WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

На рис. 7, a показано изображение отпечатка пирамиды Виккерса при нагрузке 50 g в пленке Ti-B-N (2), Рис. 4. Фрактограмма излома пленки Ti-Cr-B-N после царапанья поверхности алмазной пирамидой. полученное с помощью атомно-силового сканирующего микроскопа. В системе Ti-B-N во всем диапазоне исследованных нагрузок образования полос сдвига и радиальных трещин не наблюдалось, что свидетельствует о гомогенном характере деформации пленок.

Из анализа строчных разверток вертикального сечения отпечатков индентора (рис. 7, b) следует, что рельеф поверхности пленок внутри области деформации и шероховатость исходной поверхности пленок имеют Таблица 3. Типы деформации наноструктурных тонких пленок (литературные данные) Тип Морфология Литературная Состав структуры ссылка Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение отпечатка Гомогенная деформация пирамиды Виккерса в пленке Ti-Cr-B-N при нагрузке 25 g.

TiN NaCl Столбчатая [9] (Ti,Al)N NaCl —”— [11–13] Ti(B,N) AlB2 —”— [11–13] играющей важную роль при деформации. На рис. Негомогенная деформация приведена фрактограмма излома пленки Ti-Cr-B-N TiB2 AlB2 Частично столбчатая [9] после царапанья поверхности алмазным индентором.

или глыбообразная При деформации хорошо проявляется столбчатая струкAlN ZnS То же [11–13] тура, геометрия которой коррелирует с топографией поверхности пленки. При этом видно, что деформация осуществляется путем скольжения друг относительно друга Таблица 4. Образование полос сдвига и вытолкнутых наружу отдельных колонн или столбчатых элементов структуры частиц (ВНЧ) в области локализованной деформации (СЭС), состоящих в свою очередь из большого числа кристаллитов.

10 g 25 g 50 g Cостав Полосы Полосы Полосы пленок ВНЧ ВНЧ ВНЧ сдвига сдвига сдвига 2. Локализация деформации тонких пленок Ti-B-N (1) - + - + Ti-B-N (2) - - - - - Для фрактографических исследований были выбраны Ti-Cr-B-N + + + + + + пленки, различающиеся типом структуры, размером и Ti-Si-N - - + - + + Cr-B - - - - + + морфологией зерен (табл. 1), что обусловлено ранее Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Особенности структуры и физико-механических свойств наноструктурных тонких пленок практически один масштаб. Это свидетельстует о том, что механизм локализованной деформации осуществляется путем скольжения СЭС параллельно приложенной нагрузке. Этот вывод иллюстрирует АСМ-изображение отпечатка пирамиды Виккерса (рис. 8). Видно, что Рис. 7. АСМ-изображение (a) и строчные развертки областей локализованной деформации (b) в пленках Ti-B-N при индентировании пирамидой Виккерса с нагрузкой 50 (a); 10 и 25 g (b).

происходит кооперативное смещение столбчатых зерен параллельно приложенной нагрузке, причем по ширине каждой ступеньки сдвига укладываются 1-3 колонны.

Форма торцов колонн при деформации не изменяется и топография поверхности пленки внутри отпечатка идентична топографии поверхности пленки.

Следует обратить внимание на появление на террасах ступенек вытолкнутых наружу частиц (ВНЧ), что также Рис. 6. AСМ-изображения участков локализованной деформаотмечалось в работе [12], хотя объяснение этого явления ции пленки Ti-Cr-B-N при индентифицировании пирамидой отсутствовало. Размер этих образований (100-200 nm) Виккерса с нагрузкой 10 (a), 25 (b), 50 g (c). Вытолкнутые наружу частицы показаны стрелками. хорошо коррелирует с размером отдельных островков Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1128 Д.В. Штанский, С.А. Кулинич, Е.А. Левашов, J.J. Moore нагрузки следует, что оба механизма деформации осуществляются путем скольжения СЭС (отдельных зерен или мультизеренных объемов материала) параллельно приложенной нагрузке. Совокупность полученных результатов свидетельствует о том, что зернограничное скольжение является основным механизмом деформации в обоих случаях. В случае негомогенной деформации происходит кооперативное смещение СЭС вследствие более сильной энергии связи между колоннами. Деформация протекает с сохранением объема и сопровождается выталкиванием деформированного материала наружу (образование наплыва) и/или упругим сжатием. При снятии нагрузки отдельные СЭС могут выталкиваться наружу вследствие релаксации упругих напряжений или обратной пластичности, при этом появляются ВНЧ, наблюдаемые на рис. 6 и 7, a.

Рис. 8. Фрактограмма излома пленки Ti-Si-N при инденти3. Физико-механические свойства ровании пирамидой Виккерса с нагрузкой 25 g.

