WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Для сравнения значений твердости, полученных разными методами, в качестве опорного принималось значение твердости материалов, измеренное по стандартной методике микротвердомером ПМТ-3 индентором Виккерса при нагрузке 20 г. Измеренные числа твердости пересчитывались в физических единицах по формуле:

H = 0,0106 HV, ( 6 ) где HV – значения микротвердости материалов по методу Виккерса.

Образцы были исследованы описанными в диссертационной работе методами. Поверхность материалов подготавливалась до шероховатости Ra не более 5 нм и контролировалась путем сканирования поверхности нанотвердомером «НаноСкан-3D» в режиме СЗМ перед проведением измерений. Все эксперименты проводились на одном приборе с одним и тем же зондовым датчиком и одним алмазным индентором Берковича.

На основании проведенных экспериментов было установлено, что метод наноиндентирования дает завышенные значения твердости на материалах, образующих большие навалы при внедрении индентора (металлы, сапфир). Этот эффект усиливается при малых глубинах внедрения индентора, что связано с увеличением вклада навалов в общую площадь отпечатка.

При учете навалов по периметру отпечатка с помощью разработанного алгоритма, описанного в главе 3 (раздел 2), значения твердости для большинства материалов, рассчитанные по методу восстановленного отпечатка, приближаются к значениям микротвердости. Однако, при малых глубинах внедрения индентора данный метод дает завышенные значения твердости вследствие значительного упругого восстановления отпечатка.

В методе склерометрии, также как и в методе восстановленного отпечатка, происходит учет вклада навалов. Тем не менее, значения твердости оказываются завышенными, поскольку не учитывается упругое восстановление ширины царапины. Однако, этот эффект проявляется в меньшей степени, чем у метода восстановленного отпечатка.

Сравнение экспериментальных данных, полученных разными методами, позволило сделать следующие выводы: наблюдается хорошее соответствие результатов измерений твердости, полученных всеми рассмотренными методами в широком диапазоне измеряемых значений, а также для большого диапазона глубин внедрения индентора (рисунок 5). В то же время, различие абсолютных измеренных значений для некоторых материалов может быть значительным (таблица 1). Это связано с особенностями упругопластического поведения материалов при внедрении индентора.

Таблица 1 – Значения твердости, измеренные разными методами Сканирующий нанотвердомер Микро- Значения «НаноСкан-3D» Шерохо- твердость твердости, Твердость, ГПа ватость по ГОСТ пересчиОбразец Структура Глубина внедрения индентора 200 нм Ra 9450-76 танные по Восстановнм ПМТ-3 формуле (6), Нано- Склероленный HV 0,02 ГПа индентирование метрия отпечаток Плавленый 0,8 Аморфный 896 ± 38 9,5 ± 0,4 9,5 ± 0,3 9,5 ± 0,5 9,5 ± 0,кварц Молибден 4,5 Металл 245 ± 19 2,6 ± 0,2 5,1 ± 0,5 2,7 ± 0,3 3,6 ± 0,Титан 2,5 Металл 274 ± 19 2,9 ± 0,2 5,4 ± 0,4 3,4 ± 0,3 4,3 ± 0,Вольфрам 4,7 Металл 566 ± 28 6,0 ± 0,3 8,7 ± 0,6 6,5 ± 0,4 6,5 ± 0,Стекло 0,9 Аморфный 640 ± 28 6,8 ± 0,3 8,0 ± 0,4 6,7 ± 0,4 7,9 ± 0,оптическое К-ПолуГерманий 1,2 660 ± 100 7,0 ± 1,0 11,1 ± 0,8 8,5 ± 0,5 8,6 ± 0,проводник Алюминий 3,7 Металл 28 ± 9 0,3 ± 0,1 0,6 ± 0,1 0,3 ± 0,1 0,3 ± 0,(99,5%) ИонноСапфир, 0,7 ковалентный 2075 ± 104 22,0 ± 1,1 27,0 ± 2,0 23,0 ± 2,0 28,0 ± 2,грань [0001] кристалл У плавленого кварца практически отсутствует эффект образования навалов, нет тенденции к образованию поверхностного упрочненного слоя и, как следствие, не наблюдается зависимости измеряемой твердости от глубины. Поэтому данный материал часто используется в качестве меры твердости при калибровке измерений, а также как мера сравнения для методов склерометрии.

Для металлов эффект упругого восстановления минимален, но сильное влияние при измерениях оказывают пластические навалы.

Поэтому при измерении твердости металлических материалов на наномасштабе наиболее эффективно применение методов, в которых предусмотрена визуализация отпечатков, в частности, метод восстановленного отпечатка и метод склерометрии.

Рисунок 5 – Зависимости значений твердости от глубины внедрения индентора, полученные разными методами, на примере вольфрама.

Рисунок 6 – Значения твердости, измеренные на нано- и микромасштабе. Материал: сапфир (грань [0001]).

