Определение твердости нанопокрытий

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана







Ю.А. Быков, С.Д. Карпухин, В.М. Полянский



ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ТВЕРДОСТИ НАНОПОКРЫТИЙ




Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия по курсу «Современные методы исследования структуры материалов»



Под редакцией Ю.А. Быкова






Москва

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010

УДК 539.2+541.18+621.38+535.822
ББК 22.338+24.5
    Б95
Рецензенты:
И.С. Белашова, В.А. Рыбкин
          Быков Ю.А.
    Б95      Определение твердости нанопокрытий : учеб. пособие по
          курсу «Современные методы исследования структуры материалов» / Ю.А. Быков, С.Д. Карпухин, В.М. Полянский ; под ред. Ю.А. Быкова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. — 31, [1] с. ил.

              В пособии рассмотрены способы, используемые для оценки твердости нанопокрытий.
              Для студентов специальности «Материаловедение в машиностроении», специализации «Наноматериалы» и слушателей Межотраслевого института повышения квалификации кадров по новым направлениям развития техники и технологии МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также специалистов, занимающихся разработкой нанопокрытий и оценкой их свойств.

                                     УДК 539.2+541.18+621.38+535.822
                                     ББК 22.338+24.5




Учебное издание
Быков Юрий Александрович
Карпухин Сергей Дмитриевич
Полянский Владислав Михайлович
          ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ НАНОПОКРЫТИЙ

Редактор С.А. Серебрякова Корректор М.А. Василевская Компьютерная верстка С.А. Серебряковой
Подписано в печать 22.06.2010. Формат 60x84/16.
Усл. печ. л. 1,86. Изд. № 180. Тираж 100 экз. Заказ .

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.


© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

                ВВЕДЕНИЕ





   В последние годы ведутся интенсивные работы в области создания и изучения наноструктурированных материалов и нанотехнологий. Наноструктурированные материалы представляют собой материалы нового класса, обладают необычной атомно-кристаллической структурой и демонстрируют уникальные свойства. Основным отличием этих материалов от традиционных является то, что образующие их морфологические элементы имеют хотя бы один из размеров менее 1 мкм. По геометрическим признакам эти элементы разделяют следующим образом:
   • нольмерные атомные кластеры и частицы;
   •    одно- и двухмерные мультислои, покрытия и ламинарные структуры;
   •    объемные трехмерные нанокристаллические и нанофазные материалы.
   Важной особенностью наноструктурированных материалов является зависимость их свойств от размеров наноэлементов.
   В настоящее время начинают находить применение ультра-дисперсные порошки, нановолокна и нанопроволоки, нанопленки и нанопокрытия, а также объемные нанокристаллические материалы.
   В пособии рассмотрены только нанопокрытия. Используемый термин «нано» применительно к покрытию свидетельствует не о толщине последнего, а о наличии в нем элементов структуры нанометровых размеров. Это может быть покрытие, состоящее из одного слоя нанометровой толщины (нанослоя), или массивное многослойное покрытие, состоящее из большого числа нанослоев. К нанопокрытиям следует также отнести и однослойные покрытия, в том числе покрытия большой толщины, имеющие нанокри-сталлическое строение.


3

   Покрытия наносят на поверхность материалов различными способами (гальваническим, диффузионным, осаждением из газовой фазы и т. д.) в виде пленок и диффузионных слоев. Обычно покрытия выполняют защитные функции: повышают износостойкость изделий, контактную выносливость, коррозионную стойкость и др. Однако в любом случае покрытия должны обладать высокими механическими свойствами.
   Для оценки механических свойств объемных материалов — нанокристаллических и композиционных на основе нанострукту-рированных элементов — можно использовать обычные стандартные способы. Однако покрытия нанометровой толщины (далее — нанопокрытия), осажденные на толстые подложки, являются сложным объектом для механических испытаний. Поскольку толщина подложки намного больше толщины покрытия, обычные механические испытания (растяжение, сжатие, кручение) в данном случае неприемлемы. Для механических испытаний нанопокрытий следует применять способы, обладающие высокой локальностью. В основу их может быть положено испытание на микротвердость.
   К таким методам относятся определение твердости покрытий путем их продавливания [1, 2] и наноиндентирование [3, 4].
   В данном пособии рассмотрены способы оценки твердости нанопокрытий, т. е. покрытий толщиной менее 1 мкм. Их использование определяет возможность создания как одно-, так и многослойных защитных покрытий с уникальными свойствами, зависящими от материала и структуры подложки, толщины покрытия и его химического состава, сочетания различных по химическому составу слоев и т. п.
   В учебном пособии рассмотрены принципы работы аппаратуры для проведения исследований, требования к объектам для исследований, методика проведения испытаний. Пособие предусматривает лабораторный практикум с целью закрепления полученных знаний. Расчетную часть практикума можно использовать в качестве домашнего задания.
   Поскольку на испытания на продавливание покрытий и нано-индентирование не существует ГОСТов, в пособии приняты следующие обозначения:
   HV — для измерения твердости методом продавливания;
   H — для измерения твердости наноиндентированием.

4