Значения твердости, модуля упругости и упругого восстановления пленок приведены в табл. 2. Глубина проникновения индентора при всех используемых нана поверхности исходных пленок, наблюдаемых при грузках не превышает 15% толщины пленки. Максимальпроведении топографических исследований, что свиденая твердость (42 GPa) была зафиксирована у пленки тельствует о выталкивании отдельных СЭС наружу при Ti-B-N (2). Модуль Юнга для покрытий в этой системе снятии нагрузки. Таким образом, ВНЧ на террасах изменялся в пределах 250-300 GPa, что значительно ступенек, по-видимому, являются вершинами отдельных ниже, чем у объемных соединений TiN и TiB2 [23].

СЭС (столбчатых зерен или объемов материала).

Пленки Ti-B-N также обладали максимальной величиРанее предполагалось [9,11,12], что гомогенная дефорной упругого восстановления (77-81%) и минимальной мация может протекать только в пленках со столбчатой пластической деформацией (23-19%). Отметим, что структурой, однако данный тезис не нашел подтверобразование полос сдвига наблюдалось только у пленок ждения в настоящей работе. При отсутствии четко с большой величиной пластической деформации.

выраженной столбчатой структуры (пленки Ti-B-N) на Важным преимуществом многокомпонентных нанофрактограммах отпечатка пирамиды Виккерса периодиструктурных пленок является то, что можно получать ческие участки пластической деформации в виде ступесверхтвердые материалы с одинаковой твердостью, но нек не наблюдались. Анализ результатов (табл. 1 и 2) различным значением модуля Юнга (табл. 5). Это свидетельствует о том, что ни один из отдельно взятых означает, что тонкие пленки с одинаковой твердостью параметров структуры или механических характеристик различаются упругой деформацией разрушения (H/E) не является определяющим с точки зрения механизма и сопротивлением пластической деформации (H3/E2).

деформации. В то же время установлено, что величина Их упругие характеристики также могут значительно H3/E2, являющаяся показателем стойкости материала к пластической деформации [6,21], позволяет прогнози- отличаться. Сочетание высокой твердости и упругого восстановления свидетельствует об уникальности многоровать образование полос сдвига при локализованной компонентных наноструктурных пленок как новых твердеформации: образование ступенек происходит лишь дых и в то же время эластичных материалов. Важно и то, в случае низких значений параметра H3/E2. Это следует что разные материалы могут обладать практически одииз теоретического анализа, выполненного в работе [22], наковыми механическими характеристиками (например, где при оценке нагрузки P, необходимой для начала пленки Ti-Zr-C-OиTi-B-N, табл. 5). Таким образом, пластической деформации, когда недеформируемый шар можно получать сверхтвердые покрытия с различным радиуса r вдавливается в полубесконечное твердое тело, сочетанием упругих и пластических характеристик, что было получено выражение P = 0.78r2(H3/E2). Отметим, позволяет легко подбирать покрытия для конкретных что пластическая составляющая в случае негомогенно деформированных покрытий выше, чем в случае по- целей и задач.

крытий Ti-B-N, где образования полос ступеней не Вопрос о том, какими должны быть величины E и наблюдалось (параметр We в табл. 2). Таким образом, We с точки зрения получения высокой износостойкости из сопоставления топографии поверхности пленок до материала, пока остается открытым и требует дополнидеформации и рельефа поверхности пленок внутри отпе- тельного изучения. Одним из бесспорных преимуществ чатка пирамиды Виккерса с размером ВНЧ после снятия пленок с низким модулем упругости является их лучшее Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Особенности структуры и физико-механических свойств наноструктурных тонких пленок Таблица 5. Сравнение твердости, модуля упругости и упругого восстановления многокомпонентных пленок, полученных в настоящей работе, с литературными данными Состав Твердость Модуль Упругое восста- Литературная H3/E2, GPa пленок H, GPa упругости E, GPa новление, We, % ссылка Ti-Si-N 42.3 273 78 1.Ti-Zr-C-O 41.9 289 77 0.Ti-B-N 42.0 300 77 0.Ti-Ca-C-O 41.4 325 68 0.Ti-Al-N 41.9 397 74 0.46 [24] Ti-Mo-N 43.0 442 68 0.41 [25] соответствие стальным подложкам (E = 205 GPa), что [10] S. Vepek, S. Reiprich. Thin Solid Films 268, 1–2, 64 (1995).

приводит к минимизации упругих напряжений на грани- [11] R.A. Andrievski, G.V. Kalinnikov, D.V. Shtansky. In: Nanophase and Nanocomposite Materials III / Ed. S. Komarneni, це раздела покрытие/подложка и внутренних остаточных Y. Parker, H. Hahn. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (2000). V. 581.

