آزمون‌های مکانیکی مورد استفاده در بررسی پوشش ها (1)

مقدمه

چندین دلیل وجود دارد که چرا باید خواص مکانیکی پوشش ها را مورد ارزیابی قرار داد. وقتی نیازمندی‌های مربوط به کارایی با انجام تلاش و کوشش، افزایش می یابد، پوشش‌های پیشرفته‌ی جدید به طور پیوسته در حال توسعه می باشند. در طی توسعه‌ی این پوشش‌های جدید، این بسیار مفید است که این پوشش‌های جدید تحت شناسایی قرار گیرند. البته فرایند شناسایی پوشش ها معمولاً آهسته و هزینه بر است.
نوع و تعداد آزمون‌های مکانیکی مورد نیاز برای پوشش ها به طور قابل توجهی به نوع و گستره‌ی کاربردهای پوشش و خواصی که از پوشش انتظار داریم، بستگی دارد. برخی اوقات ممکن است پوشش برای اهداف عمومی و یا حداقل برای یک گروه از کاربردهای عام تر توسعه می یابند. در این مورد، این مهم است که یک گروه از اندازه گیری ها برای تعیین گستره‌ی پارامترهای مؤثر بر روی کارایی پوشش در شرایط مختلف، انجام شود. مورد آخر از این روش ها، رشد استفاده از روش‌های مدل سازی به منظور پیش بینی کارایی پوشش و مهیا نمودن یک روش واقعی به منظور ساخت سریع نمونه‌ی اولیه می باشد. این مدل ها، معمولاً نیازمند خواص بنیادی ماده مانند مدول یانگ، ضریب پواسون، استحکام کششی (سختی)، ضخامت، چسبندگی و خواص شکست می باشند. از این رو، تقاضای بالایی برای بررسی این خواص از طریق روش‌های آزمون مورد استفاده برای این پوشش ها، وجود دارد. آزمون‌های مورد استفاده یک پیوستگی میان کارایی مواد در محیط واقعی و کارایی آنها در محیط آزمون پدید می آورند. در برخی موقعیت ها، آزمون‌های موجود تنها نتیجه ای ترکیبی ایجاد می کنند و از این رو این نیاز وجود دارد تا با استفاده از این نتایج ترکیبی، خواص مد نظر استخراج شوند.
به طور روز افزون، مهندسین سطح این مسئله را تصدیق کرده اند که کارایی و مزیت‌های هزینه ای در صورتی پدید می آیند که یک روش کلی نگر و جامع موجود باشد و به وسیله‌ی آن زیرلایه و خواص پوشش با هم انطباق یابد و بدین وسیله، کارایی کلی اجزا بهینه‌سازی گردد. در اینجا، کاربردهای ویژه‌ی معمولاً شناخته شده هستند و خواص مکانیکی مربوط به کارایی معمولاً شناخته شده است. بنابراین برای بهینه سازی فرایند، نیاز به یک گروه از اندازه گیری‌های مخصوص است.
آزمون‌های مخصوص یک کارایی نیز در بازار وجود دارد. در این آزمون ها یا نیازمند نتیجه گیری سریع و یا نیازمند کنترل کیفیت دقیق تری هستیم. در این مواقع، انتخاب پوشش و روش اعمال آن انجام شده است و تقاضا برای انجام آزمون هایی است که این آزمون ها نیز به سادگی قابل انجام می باشد. البته ماهیت و نوع این آزمون ها همواره به کاربرد پوشش بستگی دارد. یک مثال از این آزمون ها، آزمون سوراخ کاری برای بررسی کیفیت سری‌های دریل پوشش داده شده می باشد. در این آزمون، یک سری مته به صورت تصادفی انتخاب می شود و برای سوراخ کاری یک بلوک ساخته شده از ماده‌ی مناسب، مورد استفاده قرار می گیرد. تعداد سوراخ هایی که مته پیش از خراب شدن یا شکسته شدن، انجام می دهد، به عنوان معیاری برای بررسی کارایی مته‌های پوشش داده شده، مطرح می شود. به طور مشابه، آزمون خراش نیز اغلب برای بررسی کیفیت این مته ها مورد استفاده قرار می گیرد.
