Specificul deformării plastice a structurilor de tip film/substrat la nanomicroindentare dinamică

Abstract

Scopul: Evidenţierea mecanismelor extrem de complicate de interacțiune ale filmelor de diferite grosimi cu substrat la acțiunea sarcinii concentrate, şi anume la nanomicroindentare, care fac parte din cele mai importante probleme contemporane în ştiinţa materialelor – aprofundarea cunoştinţelor în fizica proceselor de deformare a materialelor nanocristaline şi celor cu dimensiuni limitate. Obiectivele: cercetarea SA de tip „film-moale/substrat-moale” (MM) – structura Cu/LiF și „film-moale/substrat-dur”(MD) – Cu/MgO și Cu/Si obținute prin metoda de pulverizare magnetron cu diferite grosimi: nanometrice (t1=85 nm), submicronice (t2=470 nm) și micrometrice (t3=1000 nm); analiza dependențelor „sarcină-adâncime” P(h), „duritate-sarcină” H(P), „modulul Youngsarcină” E(P); vizualizarea rozetelor dislocaționale ale amprentelor pe substratul SA de tip Cu/substrat pentru a evidenția feedbackul substratului asupra parametrilor mecanici principali; Noutatea şi originalitatea ştiinţifică: în premieră au fost evidențiate structurile dislocaționale în substraturile SA Cu/LiF și Cu/MgO și s-a cercetat aportul substratului asupra parametrilor mecanici principali în dependență de valoarea sarcinii și de grosimea filmului. Au fost stabilite trei etape ale procesului de deformare a SA ”Cu/substrat”: 1. pentru β=h/t<0,5 – deformația plastică este concentrată nemijlocit în volumul filmului, în substrat se manifestă doar deformație elastică; 2. când 0,5<β≈1,0 – deformația se manifestă în film și în zona de influenţă reciprocă film-substrat, generând deformații plastice în substrat; 3. pentru β>1,0 – deformarea plastică se extinde în substrat, cuprinzând toate etapele tipice ale sistemului: film – zona de influenţă reciprocă – substrat. Problema ştiinţifică importantă soluţionată şi semnificaţia teoretică: au fost obținute dovezi directe la nivel dislocațional cu privire la fizica procesului de indentare a SA de tip film/substrat. A fost cercetat feedbackul substratului în procesul de deformare a SA la aplicarea sarcinii externe și identificată evoluția acestui proces în funcție de valoarea sarcinii. Valoarea aplicativă a lucrării: Din cercetarea evoluţiei structurilor dislocaţionale din jurul amprentelor de pe suprafaţa substratului în funcţie de P, h şi t, a fost stabilit mecanismul de deformare a SA. S-a constatat o regularitate comună, caracteristică tuturor sistemelor acoperite de tip „film/substrat”: duritatea complexă a SA este un parametru mecanic, compus din duritatea filmului și a substratului, aportul cărora treptat se modifică în dependenţă de valoarea sarcinii aplicate. Din dependenţele indicelui plasticităţii de sarcina P, H/E(P), a SA de tip Cu/substrat s-a demonstrat, că structurile „film-moale/substrat-moale” devin materiale cu valori mai înalte ale H/E comparativ cu indicele plasticității a cuprului şi substratului, la rândul sau, structurile create în baza combinaţiei „film-moale/substrat-dur” cedează substratului dur la valorile H/E, însă sunt superioare policristalului de Cu. Rezultatele științifice au fost implementate parțial în procesul instructiv-educativ la Universitatea Tehnică a Moldovei, Universitatea AȘM și în Laboratorul PMM „Iulia Boiarskaia” al IFA AȘM. A fost obținut act de implementare.

