Влияние сверхтвердой углеродной пленки нанометровой толщины, полученной импульсным вакуумно-дуговым методом, на микротвердость композиции "покрытие-подложка" Дручинина Оксана Александровна
Диссертация - 15у.е., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников
Автореферат - 6 у.е., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья
Дручинина Оксана Александровна. Влияние сверхтвердой углеродной пленки нанометровой толщины, полученной импульсным вакуумно-дуговым методом, на микротвердость композиции "покрытие-подложка" : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.07.- Белгород, 2006.- 148 с.: ил. РГБ ОД, 61 06-1/518
Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 12
1.1. Методы изучения механических свойств (твердости) материалов и 12
микротвердости тонких вакуумных покрытий
1.1.1. Физические основы твердости материалов 12
1.1.2. Статические методы определения микротвердости 14
1.1.3. Метод непрерывного вдавливания индентора (метод 17 кинетической микротвердости)
1.1.4. Динамический метод определения твердости материалов 20
1.1.5. Измерение твердости методом скрайбирования
1.2. Особенности поведения материалов в процессе деформирования 23
при микроиндентировании
1.2.1. Виды деформированного состояния твердых тел при нагружении
1.2.2. Деформирование материалов при сосредоточенном нагружении 27
1.2.3. Микромеханизмы межузельной (краудионной) пластичности при индентировании
1.2.4. Деформирование аморфных материалов в процессе микроиндентирования
1.2.5. Разрушение хрупких материалов при индентировании 33
1.3. Взаимосвязь механических характеристик покрытий (микротвердости) со структурными особенностями углеродных конденсатов, получаемых в условиях ионной бомбардировки на холодных подложках
1.3.1 .Аллотропные модификации углерода. Аморфный углерод. 3 6
1.3.2. Свойства алмазоподобных покрытий
1.3.3. Влияние условий осаждения на структуру, фазовый состав и свойства алмазоподобных пленок углерода
1.3.4. Исследование микротвердости углеродных покрытий при изменении основных параметров процесса конденсации
1.4. Моделирование процесса взаимодействия индентора с поверхностью твердого тела при индентировании
1.4.1 Математическое описание процесса индентирования твердых тел и тел с покрытиями
1.4.2. Компьютерное моделирование процесса индентирования 58
1.4.2.1. Моделирование методом молекулярной динамики 58
1.4.2.2. Использование метода конечных элементов 59 Выводы к главе 1 63
Глава 2. Моделирование процесса микроиндентирования системы «пленка - подложка»
2.1. Кинематическая модель индентирования системы «пленка-подложка»
Выводы к главе 2 74
Глава 3. Аналитическое исследование влияния толщины сверхтвердого алмазоподобного покрытия на микротвердость композиции
3.1. Теоретическое исследование влияния сверхтвердого углеродного покрытия толщиной 100-1000 нм на микротвердость системы «пленка - подложка»
3.2. Компьютерное моделирование процесса индентирования подложки с покрытием
Выводы к главе 3 83
Глава 4. Экспериментальное исследование влияния сверхтвердых углеродных покрытий нанометровой толщины на микротвердость системы «пленка - подложка»
4.1. Особенности метода получения углеродных алмазоподобных покрытий
4.2. Экспериментальное оборудование, материалы и методики исследований
4.2.1. Описание исследуемых образцов, особенности их подготовки перед нанесением углеродного покрытия
4.2.2. Экспериментальная установка УВНИПА 1-001 87
4.2.3. Сканирующий зондовый микроскоп «Смена-А» 89
4.3. Анализ влияния сверхтвердых углеродных покрытий на микротвердость пластичных подложек
4.3.1. Исследование микротвердости образцов жесткого диска методом микроиндентирования
4.3.2. Влияние толщины углеродного покрытия, полученного при оптимальных условиях конденсации, на величину микротвердости поверхности жесткого диска
4.3.3. Исследование механических свойств системы «сверхтвердое покрытие - пластичная подложка» методом наноиндентирования
4.4. Исследование влияния толщины пленки на микротвердость системы «стальная подложка - углеродное алмазоподобное покрытие»
4.4.1. Исследование микротвердости образцов стали 12Х18Н10Т методом микроиндентирования
4.4.2. Влияние толщины алмазоподобной пленки, полученной при оптимальных условиях конденсации, на величину микротвердости системы «сверхтвердое углеродное покрытие - пластичная подложка»
4.5. Сравнение расчетных и экспериментальных значений микротвердости системы «углеродная пленка - пластичная подложка»
Выводы к главе 4 115
Глава 5. Восстановление деформированной при поверхности пластичной подложки с углеродным алмазоподобным покрытием.