напряжений в системе. Это в свою очередь может P. 583.

приводить к существенному уменьшению износа [6].

[12] R.A. Andrievski, G.V. Kalinnikov, J. Jauberteau, J. Bates.

Таким образом, установлено, что осажденные методом J. Mater. Sci. 35, 11, 2799 (2000).

магнетронного распыления многокомпонентные нано[13] R.A. Andrievsky, G.V. Kalinnikov. Surf. Coat. Technol.

структурные пленки обладают либо четко выраженной, 142–144, 573 (2001).

либо скрытой столбчатой структурой, которая играет [14] D.V. Shtansky, S.A. Kulinich, E.A. Levashov, A.N. Sheveiko, важную роль и наглядно проявляется при деформации.

F.V. Kiriuhancev, J.J. Moore. Thin Solid Films 420–421C, Локализованная деформация наноструктурных тонких (2002).

[15] В.А. Мовчан, А.В. Демчишин. ФММ 83, 83 (1969).

пленок может протекать как гомогенно, так и него[16] J.A. Thornton. J. Vac. Sci. Technol. 11, 4, 666 (1974).

могенно с образованием полос сдвига. Для прогнози[17] Е.А. Левашов, А.С. Рогачев, В.И. Юхвид, И.П. Боровинрования склонности материала к образованию полос ская. Физико-химические и технологические основы сасдвига при деформации может использоваться параметр мораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

H3/E2, описывающий сопротивление материала пластиБИНОМ, М. (1999). 176 с.

ческой деформации. Оба механизма деформации осу[18] W.C. Oliver, G.M. Pharr. J. Mater. Res. 7, 6, 1564 (1992).

ществляются путем скольжения СЭС (отдельных зерен [19] H. Ljungcrantz, C. Engstrom, L. Hultman, M. Olsson, X. Chu, или мультизеренных объемов материала) параллельно M.S. Wong, W.D. Sproul. J. Vac. Sci. Technol. A 16, 5, приложенной нагрузке. В случае слабой химической (1998).

связи между соседними зернами отдельные СЭС могут [20] V.I. Trofimov, V.A. Osadchenko. Sov. J. Technol. 60, 8, (1993).

выталкиваться наружу в результате релаксации упру[21] T.Y. Tsui, G.M. Pharr, W.C. Oliver, C.S. Bhatia, R.L. White, гих напряжений при снятии нагрузки. Негомоненный S. Anders, A. Anders, I.G. Brown. Mater. Res. Soc. Symp.

механизм деформации имеет кооперативную природу Proc. 383, 447 (1995).

смещения СЭС вследствие сильной энергии связи между [22] K.L. Johnson. Contact Mechanics. Ist ed. Cambridge Univerзернами.

sity Press, Cambridge (1985). P. 155.

[23] Р.А. Андриевский, Г.В. Калинников, Н.П. Кобелев, Я.М. Сойфер, Д.В. Штанский. ФТТ 39, 10, 1859 (1997).

Список литературы [24] J. Musil, H. Hrub. Thin Solid Films 365, 1, 104 (2000).

[25] J. Musil, F. Kunc, H. Zeman, H. Polkov. Surf. Coat. Technol.

[1] D.V. Shtansky, K. Kaneko, Y. Ikuhara, E.A. Levashov. Surf.

154, 2–3, 304 (2002).

Coat. Technol. 148, 2–3, 204 (2001).

[2] Д.В. Штанский, Е.А. Левашов. Изв. вузов. Цв. металлургия 3, 52 (2001).

[3] D.V. Shtansky, E.A. Levashov, A.N. Sheveiko, J.J. Moore.

J. Mater. Synth. Proc. 7, 3, 187 (1999).

[4] D.V. Shtansky, E.A. Levashov, A.N. Sheveiko, J.J. Moore.

J. Mater. Synth. Proc. 6, 1, 61 (1998).

[5] A. Niederhofer, P. Nesldek, H.-D. Mnnling, K. Moto, S. Vepek, M. Jlek. Surf. Coat. Technol. 120–121, 173 (1999).

[6] A. Leyland, A. Matthews. Wear 246, 1–2, 1 (2000).

[7] S. Vеpek. J. Vac. Sci. Technol. A 17, 5, 2401 (1999).

[8] J. Musil. Surf. Coat. Technol. 125, 1–3, 322 (2000).

[9] Р.А. Андриевский, Г.В. Калинников, Д.В. Штанский. ФТТ 42, 4, 741 (2000).

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып.

Pages:     | 1 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.