В процессе выполнения эксперимента было проведено исследование прослеживаемости значений твердости от микро- до наномасштаба. Результаты экспериментов демонстрируют, что значения твердости в наномасштабе при учете особенностей упругопластической деформации материала достаточно хорошо согласуются со значениями микротвердости, полученными методом микроиндентирования на приборе ПМТ-3 (рисунок 6).

В разделе 1 шестой главы описаны результаты исследований нового конструкционного материала, разработанного в ФГУ ТИСНУМ. Материал представляет собой наноструктурированный композиционный сплав на основе промышленного алюминиевого сплава, легированного фуллереном С60. В работе исследовались наноструктурированные образцы с концентрацией фуллерена от 0 до 5 %, а также исходный промышленный алюминиевый сплав без наноструктурирования.

Материалы были получены с помощью механоактивационной обработки исходного крупнозернистого порошка алюминиевого сплава и определенного количества (от 1 до 5 весовых процентов) порошка фуллерена в планетарной мельнице АГО-2У с последующим спеканием полученной композиции при давлении 500 МПа температуре 310°С в течении 5 минут.

Наличие фуллерена С60 и связи алюминий-фуллерен в исходных порошках, полученных после механоактивационной обработки, а также в получаемых материалах после спекания порошков подтверждалось исследованиями с помощью рамановской спектроскопии на спектрометре TRIAX 552 (Horiba Jobin Yvon).

Размеры нанокристаллов Al в исходных порошках Al-C60 и в спеченных образцах материалов исследовались с помощью рентгеновской спектроскопии на рентгеновском дифрактометре ARL X'TRA (ThermoFisher Scientific), а также с помощью просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе высокого разрешения JEM 2010 (JEOL).

Измерение механических свойств производилось на сканирующем нанотвердомере «НаноСкан-3D» описанными в диссертационной работе методами. Для сравнения получаемых значений измерения твердости проводились на микротвердомере ПМТ-3 индентором Виккерса по стандартной методике (ГОСТ 945076), а измерения модуля упругости производились на акустическом микроскопе.

Перед измерениями поверхность каждого образца сканировалась в режиме СЗМ для определения шероховатости, а также наличия структурных особенностей и поверхностных дефектов.

На поверхности образцов с 3 % и 5 % фуллерена наблюдаются особенности в виде сферических частиц диаметром от 1 до 3,5 мкм и высотой от 30 до 100 нм. На поверхности остальных образцов какихлибо особенностей выявлено не было.

Средние значения механических свойств материалов, измеренных разными методами, представлены в таблице 2.

Результаты измерения твердости показывают общую тенденцию к увеличению значения твердости с увеличением концентрации С60. Метод наноиндентирования дает завышенные значения по сравнению с другими методами вследствие образования больших навалов по периметрам отпечатков, выявленных после получения их изображений. Значения, полученные остальными методами, достаточно хорошо согласуются между собой.

Увеличенный разброс измеренных значений твердости для образцов с 3% и 5% фуллерена объясняется наличием на поверхности включений диметром 1–3,5 мкм, которые вносят погрешность в определение площади контакта индентора с материалом (рисунок 7). В данном случае метод склерометрии позволяет уменьшить этот эффект путем усреднения результатов в рамках одного измерения.

Таблица 2 – Значения механических свойств образцов Твер- Сканирующий нанотвердомер Модуль дость «НаноСкан-3D» упругости ГПа ГПа Твердость, ГПа Модуль Материал Микротв АкусНаноупругосВосстаердомер тический инден- Склероновленный ти ПМТ-3 микротирова- метрия отпечаток ГПа (50 г) скоп ние Al (99,5%) 0,3 ± 0,1 0,4 ± 0,1 0,3 ± 0,1 0,3 ± 0,1 70 ± 3 70 ± Сплав 1430 1,1 ± 0,2 2,8 ± 0,1 1,2 ± 0,1 1,3 ± 0,1 83 ± 3 79 ± Сплав 2,4 ± 0,2 3,6 ± 0,1 2,7 ± 0,1 2,9 ± 0,1 79 ± 2 76 ± + 0% ССплав 3,1 ± 0,2 4,7 ± 0,1 3,0 ± 0,1 3,1 ± 0,1 80 ± 2 80 ± + 1% ССплав 3,2 ± 0,2 4,7 ± 0,3 3,3 ± 0,3 3,1 ± 0,1 81 ± 3 81 ± + 3% ССплав 4,1 ± 0,2 4,9 ± 0,3 3,9 ± 0,3 3,7 ± 0,1 85 ± 3 83 ± + 5% С Наноструктурирование исходного порошка алюминиевого сплава 1430 вызывает увеличение твердости получаемого материала в 2 раза по сравнению с твердостью исходного немодифицированного сплава и почти в 10 раз по сравнению с твердостью высокочистого алюминия.

Легирование наноструктурированного алюминиевого сплава 1430 фуллереном в концентрации от 1 до 5 весовых процентов приводит к увеличению твердости материала в 2,5–3,5 раза и незначительному увеличению модуля упругости по сравнению с исходным немодифицированным сплавом.

а) б) Рисунок 7 – Влияние включений на поверхности образца Al 3 % Cна площадь контакта индентора с материалом.

