[論文レビュー] Substrate effect and nanoindentation fracture toughness based on pile up and failure

A. S. Bhattacharyya, Ramagiri Praveen Kumar+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2016

Metal and Thin Film Mechanics参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、バーチェスキーインデンタを用いたナノインデンテーション試験を通じて、薄膜における基板効果が破壊靭性に与える影響を調査し、プルアップ挙動と破壊メカニズムに注目している。荷重-変位曲線、エネルギー分配、デラミネーションの幾何学的形状の分析により、基板由来の転位プルアップ、先端の丸み、破壊靭性（KR）との相関関係を確立した。薄膜の厚さと基板の硬さが測定された靭性と破壊モードに顕著に影響することを示した。

ABSTRACT

The effect of substrate was studied using nanoindentation on thin films. Soft films on hard substrate showed more pile up than usual which was attributed to the dislocation pile up at the film substrate interface. The effect of tip blunting on the load depth and hardness plots of nanoindentation was shown. The experimental date of variation of Vickers hardness with film thickness and loads were fitted and new parameters were analyzed. The delaminated area was analyzed using geometrical shapes using optical view of the failure region along with the load displacement Indentation fracture using Nanoindentation using Berkovich indenter has been studied. Indentation fracture toughness (KR) was analyzed based on computational programs. The contact mechanics during nanoindentation was studied with parameters related to indenter shape and tip sharpness. Elastic, plastic and total energies were computationally determined. The energy difference was related to shear stress being generated with elastic to plastic transition. Change in the nature of residual stress was related to film thickness.

研究の動機と目的

• 基板の性質が薄膜のナノインデンテーションにおけるプルアップおよび破壊挙動に与える影響を理解すること。
• 基板の硬さが薄膜-基板界面における転位プルアップに及ぼす影響を定量化すること。
• 荷重-深さ応答および硬さ測定値の変化と関連して、インデンタ先端の丸みの影響を特定すること。
• 残留応力、エネルギー分配、破壊靭性（KR）を結びつける計算フレームワークの構築。
• 光学画像からのデラミネーション領域の幾何学的解析を通じて、薄膜系の破壊メカニズムを評価すること。

提案手法

• 異なる基板に堆積された薄膜に対してバーチェスキーインデンタを用いたナノインデンテーション試験を実施すること。
• 硬さおよび弾性・塑性エネルギー寄与分を抽出するために荷重-変位曲線を測定すること。
• 破壊領域の光学画像を分析し、幾何学的モデリングを用いてデラミネーション領域を特定すること。
• 荷重-変位データから弾性エネルギー、塑性エネルギー、合計エネルギーを計算し、エネルギー散逸を評価すること。
• せん断応力が弾性-塑性遷移点で破壊靭性（KR）に与える影響を関連付けるための計算モデルを用いること。
• 実験的ヴィッカース硬さデータを薄膜の厚さと荷重でフィッティングし、新たな機械的パラメータを抽出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基板の硬さは、ナノインデンテーション中の転位プルアップおよび表面プルアップの形状にどのように影響するか？
• RQ2 インデンタ先端の丸みは、薄膜系における測定硬さおよび荷重-深さ応答にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 薄膜の厚さは、ナノインデンテーション下での残留応力および破壊モードにどのように作用するか？
• RQ4 弾性エネルギーと塑性エネルギーのエネルギー分配と薄膜における破壊靭性（KR）の関係は何か？
• RQ5 デラミネーション領域の幾何学的解析は、ナノインデンテーションにおける破壊靭性の信頼性の高い推定値を提供できるか？

主な発見

• 硬い基板上に形成された軟らかい薄膜では、薄膜-基板界面における転位の蓄積により、プルアップが顕著に増加する。
• インデンタ先端の丸みは、荷重-深さ曲線および顕在硬さ値に測定可能な変化を引き起こし、靭性の評価に影響を及ぼす。
• 測定されたヴィッカース硬さは薄膜の厚さおよび印加荷重に依存し、データは新たな機械的パラメータを抽出するために良好にフィッティングされた。
• 光学画像の幾何学的モデリングを用いたデラミネーション領域の定量的評価により、基板の性質に依存する明確な破壊パターンが明らかになった。
• 計算されたエネルギー分配は、弾性-塑性遷移点におけるせん断応力と破壊靭性（KR）との明確な相関関係を示した。
• 破壊靭性（KR）は、薄膜の厚さおよび基板由来の残留応力に顕著に影響を受けることが判明した。