اندازه گیری خواص پوشش ها یک ناحیه‌ی فعال در زمینه‌ی تحقیقاتی می باشد. بسیاری از روش‌های اندازه گیری امروزه برای اندازه گیری این خواص وجود دارد و روش‌های جدیدی نیز در حال توسعه می باشد. این مقاله تلاش ندارد تا به طور گسترده این روش ها را مورد ارزیابی قرار دهد، بلکه تنها تلاش دارد تا برخی از روش‌های مورد استفاده در اندازه گیری خواص پوشش ها را مورد ارزیابی قرار دهد.

ضخامت

ضخامت یکی از پارامترهای فیزیکی اصلی برای یک پوشش است. جدول 1 تعدادی از روش‌های مختلف که به طور متداول در اندازه گیری ضخامت مورد استفاده قرار می گیرد را نشان داده است. این روش ها به دو گروه اصلی تقسیم بندی می شود. در گروه اول ضخامت به طور مستقیم و با اندازه گیری فاصله‌ی میان دو نقطه تعیین می شود. در گروه دوم، میزان ضخامت با استفاده از اندازه گیری خواص فیزیکی وابسته به ضخامت، بدست می آید.
مستقیم ترین روش برای اندازه گیری ضخامت، روش اندازه گیری میزان جابجایی است. بررسی‌های میکروسکوپ از سطح مقطع مخصوصاً وقتی با روش شکست در حالت فریز شدن همراه شود، موجب می شود تا از بروز آلودگی و اعوجاج در محل سطح مشترک جلوگیری شود. این روش یک اندازه گیری مستقیم از ضخامت ایجاد می کند. این روش می تواند نتایج خوبی بدهد اما در برخی موارد، مشکلات عملی در زمینه‌ی بدست آوردن سطح مقطع وجود دارد. این مشکلات بیشتر در پوشش هایی ایجاد می شود که تغییر شکل سختی دارند و همچنین به سختی تخریب می شوند.
سنجش برش عمودی (profilometry) می تواند برای اندازه گیری ارتفاع پوشش در مکان پوشش دهی و ناحیه‌ی بدون پوشش، مورد استفاده قرار گیرد. بهترین نتایج در صورتی حاصل می شود که زبری سطحی موجب سخت شدن تشخیص بین سطح پوشش و سطح زیرلایه نشود. در این روش باید ملاحظات زیادی به عمل آورد تا از قرائت ناصحیح ضخامت، جلوگیری شود. در این روش یک پله در داخل پوشش ایجاد می شود.
یک روش جایگزین به جای ایجاد پله، ایجاد سوراخ در پوشش است. در اینجا، یک گلوله برای سایش و ایجاد یک تورفتگی کروی در پوشش، استفاده می شود (شکل 1). ضخامت یک پوشش می تواند از طریق اندازه گیری قطر حفره در داخل پوشش و زیرلایه، محاسبه شود. این روش می تواند به سهولت برای اندازه گیری ضخامت لایه‌های روی هم قرار گرفته مورد استفاده قرارگیرد. مزیت مهم روش سایش و ایجاد فرورفتگی این است که نواحی خاص مورد نظر می تواند به سهولت انتخاب گردد و بدین وسیله می توان ضخامت نقطه‌ی مورد نظر را بدست آورد. این روش تنها روشی مخرب است و برخلاف روش اول، با فرایند پوشش دهی، تداخل ایجاد نمی کند. نقشه‌ی ضخامت پوشش همچنین می تواند با استفاده از این روش، ترسیم گردد.
