Ученые выяснили, как нанопокрытия рассеивают энергию и сдерживают трещины
Ученые впервые напрямую проследили с нанометровым разрешением, как распределяются напряжения между твердым наконечником и защитным покрытием. Оказалось, что мягкие прослойки внутри многослойного материала перераспределяют нагрузку и мешают трещинам распространяться.
МОСКВА, 13 августа /Новости науки/. Многослойные нанопокрытия способны примерно на 30% эффективнее рассеивать упругую энергию при контакте. К такому выводу пришла международная группа с участием Сколтеха, результаты опубликованы в Communications Materials.
Исследователи изучили покрытие из твердых керамических слоев нитрида циркония ZrN, разделенных тонкими прослойками аморфного сплава циркония и меди ZrCu. Такие прослойки оказались своеобразными механическими демпферами: они частично деформировались и не позволяли напряжениям концентрироваться в одной небольшой области.
Это важно для защитных покрытий режущего инструмента, деталей газовых турбин и медицинских имплантатов. При соприкосновении двух твердых тел реальный контакт происходит через микроскопические неровности поверхности, где напряжения могут достигать десятков гигапаскалей. Именно здесь способны возникать локальные повреждения и зарождаться трещины.
«Тончайшие металлические пленки в многослойном покрытии перераспределяют и рассеивают накопленную упругую энергию, работая подобно демпфирующим прослойкам», — пояснил соавтор исследования, профессор Центра инженерных систем и наук Сколтеха Александр Корсунский.
Для эксперимента ученые создали специальный наномеханический зонд. Наконечник из монокристаллического алмаза покрыли слоем нанокристаллического алмаза толщиной 3,8 мкм. Это позволило одновременно получать данные и от индентора, которым давили на материал, и от самого исследуемого покрытия.
Измерения проводились на синхротроне ESRF в Гренобле с помощью рентгеновского луча диаметром около 75 нм. Область контакта сканировали с шагом 80 нм. На каждом этапе нагружения исследователи регистрировали 37,5 тыс. двумерных дифракционных карт, по которым восстанавливали распределение механических напряжений.
Разница между обычным и многослойным покрытием оказалась существенной. В однослойном материале сжимающие напряжения непосредственно под индентором достигали 13,4 ГПа, а у границы с подложкой появлялись растягивающие напряжения, способные способствовать образованию трещин. В многослойном варианте напряжения оставались преимущественно сжимающими по всей толщине, их максимальные значения уменьшались, а зона деформации становилась шире.
В результате многослойная структура накапливала лишь около 69% той упругой энергии, которая сохранялась в однослойном покрытии. Остальная энергия рассеивалась, в том числе за счет пластической деформации границ между слоями. По принципу действия такая конструкция напоминает перламутр, где более мягкие прослойки между твердыми минеральными пластинами препятствуют распространению трещин.
Авторы считают, что разработанная методика позволит напрямую проверять компьютерные модели контактной механики и подбирать параметры многослойных покрытий под конкретные нагрузки. Такие данные могут использоваться при создании более износостойких инструментов, турбинных деталей и имплантатов.
Исследователи изучили покрытие из твердых керамических слоев нитрида циркония ZrN, разделенных тонкими прослойками аморфного сплава циркония и меди ZrCu. Такие прослойки оказались своеобразными механическими демпферами: они частично деформировались и не позволяли напряжениям концентрироваться в одной небольшой области.
Это важно для защитных покрытий режущего инструмента, деталей газовых турбин и медицинских имплантатов. При соприкосновении двух твердых тел реальный контакт происходит через микроскопические неровности поверхности, где напряжения могут достигать десятков гигапаскалей. Именно здесь способны возникать локальные повреждения и зарождаться трещины.
«Тончайшие металлические пленки в многослойном покрытии перераспределяют и рассеивают накопленную упругую энергию, работая подобно демпфирующим прослойкам», — пояснил соавтор исследования, профессор Центра инженерных систем и наук Сколтеха Александр Корсунский.
Для эксперимента ученые создали специальный наномеханический зонд. Наконечник из монокристаллического алмаза покрыли слоем нанокристаллического алмаза толщиной 3,8 мкм. Это позволило одновременно получать данные и от индентора, которым давили на материал, и от самого исследуемого покрытия.
Измерения проводились на синхротроне ESRF в Гренобле с помощью рентгеновского луча диаметром около 75 нм. Область контакта сканировали с шагом 80 нм. На каждом этапе нагружения исследователи регистрировали 37,5 тыс. двумерных дифракционных карт, по которым восстанавливали распределение механических напряжений.
Разница между обычным и многослойным покрытием оказалась существенной. В однослойном материале сжимающие напряжения непосредственно под индентором достигали 13,4 ГПа, а у границы с подложкой появлялись растягивающие напряжения, способные способствовать образованию трещин. В многослойном варианте напряжения оставались преимущественно сжимающими по всей толщине, их максимальные значения уменьшались, а зона деформации становилась шире.
В результате многослойная структура накапливала лишь около 69% той упругой энергии, которая сохранялась в однослойном покрытии. Остальная энергия рассеивалась, в том числе за счет пластической деформации границ между слоями. По принципу действия такая конструкция напоминает перламутр, где более мягкие прослойки между твердыми минеральными пластинами препятствуют распространению трещин.
Авторы считают, что разработанная методика позволит напрямую проверять компьютерные модели контактной механики и подбирать параметры многослойных покрытий под конкретные нагрузки. Такие данные могут использоваться при создании более износостойких инструментов, турбинных деталей и имплантатов.