Цель: посвящена выяснению механизма взаимодействия пленок разной толщины с подложкой при наномикроиндентировании, что представляет собой одну из важных проблем современного материаловедения – углубление понимания физики процессов деформирования нанокристаллических и размерно-ограниченных материалов. Задачи работы: провести методом динамического индентировании в широком диапазоне нагрузок Pmax=(2÷900) мН детальные исследования механических свойств и специфики деформирования на дислокацонном уровне кристаллов LiF, MgO и Si – материалов-подложек для изготовления методом магнетронного распыления структур типа ММ (Cu/LIF) и МТ (Cu/MgO, Cu/Si), в зависимости от t пленки (t=85, 470, 1000 нм) и Pmax. Новизна и оригинальность: впервые были выявлены дислокационные розетки в подложке ПС Cu/LiF и Cu/MgO, показывающие момент начала обратной связи (feedback) подложки при индентировании и идентифицирована зависимость от величины приложенной нагрузки. Были установлены три основных этапа в процесе деформации ПС «Cu/подложка»: 1. β=h/t<0,5 – пластическая деформация концентрируются непосред-ственно в объеме пленки, в подложке генерируется лишь упругая деформация; 2. 0,5<β≈1,0 – деформация происходит в пленке и в зоне взаимного влияния «пленка-подложка», что сопровождается деформацией в подложке; 3. β>1,0 – обширная пластическая деформация в подложке, включающая все зоны системы: пленка–зона взаимного влияния–подложка. Основная научная проблема, решенная в диссертации: были получены прямые доказательства на дислокацонном уровне относительно физики процессов деформирования ПС типа пленка/подложкa. Была исследована ответная реакция подложки в процессе деформации ПС при приложении внешней нагрузки и выявлена эволюция этого процесса в зависимости от величины нагрузки. Практическая значимость работы: путем изучения эволюции дислокационных структур вокруг отпечатков на поверхности подложки, был установлен механизм деформации КС в зависимости от P, h и t. Была обнаружена общая закономерность для всех КС: твердость КС является механическим параметром, состоящим из твердости плен-ки и подложки, вклад которых постепенно изменяется в зависимости от величины прило-женной нагрузки. Было показано, что структуры ММ становятся материалами с более вы-сокими значениями H/E по сравнению с H/E меди и подложки, в свою очередь, структуры на основе МТ дают более низкие H/E, чем подложка, но превосходят H/E меди. Научные результаты были частично реализованы в учебно-воспитательном процессе в Техническом Университете Молдовы, Университетe АНМ и Лаборатории МСМ им.«Ю.С. Боярской» ИПФ AНМ. Был получен акт реализации.

Aim of the work: is devoted to elucidating the mechanism of interaction of the different thicknesses films with a substrate under nanomicroindentation, which is one of the important problems of modern materials science - deepening the understanding of the physics of deformation processes of nanocrystalline and dimensionally-limited materials. Objectives: to conduct detailed studies of the mechanical properties and specific features of the deformation at the dislocational level, in dependence on the film thikness (t = 85, 470, 1000 nm) and the Pmax value, of the coated systems (CS) of the type MM (Cu/LIF) and MT (Cu/MgO, Cu/Si), obtained by the magnetron sputtering, and of the LiF, MgO, Si crystals, the substrates for CS. Scientific novelty and originality: for the first time, dislocation rosettes in the substrate of Cu/LiF and Cu/MgO coated systems were revealed, showing the moment of the feedback start of the substrate during indentation, and the dependence on the magnitude of the applied load was identified. Three main stages in the deformation process of the „Cu/substrate” coated system were established: 1. β=h/t<0,5 (h is penetration depth of the imprint, t is film thickness) – plastic deformation is concentrated directly in the film volume, only elastic deformation is generated in the substrate; 2. 0,5<β≈1,0 – deformation takes place in the film and in the film-substrate reciprocal influence zone, which is accompanied by plastic deformation in the substrate; 3. β>1,0 – extensive plastic deformation in the substrate, usually including all zones of the system: film – zone of reciprocal influence – substrate. Solved scientific problem and the theoretical significance: direct evidence at the dislocation level has been obtained regarding the physics of the deformation process of a film/substrate CS. Substrate feedback was investigated in the process of the CS deformation under application of the external load. It has been identified the evolution of this process in dependence on the load value. Applicative value of the thesis: by study of the evolution of dislocation structures around the indentations on the substrate surface, the deformation mechanism of the CS was established in dependence on P, h and t. A common regularity was found for all film/substrate coated systems: the CS hardness is a mechanical parameter, composed of film and substrate hardness, the contribution of which gradually changes depending on the value of applied load. It has been demonstrated that the „soft-film/soft-substrate” structures become materials with higher H/E values compared to the copper and substrate plasticity index, in turn, the structures created on the basis of the „soft-film/hardsubstrate” combination give the lower H/E values then the substrate, but are superior to the H/E value of polycrystalline Cu. The scientific results were partially implemented in the instructive-educational process at the Technical University of Moldova, University ASM and Laboratory MPM „Iulia Boiarskaia” of IAPh ASM. An implementation document was obtained.