硬質薄膜顯微硬度測量中的載荷選擇

硬度是評價硬質薄膜的主要力學性能指標。但是對于硬度高于20GPa 而厚度僅為幾個微米的硬質薄膜 , 對其硬度的測量是非常困難的。其難點在于壓入載荷的正確選擇 :較大的載荷會因壓頭前端的變形區擴展到基體 , 測得的硬度值偏低 , 是薄膜 P 基體復合體共同作用的結果 ;而較小的載荷則會由于薄膜表面粗糙度引起測量結果的失真和分散。為此 , 曾有人提出 ,為保證測量結果的可靠應使壓痕的深度與薄膜厚度之比小于 1P5[1], 還有人提出這一比值應該更小 , 達到 1P10[2], 甚至1P20[3], 至今仍無定論。

本文提出采用力學探針技術準確測量硬質薄膜力學性能的兩步壓入方法 : 先以大載荷對膜 P基復合體進行壓入試驗 , 通過膜 P 基復合體受載硬度 HU 隨載荷的變化確定壓頭前端變形區不擴展到基體的壓入載荷 小載荷 ,進而以此小載荷進行**步壓入試驗從而得到薄膜的硬度和彈性模量 , 所得結果具有準確可靠的特點。

實驗采用高速鋼 HSS 基體上通過反應磁控濺射技術沉積的 115 μ m 和 310 μ m 厚的TiN 薄膜。薄膜的力學性能測試采用 FischerscopeH100VP 力學探針。圖 1 示出了 200mN大載荷對高速鋼基體和鍍有 TiN 的試樣壓入試驗后由加載曲線計算得到的受載硬度 HU隨載荷的變化曲線。圖中高速鋼基體的硬度隨壓入載荷的增大基本保持不變。而鍍有 TiN 薄膜的試樣隨壓入載荷的增加 , 在小于 4mN時迅速上升 , 屬薄膜表面粗糙度和力學探針小載荷下引起的擾動所致。載荷大于 4mN 時 , 試樣的硬度呈現一段平臺區 ,表明壓頭前端的形變區**于硬度較高的 TiN 薄膜內而未影響到硬度較低的高速鋼基體 ,此時得到的硬度值是薄膜的真實受載硬度。隨著壓入載荷的進一步增加 , 壓頭前端的變形區擴展到基體 , 表現為膜 P基復合體試樣的硬度值下降 , 并逐步趨向高速鋼基體的硬度。由圖 1 還可見 , 鍍有 310 μ mTiN的試樣呈現硬度平臺區較寬和硬度值較高的特征。硬度平臺區較寬顯然是因 TiN 薄膜較厚所致 , 而較高的硬度值則可能來自于較厚的 TiN薄膜中具有的更高的內應力。為了減小薄膜表面粗糙度的影響 , 根據圖 1 在硬度平臺區選取盡可能大的載荷 15mN對各試樣進行**步的小載荷壓入試驗。圖 2 示出了小載荷下兩種不同厚度 TiN 薄膜的力學探針加卸載曲線。根據 Oliver 公式[4] 計算得到 TiN 薄膜的受載硬度 HU 、卸載硬度 HV 和彈性模量 Y 列于表 1 。 TiN 薄膜壓痕形貌的 AFM 像a 和縱截面深度測量 b 。

出了 310 μ mTiN 薄膜經 15mN 載荷壓入試驗后的壓痕的 AFM形貌和壓痕對角線上的深度的變化。由圖可見 ,TiN 薄膜表面呈胞狀組織生長 , 并顯示出約± 15nm的粗糙度。壓痕的殘余深度和對角線長度分別為 84nm 和 1100nm, 據此計算得到 310 μ mTiN 薄膜的卸載硬度為HV23.5GPa, 與表 1 中測得的數值 HV24.3GPa 相當。