Nanoölçekteki arayüzeylerin kayma dayanımlarınının deneysel olarak ölçülmesi

İki farklı metalin ardışık katmanlar halinde sıralandığı ve katman kalınlıklarının 1 mikronun altında olduğu yapılara nanokatmanlı metaller adı verilir. Nanokatmanlı metaller, yüksek akma dayanımı, ısıl stabilite ve radyasyon dayanımı gibi üstün özellikleri nedeniyle mühendislik uygulamaları için gelecek vaat etmektedir. Daha yüksek dayanımlı nanokatmanların geliştirilmesi ve bu malzemelerin içyapı-mekanik özellik ilişkisinin daha iyi anlaşılabilmesi için, katmanların arayüzey dayanımlarının doğru ve hassas bir şekilde ölçülmesi gerekir. Farklı kristal yapısına sahip iki elementin oluşturduğu nanokatmanlı yapılarda, arayüzeylerin kayma dayanımlarının katmanların akma dayanımına göre oldukça düşük olduğuna dair bulgular mevcuttur. Fakat bu konudaki deneysel çalışmalar, ölçümlerin zorluğu nedeniyle oldukça sınırlıdır. Bu çalışmada, arayüzeylerin kayma dayanımlarının deneysel olarak ölçülmesine yönelik bir yöntemin detayları sunulmuştur. Bu amaçla, bakır-niyobyum katmanları fiziksel buhar bırakımı ile üretilmiş, odaklanmış iyon demeti aracılığıyla mikrosütun numuneler hazırlanmış, elde edilen numuneler üzerinde bir nanosertlik cihazı aracılığıyla basma testi yapılmıştır. Numune üretimi öncesinde litografi yöntemiyle silisyum mikrosilindir altlıklar üretilmiş ve bu özgün yaklaşım sayesinde numune üretim süresi ve maliyeti kısaltılmış, tekrarlanabilirlik ise artırılmıştır. Elde edilen sonuçlar literatürdeki deneysel verilerle ve moleküler dinamik simülasyonları ile uyumludur. Uygulanan yöntem, nanokatmanların yanı sıra, çeşitli mühendislik kaplamalarının yüzeye yapışma özelliklerini ve çok fazlı yapıların faz arayüzeylerindeki dayanımı ölçmek için de etkili bir yaklaşım sunmaktadır.

Anahtar Kelimeler:

Nanokatmanlı malzemeler, mekanik ölçümler, arayüzey dayanımı, mikrobasma deneyi, odaklanmış iyon demeti

PDF

___

[1] J. Wang, Q. Zhou, S. Shao, A. Misra, Strength and plasticity of nanolaminated materials, Mater. Res. Lett. 5 (2017) 1–19. doi:10.1080/21663831.2016.1225321.
[2] A. Misra, J.P. Hirth, R.G. Hoagland, Length-scale-dependent deformation mechanisms in incoherent metallic multilayered composites, Acta Mater. 53 (2005) 4817–4824. doi:10.1016/j.actamat.2005.06.025.
[3] N.A. Mara, D. Bhattacharyya, P. Dickerson, R.G. Hoagland, A. Misra, Deformability of ultrahigh strength 5nmCu∕Nb nanolayered composites, Appl. Phys. Lett. 92 (2008) 231901. doi:10.1063/1.2938921.
[4] P.L. Mangonon, G. Thomas, Structure and properties of thermal-mechanically treated 304 stainless steel, Metall. Trans. 1 (1970) 1587–1594. doi:10.1007/BF02642004.
[5] R.P. Reed, R.P. Mikesell, Low Temperature Mechanical Properties Of Copper and Selected Copper Alloys, National Bureau of Standards, Colorado, n.d.
[6] A. Misra, M. Verdier, Y.C. Lu, H. Kung, T.E. Mitchell, M. Nastasi, J.D. Embury, Structure and mechanical properties of Cu-X (X = Nb,Cr,Ni) nanolayered composites, Scr. Mater. 39 (1998) 555–560. doi:10.1016/S1359-6462(98)00196-1.
[7] P.H. Shingu, K.N. Ishihara, A. Otsuki, I. Daigo, Nano-scaled multi-layered bulk materials manufactured by repeated pressing and rolling in the Cu–Fe system, Mater. Sci. Eng. A. 304–306 (2001) 399–402. doi:10.1016/S0921-5093(00)01516-1.
[8] E.G. Fu, N. Li, A. Misra, R.G. Hoagland, H. Wang, X. Zhang, Mechanical properties of sputtered Cu/V and Al/Nb multilayer films, Mater. Sci. Eng. A. 493 (2008) 283–287.
[9] S. Özerinç, K. Tai, N.Q. Vo, P. Bellon, R.S. Averback, W.P. King, Grain boundary doping strengthens nanocrystalline copper alloys, Scr. Mater. 67 (2012) 720–723. doi:10.1016/j.scriptamat.2012.06.031.
[10] J. Wang, R.G. Hoagland, J.P. Hirth, A. Misra, Atomistic simulations of the shear strength and sliding mechanisms of copper–niobium interfaces, Acta Mater. 56 (2008) 3109–3119. doi:10.1016/j.actamat.2008.03.003.
[11] S. Mao, S. Özerinç, W.P. King, R.S. Averback, S.J. Dillon, Effect of irradiation damage on the shear strength of Cu–Nb interfaces, Scr. Mater. 90–91 (2014) 29–32. doi:10.1016/j.scriptamat.2014.07.009.
[12] J. Wang, R.G. Hoagland, X.Y. Liu, A. Misra, The influence of interface shear strength on the glide dislocation–interface interactions, Acta Mater. 59 (2011) 3164–3173. doi:10.1016/j.actamat.2011.01.056.
[13] W.C. Oliver, G.M. Pharr, An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments, J. Mater. Res. 7 (1992) 1564–1583. doi:10.1557/JMR.1992.1564.
[14] M.D. Uchic, D.M. Dimiduk, A methodology to investigate size scale effects in crystalline plasticity using uniaxial compression testing, Mater. Sci. Eng. A. 400–401 (2005) 268–278. doi:10.1016/j.msea.2005.03.082.
[15] M.D. Uchic, P.A. Shade, D.M. Dimiduk, Plasticity of Micrometer-Scale Single Crystals in Compression, Annu. Rev. Mater. Res. 39 (2009) 361–386. doi:10.1146/annurev-matsci-082908-145422.
[16] X. Liu, R. Hao, S. Mao, S.J. Dillon, Shear strengths of FCC-FCC cube-on-cube interfaces, Scr. Mater. 130 (2017) 178–181. doi:10.1016/j.scriptamat.2016.11.038.
[17] N. Li, N.A. Mara, J. Wang, P. Dickerson, J.Y. Huang, A. Misra, Ex situ and in situ measurements of the shear strength of interfaces in metallic multilayers, Scr. Mater. 67 (2012) 479–482. doi:10.1016/j.scriptamat.2012.06.008.
[18] J. Zhou, R.S. Averback, P. Bellon, Stability and amorphization of Cu-Nb interfaces during severe plastic deformation: Molecular dynamics simulations of simple shear, Acta Mater. 73 (2014) 116–127. doi:10.1016/j.actamat.2014.03.055.