее химический со­став, оптические, радиационные, электрические и магнитные поля.

В последние десятилетия к ним добавился характерный размер частицы или элемента структуры. Отчасти это объясняет некоторые причины и мотива­ции появления отдельной дисциплины – «Наноматериаловедение» и ее основные отличительные особенности. Среди множества реально существующих упомя­нем главные.

1. Уменьшение характерных размеров К морфологических единиц (отдель­ных частиц, зерен поликристаллов, пустот, включений других фаз и т.д.) в об­ласть К < 100 нм ведет к сильному изменению всех физических свойств вещест­ва. Причем уменьшение К на порядок: от 100 до 10 нм, затем от 10 до 1 нм и наконец до отдельных атомов (~ 0,1 нм) - каждый раз создает новую си­туацию и влечет за собой новые причины дальнейшего нарастания отличий от макроскопических образцов того же самого вещества.

В этом кроются большие резервы модификации известных материалов и создания совершенно новых из фактически хорошо известного и доступного сырья. В результате материаловедение превращается из эмпирической суммы знаний, технической дисциплины во все более фундаментальную науку, которая добивается наивысших достижений тогда, когда использует в качестве базиса классическую и квантовую физику, химию, биохимию, молекулярную биоло­гию.

2. Оперирование нанообъектами, создание наноструктурных материалов и изделий, их аттестация и контроль вызвали к жизни специфические подходы, приемы, технические решения, которые получили обобщающее название "нанотехнология" (НТ). Общая тенденция такова, что чем меньше объект, тем большую роль играют диффузионные и миграционные процессы, самооргани­зация структуры, самосборка. Таким образом, целесообразно, раскрывая закономерности наномира и поведения объектов в нем, идти навстречу природе и использовать ее созидательный потенциал в смысле поддержания условий для поатомной самосборки необходимых структур.

Поэтому одним из наиболее ярких и продуктивных принципов или даже со­вокупности основополагающих принципов нанотехнологии и ее революционной парадигмой являются вытеснение и замена традиционных технологий «сверху вниз», идущих от большого к малому через отсечение ненужного, к принципу «снизу вверх», т.е. от малого к большому путем безотходного дизайна или са­мосборки из отдельных атомов, молекул или их кластеров.

3. Преимущества использования наноматериалов и нанотехнологии много­образны и многоплановы и не всегда могут быть спрогнозированы. Так, удается из обычного и вполне доступного сырья создавать принципиально новые про­дукты, добиваться от них свойств и эффектов, не доступных в традиционном материаловедении и технологиях. Причем эти изделия могут революционизировать не только многие отрасли индустрии (электронику, вычислительную тех­нику, телекоммуникационные системы), но и медицину, экологическую безопасность, оборонную сферу, образование, быт, развлечения и др. При этом растет востребованность знаний о природе, качественного естественно-научного образования, устойчивость и динамичность экономики, которая все больше ба­зируется на интеллектуальных ресурсах, а не на сырьевых, энергетических, климатических и т.п.

Некото­рое представление об активности зарубежных компаний в области разработки и производства НМ может дать рис. 6.11.

Глобально в области физического материаловедения от НТ ожидают созда­ния принципиально новых материалов, способных сформировать новые потреб­ности и обеспечить их удовлетворение.

Ряд задач по созданию и совершенствованию конструкционных материалов вытекает из анализа причин отказов ответственных изделий. В качестве примера приведем данные об основных причинах аварий самолетов в послевоенное вре­мя. Всего было проанализировано около 6000 случаев. Из них отобраны только те, что связаны с повреждениями металлических деталей (табл. 6.2).

Из приведенных в этой таблице данных следует, что двумя главными тех­ническими причинами аварий являются различные виды усталости и коррозии. Отсюда можно сделать заключение о первоочередных задачах борьбы за надеж­ность воздушных судов и авиационного оборудования. Учитывая, что в конст­рукции Боинга имеется около 3 млн отверстий и около 0,5 млн болтов, упрочне­ние в области концентрации напряжений – одна из самых актуальных задач авиационного материаловедения.

 

Рис. 6.11. Распределение фирм – производителей нанопродуктов по характеру выпускаемой продукции (по состоянию на 2002 г.)

 

Таблица 6.2

Причины отказа	Доля случаев, %
Авиационное оборудование	Конструкция планера
Коррозия
Усталость
Хрупкое разрушение		-
Перегрузка
Высокотемпературная коррозия
Коррозионная усталость
Ползучесть		-
Износ (абразивный и эрозионный)

НТ может предложить ряд перспективных решений: объемное и поверхностное упрочнение за счет перевода традиционных материалов в наноструктурное состояние, разработка новых нанокомпозиционных материалов и покрытий, микроэлектромеханических устройств для навигации и управления полетами и многое другое. Так, лабораторные испытания показывают, что введение нанотрубок в размере 5 % от массовой доли увеличивает прочность некоторых алю­миниевых сплавов вдвое, а специальные антикоррозионные и износостойкие покрытия и смазочные средства - сопротивляемость коррозии и износу в не­сколько раз.

В то же время передовая авиационная наука сама по себе является генератором новых идей и технологий, которые могут быть реализованы методами НТ. В частности, разрабатываются специальные покрытия для снижения:

- трения в газообразных и жидких средах;

- теплопередачи;

- льдообразованиях;

- заметности для радаров и ракет с инфракрасными головками наведения;

- повышение усталостной прочности;

- повышение жаростойкости и др.