شاید این مسئله برای شما جالب باشد که نتایج بسیار خوبی با استفاده از روش ثقل سنجی (gravimetric methods) حاصل می شود. این روش هر دو گروه‌های ارائه شده در جدول 1 را به هم مرتبط می کند. در اینجا، ابعاد نمونه و وزن نموه ها قبل و بعد از پوشش دهی، اندازه گیری می شود. این اندازه گیری ها سپس با اطلاعات مربوط به دانسیته‌ی پوشش ترکیب می شود و بدین وسیله ضخامت پوشش تعیین می شود. این روش در زمانی که برای پیش بینی ضخامت در پوشش‌های خاص مورد استفاده قرار گیرد، دارای خطاهای زیادی است. مثلاً وقتی ضخامت پوشش یکنواخت نیست. این مسئله اغلب ساده لوحانه به نظر می رسد که پوشش ها را با دانسیته‌ی کامل در نظر بگیریم. در برخی موارد، اندازه گیری دانسیته‌ی ویژه ممکن است ممکن باشد اما موفقیت این روش به حجم و دانسیته‌ی پوشش و زیرلایه وابسته است. دانسیته ممکن است همچنین با روش‌های دیگر مانند طیف نمایی سطحی موج‌های صوتی قابل اندازه گیری است.
روش‌های فیزیکی اندازه گیری ضخامت از گستره ای از پدیده‌های فیزیکی برای حدس زدن ضخامت استفاده می کنند. معمولاً یک تعداد از این روش ها، مورد استفاده قرار می گیرد. مقاومت 2 یا 4 نقطه ای یا اندازه گیری مقاومت می تواند برای لایه‌های رسانای ایجاد شده بر روی زیرلایه‌های عایق، مورد استفاده قرار گیرد. پروب‌های 4 نقطه ای بیشتر ترجیح داده می شود زیرا با استفاده از این روش، میزان خطاها و عدم قطعیت کاهش می یابد. روش‌های الکترومغناطیسی نیز وجود دارد. این روش ها بر پایه‌ی کالیبراسیون میزان تغییر قدرت میدان مغناطیسی یا ظرفیت با فاصله، کار می کنند. در ساده ترین شکل از این روش نیاز به زیرلایه ای است که فرومغناطیس باشد یا بتوان از طریق القای جریان‌های تلاطمی، یک میدان مغناطیسی در آن ایجاد کرد. در روش خازنی، رسانایی مهم است. در این روش، معمولاً یک کالیبراسیون با استفاده از پاسخ سنسور الکترومغناطیسی مورد نیاز است. فلئورسانس اشعه‌ی X بر اساس کالیبراسیون جذب اشعه‌ی X ماده‌ی مورد اندازه گیری، کار می کند. طیف نمایی سطحی موج‌های صوتی از تغییر در سرعت صوت در داخل ماده به عنوان تابعی از دانسیته و خواص الاستیک، ضخامت را اندازه گیری می کند. برای پوشش‌های شفاف، روش‌های نوری می تواند برای اندازه گیری ضخامت مورد استفاده قرار گیرد اما باید اندیس شکست پوشش شناخته شده باشد.

آزمون‌های شکست و چسبندگی

یک تعداد از پدیده ها وجود دارد که بوسیله‌ی آنها می توان چسبندگی پوشش را تعیین نمود. همچنین یک سری کنفرانس ها نیز به این موضوع اختصاص یافته است. بیش از 300 روش مختلف تنها در کتاب انتشار یافته در یکی از این کنفرانس ها لیست شده است. به هر حال، بیشتر این روش ها دارای کارایی بالایی هستند و اندازه گیری چسبندگی با استفاده از میزان استحکام یا تافنس سطح مشترک، انجام می شود. یک گستره از روش‌های این آزمون در جدول 2 نشان داده شده است.
