[논문 리뷰] Substrate effect and nanoindentation fracture toughness based on pile up and failure

A. S. Bhattacharyya, Ramagiri Praveen Kumar외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 23.

Metal and Thin Film Mechanics참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 베르코비치 압입자로 수행한 나노압입 시험을 통해 얇은 막재료에서 기초재의 영향을 분석하여 균열파손 toughness(KR)에 미치는 영향을 조사한다. 피로형상 및 파손 메커니즘을 중심으로 하중-변위 곡선, 에너지 분할, 탈락 기하학을 분석함으로써, 기초재에 의해 유도된 비틀림 변형의 축적, 끝부리 둥글기 및 파손 toughness(KR) 간의 상관관계를 규명하였다. 이는 막 두께와 기초재 경도가 측정된 파손 toughness와 파손 모드에 중대한 영향을 미친다는 것을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기초재 성질이 얇은 막재료의 나노압입 시 피로형상 및 파손 거동에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 기초재 경도가 막-기초재 인터페이스에서 비틀림 변형의 축적에 미치는 영향를 정량화하기 위해.
• 하중-깊이 반응 및 경도 측정값의 변화와 연계하여 끝부리 둥글기의 영향를 연계하기 위해.
• 잔류 응력, 에너지 분할 및 파손 toughness(KR)를 연결하는 수치적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 광학 영상에서의 탈락 영역 기하학을 분석하여 얇은 막재료계의 파손 메커니즘을 평가하기 위해.

제안 방법

• 다양한 기초재에 증착된 얇은 막재료에 대해 베르코비치 압입자를 이용한 나노압입 시험을 수행하였다.
• 경도 및 탄성/플라스틱 에너지 기여도를 추출하기 위해 하중-변위 곡선을 측정하였다.
• 파손 영역의 광학 영상을 분석하여 기하학적 모델링을 통해 탈락 영역을 규명하였다.
• 하중-변위 데이터로부터 탄성, 플라스틱 및 총 에너지를 계산하여 에너지 소산도를 평가하였다.
• 전단 응력이 탄성-플라스틱 전이점에서 파손 toughness(KR)와 관련된 수치 모델을 사용하였다.
• 실험적 비커스 경도 데이터를 막 두께 및 하중에 맞게 피팅하여 새로운 기계적 매개변수를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기초재 경도는 나노압입 중 비틀림 변형의 축적과 표면 피로형상 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 끝부리 둥글기는 얇은 막재료계에서 측정된 경도 및 하중-깊이 반응에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 막 두께는 나노압입 하중에서 잔류 응력과 파손 모드에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 탄성 에너지와 플라스틱 에너지 간의 에너지 분할과 막재료에서의 파손 toughness(KR) 간의 관계는 어떠한가?
• RQ5 탈락 영역의 기하학적 분석은 나노압입에서 파손 toughness에 신뢰할 수 있는 추정치를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 경도가 높은 기초재 위에 얇은 막을 형성할 경우, 막-기초재 인터페이스에서 비틀림 변형이 축적되면서 피로형상이 증가한다.
• 끝부리 둥글기는 하중-깊이 곡선과 명백한 경도 값의 변화를 유도하며, 이는 파손 toughness 정량화에 영향을 미친다.
• 측정된 비커스 경도는 막 두께와 적용된 하중에 따라 변하며, 데이터는 성공적으로 새로운 기계적 매개변수를 추출하기 위해 피팅되었다.
• 탈락 영역은 광학 영상의 기하학적 모델링을 통해 정량화되었으며, 기초재 성질에 따라 구분되는 파손 패tern을 드러냈다.
• 계산된 에너지 분할은 탄성-플라스틱 전이점에서의 전단 응력과 파손 toughness(KR) 간에 명확한 상관관계를 보였다.
• 파손 toughness(KR)는 막 두께와 기초재에 의해 유도된 잔류 응력에 의해 크게 영향을 받는 것으로 확인되었다.