117 5.1. Влияние толщины углеродной пленки на процесс восстановления деформированной при микроиндентировании поверхности подложки с покрытием
Выводы к главе 5 123
Заключение 124
Использованная литература 125
Приложения
Введение к работе
Актуальность темы. Ионно-плазменные методы обработки поверхности и технология нанесения покрытий в вакууме с использованием низкотемпературной плазмы открывают новые возможности для модифицирования поверхности различных изделий с целью улучшения их служебных характеристик (микротвердости, снижения коэффициента трения, повышения термостойкости и т.д.), определяющих срок службы любого изделия. Наиболее важным преимуществом данных методов является относительно невысокая температура обработки, не превышающая температуру разупрочнения материала изделия.
Сверхтвердые углеродные покрытия, формируемые в результате конденсации ускоренных частиц углерода на подложке, привлекают особое внимание исследователей, поскольку по своим физико-механическим характеристикам близки к природному алмазу и являются наиболее перспективными из всех видов покрытий для использования в нанотехнологиях. В последние годы во всем мире значительно вырос интерес к вакуумно-дуговым методам получения углеродных пленок. Это подтверждается большим количеством научных исследований и публикаций, а также повышенным интересом к этой технологии отечественных и западных компаний. К примеру, сверхтонкие (порядка нескольких нанометров) и сверхтвердые пленки углерода, получаемые вакуумно-дуговым методом, предлагается использовать для защиты тонкого магнитного слоя жестких дисков компьютеров, толщина которого уменьшается по мере повышения емкости накопителей. Перспективной областью использования углеродных конденсатов является твердотельная электроника, а также защита голографического и дифракционного микрорельефа.
Анализ литературы показывает, что определение микротвердости пленок малой толщины методом микроиндентирования является весьма сложной технической задачей, поскольку соблюдение соответствующих правил приводит к большим ошибкам при измерениях. Учитывая, что в процессе испытания глубина проникновения индентора превышает толщину покрытия, получаемые экспериментально значения в этом случае соответствуют микротвердости композиции «пленка-подложка». Исследование влияния сверхтвердых покрытий малой толщины на микротвердость композиции с использованием метода микроиндентирования требует проведения большого объема исследовательских работ для получения достоверного результата применительно к системе «углеродная пленка - пластичная подложка».
В научной литературе недостаточно данных об оценке влияния нанометровых углеродных покрытий на величину микротвердости системы «сверхтвердая пленка - пластичная подложка», а также отсутствует и теоретически обоснованный подход к задаче расчета микротвердости такой композиции при известной величине микротвердости подложки, толщине пленки и свойствах системы. Поэтому возникает необходимость в разработке модели индентирования системы «покрытие - подложка» для расчета твердости композиции, учитывающей все выше перечисленные величины. Кроме того, необходимы дополнительные исследования, направленные на изучение явления восстановления деформированной области вокруг отпечатка при микроиндентировании подложки с углеродным алмазоподобным покрытием.
Таким образом, тема исследований является актуальной как в научном, так и в ее прикладном аспекте.
Цель работы. Определение прочностных свойств поверхности пластичной подложки со сверхтвердой углеродной пленкой нанометровой толщины методом микроиндентирования. Научная новизна работы.
1. Разработана кинематическая модель индентирования системы «сверхтвердая пленка - пластичная подложка» и получено аналитическое выражение для расчета микротвердости данной композиции, позволяющее оценить влияние сверхтвердого покрытия нанометровой толщины на прочностные свойства системы.
2. При использовании аналитического выражения для микротвердости композиции произведен расчет значения микротвердости системы «углеродная алмазоподобная пленка - пластичная подложка» в зависимости от толщины покрытия и определены границы применимости метода микроиндентирования.