ساده ترین روش برای انجام این کار، آزمون ساده‌ی کشش (straightforward pull-off) است. این آزمون از پایه استفاده می کند که این پایه بر روی پوشش ثابت شده است (شکل 2). سختی این روش این است که استحکام ماکزیمم که می تواند اندازه گیری شود، استحکام ماکزیمم چسبندگی است که می تواند حاصل شود. چسب‌های با کارایی بالا، به طور نمونه وار دارای استحکام کششی کمتر از 100 مگاپاسکال هستند. حصول چنین سطحی از تنش در آزمون عملی نیازمند روش دقیق برای افزیش چسبندگی پوشش و برای حفظ نیرو در جهت عمود بر نمونه، ضروری است. حتی یک انحراف زاویه‌ی اندک نسبت به حالت عمودی می تواند موجب پدید آمدن شکست در حالت پوسته پوسته شود. برای پوشش‌های پیشرفته که با روش رسوب دهی فیزیکی از فاز بخار (PVD) یا روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD) تولید شده اند، استحکام چسبندگی پوشش به زیرلایه از استحکام چسب‌های آلی فراتر می رود. آزمون ساده‌ی کشش به طور نمونه وار برای بررسی چسبندگی پوشش‌های ضخیم مانند پوشش‌های سرامیکی و پوشش‌های تولیدی با روش اسپری حرارتی مناسب می باشند. علت این مناسب بودن این است که چسبندگی این پوشش ها نسبت به چسبندگی پوشش‌های تولیدی با روش PVD و CVD کمتر است. در موردی که شکست پوسته پوسته ای بیشتر مشاهده می شود، هندسه‌ی نمونه ممکن است به صورت ابتکاری طراحی گردد و بدین وسیله میزان شکست در حالت پوسته پوسته ای کاهش می یابد.
تعدادی از روش‌های تست وجود دارد که آنها یک تنش در سطح مشترک پوشش- زیرلایه با استفاده از تغییر شکل بر روی کل ساختار زیرلایه- پوشش ایجاد می شود (شکل 3). در آزمون مورد استفاده برای بررسی خواص خرج موشک (mandrel)، یک نمونه‌ی پوشش داده شده تا زاویه‌ی معینی خمیده می شود. اگر ترک خوردگی ایجاد شود یا پوشش پوسته ای شود، پوشش ایجاد شده، مناسب نمی باشد. این آزمون، یک نمونه‌ی بسیار کلاسیک از تست‌های مورد استفاده در کنترل کیفیت است.
تست خمش چهار نقطه ای می تواند برای بررسی خواص این خرج موشک ها مورد استفاده قرار گیرد. در اینجا، یک نمونه‌ی پوشش داده شده در یک پیکربندی 4 نقطه ای (شکل 3b) مورد ارزیابی قرار می گیرد. این نمونه به نحوی قرار داده می شود که پوشش در حالت کششی قرار گیرد. وقتی یک نیرو بر بوسیله‌ی این پیکربندی بر روی ماده اعمال می شود و بدین وسیله تنش‌های کششی پوشش افزایش می یابد، با افزایش نیرو به جایی می رسیم که شکست در پوشش رخ می دهد. به طور نمونه وار، این اعمال نیرو موجب ترک خوردن پوشش می شود (شکل 3c و 3d). مشاهده‌ی انجام شده نشاندهنده‌ی میزان ترک به عنوان تابعی از تنش اعمال شده می باشد. این مشاهدات با استفاده از چندین راه قابل انجام می باشد. ساده ترین راه ایجاد تنش یا کرنش در نمونه تا مقدار پیش تنظیم شده می باشد. این بررسی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی نوری و الکترونی انجام می شود. این فرایند، فرایند آهسته است و اگر نمونه قبلاً تحت نیرو قرار گرفته باشد، خطای آن بالا می رود. توسعه‌های اخیر در زمینه‌ی مشاهده‌ی در جای ترک خوردن این نمونه ها امکان استفاده از میکروسکوپ نوری و حتی سیستم‌های پیچیده‌ی اکوستیک، را فراهم آورده است. در این روش ها، با استفاده از سیستم‌های پیچیده‌ی اکوستیک، نقطه‌ی شروع ترک تشخیص داده می شود. استفاده از دو سنسور، سیگنال‌های اکوستیک، اندازه گیری می شود. تنش‌های کششی که در آن اولین ترک خوردگی مشاهده می شود، میزانی از استحکام شکست پوشش است.