а) отпечаток, нагрузка 5 мН; б) царапина, нагрузка 5мН.

Обзор существующих на сегодняшний день работ показал, что увеличение твердости алюминиевого сплава при легировании его фуллереном может происходить по нескольким причинам. Основной из них может являться уменьшение размеров кристаллов алюминия с увеличением концентрации фуллерена в сплаве. Однако прямое сравнение материалов легированных и нелегированных фуллереном с одинаковым размером кристаллов алюминия невозможно из-за увеличения размеров кристаллов алюминия при рекристаллизации нелегированных образцов. Процессы упрочнения материала Al-Cпри легировании фуллереном требуют дальнейшего изучения.

Таким образом, изменяя концентрацию фуллерена С60 в исходном порошке, можно варьировать механические свойства получаемого наноструктурированного композиционного материала на основе промышленного алюминиевого сплава.

В разделе 2 шестой главы описаны результаты исследований функциональных покрытий на основе алмазоподобных углеродных (diamond-like carbon, DLC) тонких пленок.

Алмазоподобные покрытия являются перспективным способом защиты поверхностей для увеличения их твердости и износостойкости. Благодаря своим механическим свойствам, в настоящее время алмазоподобные покрытия широко используются в машиностроении, электронной технике, медицине и многих других областях.

Были исследованы образцы покрытий, полученных методом отфильтрованного пульсирующего дугового разряда: алмазоподобные покрытия различной толщины (DLC-1, -2, -3) и гибридное алмазоподобное покрытие (DLC-PDMS с полидиметилсилоксаном) на подложках из монокристаллического кремния. Последнее покрытие отличается лучшей по сравнению с остальными пленками адгезией.

Шероховатость поверхности и толщина покрытия исследовались с помощью сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-3D». Твердость, модуль упругости и коэффициент упругого восстановления измерялись методом ИДИ. Испытание царапанием применялось для измерения твердости. Толщина пленок определялась по СЗМ изображению области отслоения пленки.

Измеренные значения механических свойств приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Механические свойства образцов.

Склерометрия Наноиндентирование (ИДИ) Обра- Ra, t, HSCR, hSCR, НNI, Е, R, hC, зец нм нм ГПа нм ГПа ГПа % нм 180 DLC-1 11 23 ± 2 11 42 ± 5 95 ± 5 ±10 ±430 DLC-2 54 23 ± 2 35 29 ± 3 90 ± 5 ±20 ±890 DLC-3 43 20 ± 2 60 33 ± 3 85 ± 5 ±30 ±DLC- 180 6 8 ± 1 13 11 ± 1 60 ± 5 PDMS ±20 ±Примечания 1 t – толщина пленки 2 НSCR – твердость, измеренная методом склерометрии 3 hSCR – средняя глубина внедрения индентора при царапании 4 НNI – твердость, измеренная методом ИДИ 5 Е – модуль упругости, измеренный методом ИДИ 6 R – упругое восстановление по методу ИДИ 7 hC – контактная глубина внедрения при индентировании При измерении твердости тонких пленок для исключения влияния подложки требуется обеспечить пластическую деформацию материала при внедрении индентора на глубину не более 10 % от толщины пленки. Для исследованных образцов глубина индентирования не должна была превышать нескольких десятков нанометров. В то же время все исследованные в работе образцы пленок характеризуются высокими значениями предела текучести, что приводит к преобладанию упругой деформации пленки под индентором на глубинах до нескольких десятков нанометров. При глубинах внедрения индентора до 100 нм коэффициент упругого восстановления лежит в диапазоне от 60 до 95 %. Вследствие этого пластическая деформация может составлять единицы нанометров, что сопоставимо со значениями шероховатости и толщиной загрязненного поверхностного слоя. При таких масштабах пластической деформации корректное измерение твердости методом ИДИ невозможно. Условия измерения осложняются тем, что пленка является более твердой, чем подложка. Для такой системы из стандартных данных наноиндентирования невозможно выделить реакцию пленки без влияния подложки.

а) б) Рисунок 8 – Наноразмерные царапины на алмазоподобном покрытии DLC-1. а) трехмерное СЗМ-изображение; б) профиль сечения царапин.

Метод склерометрии имеет ряд преимуществ перед методами вдавливания при измерении твердости тонких алмазоподобных пленок на наномасштабе. Основным из них является возможность определить нагрузку, при которой начинается пластическая деформация, т.е. появляется видимый на поверхности покрытия след царапины, который может быть устойчиво измерен (рисунок 8).

Применение метода склерометрии позволило корректно измерить твердость алмазоподобных пленок и получить данные, не зависящие от толщины покрытия в диапазоне от 100 до 900 нм, что важно при разработке технологии нанесения таких покрытий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В результате исследований, проведенных с помощью сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-3D», 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-3D» для измерения силы и линейных размеров. Алгоритмы разработанных методик могут применяться для калибровки оборудования аналогичного типа.

2) На базе сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-3D» 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:

Pages:     | 1 | 2 || 4 |



© 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.