[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过Berkovich压头测试，探究基底效应对薄膜纳米压痕断裂韧性的影响，重点关注堆积行为与失效机理。通过分析载荷-位移曲线、能量分配及分层几何形状，作者建立了基底诱导的位错堆积、压头钝化与断裂韧性（KR）之间的关联，表明薄膜厚度与基底硬度显著影响测得的韧性及失效模式。

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.

研究动机与目标

• 理解基底特性如何影响薄膜纳米压痕过程中的堆积与断裂行为。
• 量化基底硬度对薄膜-基底界面处位错堆积的影响。
• 将压头钝化与载荷-深度响应及硬度测量值的变化相关联。
• 建立一个计算框架，关联残余应力、能量分配与断裂韧性（KR）。
• 通过光学图像分析分层区域的几何形状，评估薄膜体系的失效机理。

提出的方法

• 在不同基底上沉积的薄膜上进行Berkovich压头的纳米压痕测试。
• 测量载荷-位移曲线，以提取硬度及弹性/塑性能量贡献。
• 通过几何建模分析失效区域的光学图像，确定分层面积。
• 从载荷-位移数据计算弹性能、塑性能及总能量，以评估能量耗散。
• 使用计算模型将弹性-塑性转变处的剪切应力与断裂韧性（KR）相关联。
• 通过薄膜厚度与载荷对实验Vickers硬度数据进行拟合，以提取新的力学参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 基底硬度在纳米压痕过程中如何影响位错堆积与表面堆积形貌？
• RQ2 压头钝化在多大程度上影响薄膜体系中测得的硬度与载荷-深度响应？
• RQ3 薄膜厚度如何调节薄膜在纳米压痕下的残余应力与失效模式？
• RQ4 弹性能与塑性能之间的能量分配与薄膜断裂韧性（KR）之间存在何种关系？
• RQ5 分层区域的几何分析能否为纳米压痕中的断裂韧性提供可靠估算？

主要发现

• 在硬基底上的软薄膜因薄膜-基底界面处位错的累积而表现出增强的堆积行为。
• 压头钝化导致载荷-深度曲线及表观硬度值发生可测量的变化，影响韧性量化结果。
• 测得的Vickers硬度随薄膜厚度与施加载荷而变化，数据成功拟合以提取新的力学参数。
• 通过光学图像的几何建模对分层区域进行量化，揭示了依赖于基底特性的明显失效模式。
• 计算得到的能量分配显示，弹性-塑性转变处的剪切应力与断裂韧性（KR）之间存在明确相关性。
• 发现断裂韧性（KR）显著受薄膜厚度与基底诱导的残余应力影响。