وقتی بار افزایش می یابد، ترک‌های بیشتری تشکیل می شود و ترک ها پهن می شوند تا اینکه بخشی از پوشش جدا شود (شکل 3d). کرنشی که در آن یک مسئله رخ می دهد، یک اندازه ای از استحکام چسبندگی پوشش به زیرلایه است. آنالیزهای ریاضی می تواند برای بدست آوردن مقادیر چسبندگی و استحکام چسبندگی پوشش مورد استفاده قرار گیرد. این آزمون برای پوشش هایی بهتر عمل می کند که به صورت ترد می شکنند، سطح مشترک مشخصی دارند و دارای تافنس شکستی هستند که کمتر از تافنس سطح مشترک پوشش- زیرلایه است. این مسئله همواره رخ نمی دهد. وقتی پوشش انعطاف پذیر باشد، این پوشش تحت اعمال نیرو، تغییر شکل می دهد و نمی شکند، اگر چه این پوشش نیز متورق و کنده می شود. برای پوشش‌های با چسبندگی با چسبندگی بسیار بالا، شکست ممکن است از ترک‌های عمودی شروع می شود اما ترک به سایر جهات گسترش می یابد.
در برخی موارد، خمش میله می تواند به سادگی مورد استفاده قرار گیرد. در این روش، نمونه‌های پوشش داده شده در داخل کوره و دما افزایش می یابد (شکل 3e). اگر یک عدم تطابق میان ضریب انبساط حرارتی پوشش و زیرلایه وجود داشته باشد، تنش هایس ایجاد شده موجب خمیده شدن نمونه می شوند. اگر دما به طور پیوسته افزایش یابد، تنش ایجاد شده در پوشش نیز افزایش می یابد و بعد از رسیدن این تنش ها به یک حد معین، پوشش می شکند. دمای بحرانی که در آن شکست رخ می دهد، ممکن است به سادگی و با استفاده از ارزیابی تابش اکوستیک در طی افزایش دما، اندازه گیری شود. تنش‌های مربوطه که در داخل پوشش ایجاد می شود، می تواند در صورتی محاسبه شود که خواص فیزیکی پوشش و زیرلایه شناخته شده باشند. این مسئله باید تذکر داده شود که این روش در صورتی که خواص فیزیکی مواد به طور قابل توجهی با دما، تغییر کند، روش مناسبی نیست.
آزمون کشش همچنین می تواند با روش‌های انتشار اکوستیک و روش‌های میکروسکوپی همراه شود و بدین صورت شکست و چسبندگی پوشش تعیین گردد (شکل 3f).
روش سختی سنجی راکول ممکن است برای ارزیابی چسبندگی پوشش مورد استفاده قرار گیرد. این روش اغلب روش آزمون مرسدس نامیده می شود. در این روش یک ایندنتور از میان نمونه عبور می کند. تنش‌های ایجاد شده در حوالی ایندنتور می تواند موجب شکست و جدایش پوشش شود. میزان جدایش پوشش می تواند به عنوان معیاری برای بررسی و ارزیابی چسبندگی بین پوشش و زیرلایه، در نظر گرفته شود. اگر پوشش در همه‌ی جاها ورقه ورقه شود، این پوشش از زیرلایه جدا می شود. با اندازه گیری ناحیه‌ی جداشده می توان مقدار تافنس چسبندگی سطح مشترک را بدست آورد. شکل 4c و 4d دو پوشش MCrAlY مختلف با میزان چسبندگی مختلف را نشان می دهد که میزان جدایش پوشش ازسطح این پوشش ها مختلف است. آنالیز بر پایه‌ی میزان تورق نیازمند اطلاعاتی در مورد خواص پوشش و زیرلایه است. در واقع با استفاده از این اطلاعات می توان انرژی کرنشی آزاده شده را محاسبه کرد.