3. Экспериментально методом микроиндентирования установлено, что углеродное алмазоподобное покрытие толщиной 100 - 1000 нм вносит существенный вклад в величину микротвердости системы «пленка -подложка», а экспериментальные зависимости микротвердости системы от толщины покрытия в пределах допустимых разбросов совпадают с расчетными значениями.
4. Обнаружено явление восстановления деформированной в процессе микроиндентирования поверхности пластичной подложки с углеродным алмазоподобным покрытием после прекращения внешнего воздействия. Установлено, что на время восстановления деформированной при микроиндентировании поверхности подложки и характер его протекания влияет толщина углеродного алмазоподобного конденсата.
Практическая ценность работы.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные в работе, могут быть использованы для оценки прочностных свойств поверхности различных изделий при модифицировании ее путем нанесения углеродных алмазоподобных пленок нанометровой толщины. Обнаруженное явление восстановления подложки с покрытием в дальнейшем может быть использовано для оценки общей деформации системы "сверхтвердая пленка - пластичная подложка" при индентировании, а также для корректировки методики измерения микротвердости такой композиции.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
1. Кинематическая модель индентирования системы «сверхтвердая пленка - пластичная подложка», в которой при расчете микротвердости композиции учитываются свойства подложки, покрытия и его толщина.
2. Данные расчетов микротвердости композиции «углеродная пленка -подложка», полученных на основе кинематической модели при толщине покрытия 100 - 1000 нм, и результаты компьютерного моделирования процесса индентирования.
3. Результаты экспериментального исследования микротвердости системы «углеродное алмазоподобное покрытие - пластичная подложка» в диапазоне толщины пленок 100 - 1000 нм.
4. Результаты исследования явления восстановления деформированной в процессе микроиндентирования поверхности пластичной подложки с алмазоподобным углеродным покрытием в зависимости от толщины пленки.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях:
• IX Межгосударственной конференции «Радиационная повреждаемость и конструкционная способность материалов». - Белгород, 2001.
• Международная молодежная научная конференция «XXXI Гагаринские чтения». - Москва: МАТИ, 5-9 апреля, 2005.
• XV Петербургские чтения по проблемам прочности, г.С-Петербург, 2005г.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в шести статьях. Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.
В первой главе дан обзор литературы, в которой рассмотрены: физические основы твердости (микротвердости) материалов, методы определения микротвердости покрытий и существующие способы расчета микротвердости пленок. Кроме того, описаны особенности поведения твердых тел в процессе деформирования при микроиндентировании.
В главе также рассмотрены вопросы полиморфизма углерода, отмечено влияние условий осаждения на свойства углеродных алмазоподобных пленок, получаемых импульсным вакуумно-дуговым методом; представлены результаты исследования микротвердости углеродных покрытий при изменении основных параметров процесса конденсации.
Далее представлены способы математического описания и методы компьютерного моделирования процесса взаимодействия индентора с поверхностью твердых тел и тел с покрытиями.
Во второй главе на основе кинематического подхода приведен анализ процесса микроиндентирования системы «пленка - подложка» и получено аналитическое выражение для расчета микротвердости композиции, позволяющее оценить влияние сверхтвердого покрытия нанометровой толщины на прочностные свойства системы.
В третьей главе представлены результаты расчета микротвердости системы «углеродная алмазоподобная пленка - пластичная подложка» в зависимости от толщины покрытия для двух различных типов подложек и результаты компьютерного моделирования индентирования подложки без покрытия и со сверхтвердым покрытием.
Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию влияния сверхтвердых углеродных покрытий нанометровой толщины, полученных при оптимальных условиях конденсации, на микротвердость системы «пленка - подложка». Экспериментально методом микроиндентирования установлено, что углеродное алмазоподобное покрытие толщиной 100 - 1000 нм вносит существенный вклад в величину микротвердости системы «пленка - подложка», а экспериментальные зависимости микротвердости системы от толщины покрытия в пределах допустимых разбросов совпадают с расчетными значениями.
Пятая глава посвящена исследованию обнаруженного явления восстановления деформированной в процессе микроиндентирования поверхности пластичной подложки с углеродным алмазоподобным покрытием после прекращения внешнего воздействия.
В заключении приводятся основные выводы.