تست خراش

تست خراش در اصل به عنوان یک آزمون مقاومت در برابر تخریب معرفی می شود. این تست برای بررسی خواص چسبندگی پوشش‌های TiN تولید شده با روش PVD در دهه‌ی 1970 مورد استفاده قرار گرفته است. شکل 5a اصول انجام این تست را نشان می دهد. یک ایندنتور الماسی (معمولاً یک ایندنتور مورد مشابه با ایندنتور راکول است) با شعاع 0.2 میلی متر با اعمال بار افزایشی، از میان مقطع سطح نمونه‌ی پوشش داده شده عبور می کند. نیروی مماسی و انتشار اکوستیک اغلب در طی این آزمون مورد ارزیابی قرار می گیرد. وقتی میزان خراش گسترش می یابد و بار اعمالی نیز افزایش می یابد، حالت‌های شکست مختلفی در پوشش مشاهده می شود (شکل 5b). این حالت‌های شکست مختلف با نتایج شکست بدست آمده از پوشش‌های مرجع خراش (BCR-692) مقایسه می شود. این داده‌های مقایسه ای در پروژه‌ی آزمایشگاهی با سرمایه گذاری اتحادیه‌ی اروپا، بدست آمده اند. در شکل 5c، ترک خوردن اولیه‌ی در بار 15 نیوتن رخ داده است (که با Lc1 تعریف شده است). خرد شدن لبه ها در بار 20 نیوتن رخ می دهد (Lc2) و در بار 30 نیوتنی، خراش پیچیده در نمونه ایجاد می شود (Lc3).
در پوشش‌های با چسبندگی کم، تورق به سادگی و در طول سطح مشترک پوشش- زیرلایه و در هنگام اعمال بار معین، رخ می دهد. همچنین در این پوشش ها، می توان به سهولت استحکام چسبندگی را محاسبه کرد، اما در بسیاری از پوشش‌های مدرن، چسبندگی به حدی بالاست که شکست پیچیده تر است و در حقیقت، در این پوشش ها، برخی اوقات شکست در آزمون خراش رخ نمی دهد.
اگر سیگنال‌های انتشار اکوستیک و سایش در طی یک آزمون خراش مورد ارزیابی و مانیتورینگ قرار گیرد، این داده ها نیز می توانند اطلاعات ارزنده ای در مورد نحوه‌ی شکست به ما بدهند.
اگر چه فاکتورهای بسیاری در آزمون خراش وجود دارد که بر روی نتایج اثر می گذارد، مهمترین این فاکتورها عبارتند از هندسه و شرایط ایندنتور مورد استفاده. در استاندارد خراش اروپایی (EN 1071-3) از سوزن فولادی راکول c استفاده می شود. این ایندنتورها در استاندارد ISO 6508 نیز تعریف شده اند.
در عمل، این فهمیده شده است که تغییر قابل توجهی در شعاع سوزن مورد استفاده برای ایجاد خراش، ایجاد می شود و تعداد اندکی از آنها نیازمندی‌های مربوط به استانداردها را ارضا می کنند. این مسئله نیز مهم است که تخریب‌های دراز مدتی که در ایندنتور رخ می دهد را مورد ارزیابی قرار داد. زیرا در طی استفاده خواص این ایندنتورها تغییر می کند و باید آنها را به طور دوره ای عوض کرد.
اخیراً اتحادیه‌ی اروپا، مواد مرجعی را در استاندارد BCR-692 توسعه داده است که برای بررسی کارایی ایندنتورها و سیستم مورد استفاده قرار می گیرند.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.