Методы измерения внутренних напряжений.

Их достаточно много, но в практике используются методы, основанные на измерении стрелы прогиба тонкой металлической пластины с покрытием. Измерение можно проводить непосредственно в условиях электролиза, это наиболее интересно и значимо, но можно проводить и после электролиза (на образце с нанесённым покрытием).

Быстрый, несложный, но не очень точный метод отклонения катода под действием растущего покрытия в ту или иную сторону. Отклонение фиксируется с помощью микроскопа с делениями в окуляре. Стрелу прогиба определяют по максимальному отклонению конца катода от вертикального положения. Отклонение может быть в несколько мм, оно пропорционально растущей толщине покрытия.

Рисунок 3

Для увеличения численности измерений часто изображение изгиба катода ведут с помощью проекции на экран, там легче масштабировать и повысить точность.

В качестве детали здесь используется металлческая фольга, чем тоньше, тем лучше, меньше 100 мкм. Обязана быть не напряженной. Лучший результат получается, если в качестве фольги брать медь после отжига при температуре ~600(?)*С. Фольга становится не напряженной, её изгиб будет проходить под действием растущего металлопокрытия.

Для расчёта внутренних напряжений по изгибу катода используют формулу:

E – модуль упругости металлоосновы, h– толщина основы или фольги, y – отклонение конца катода от вертиклаьного состояния,h₁ – толщигна покрытия,l – высотао погруженной части катодной пластины. Ихмерение внутренних напряжений здесь можно проводить в ходе электролиза, и часто максималное отклонение происходит в первый момент времени, когда покрытие садится на чеужеродную основу. Последующие слои будут осаждаться на свои же равнее, когда напряжения могут частично компенсироваться.

Этим методом легко проверять жкйствие различных улучшающих добавок, влияющих на внутреннее напряжение. Та добавка, которая приведёт к минимальному отклонению, будет наиболее эффективна.

рисунок 4

Другой метод измерения основан на том, что пластину помещают в держатель и с помощью специального стержня, который двигается через цилиндрик с делениями, устанавливают значениям момента касания стержня и пластины. Этому значению присваивается равновесие 0. Затем наносится покрытие, в результате нанесения образец может изогнуться. В случае напряжения сжатя образец прогибается вверх и положение тоже смещается. При растяжении то же, но стердень опускается вниз. В этом случае используется

Обозначения те же самые, а величина fпоказывает стрелу прогиба, т.е. изменение высоты касающкго стержня. Чтобы избежать избыточного давления опускаемого стержня, момент его касания рекомендуют фиксироать с помощью электрической схемы.

Лекция 5. 23/03/16

Измерение твёрдости металлов и металлических покрытий.

В практике определяют микро и макротвёрдость. Макротвёрдость обычно определояются для монолитных материалов, когда нагрузка на него в ходе определения твёрдости достигает больших величин (до 5 кг). Микротвёрдость определяется обычно для различных видов покрытий, толщина которых лежит в пределах от десятков до сотен микрон. В этом случае нагрузки при испытании не превышают 0,5 кг. При определении твёрдости используют метод вдавливания, наконечника определённой формы в деталь или покрытие при определённой нагрузке. Нагрузка / площадь вдавливания = твёрдость. В случае использования монолитных материалов, существуют определённые варианты измерения: когда в поверхность вдавливается шарик, то определяется твёрдость по Бринелю (НВ). Если в поверхность вдавливается пирамидка, то по Витерсу (HV). Когда вдавливается шарик меньших размеров или конус, то определяется твёрдость по Роквеллу (HR). В зависимости от вида наконечника, обозначается HRB, HRC, HRA. Каждый из этих методов имеет свою шкалу измерений в условных единицах. Чем больше единица, тем больше величина твёрдости. Для твёрдости по Роквелу, величина 25-100 единиц.

Для определения микротвёрдости, когда используются очень маленькие нагрузки, телом вдавливания в поверхность является четырёхгранная микропирамидка. Она выполнена с очень большой точностью, степень шероховатости поверхности в ней меньше 0,5 мкм. Это даёт возможность определять величину микротвёрдости в очень точных пределах, а главное – и в тонких слоях. В случае определения микротвёрдости измеряется диагональ отпечатка (след от пирамидки), по этим диагоналям вычисляется площадь, а при известной нагрузке (кг, Н) – определяется сама величина микротвёрдости, уже не в условных единицах, а в общепринятых. Так как используется пирамидка, эта твёрдость определяется как твёрдость по Витерсу, HV. Размерность кг/мм², Н/м², чаще всего – МПа или ГПа.

Для металлических покрытий величина микротвёрдости может меняться в широких пределах, поэтому для измерения определяют нагрузку, при которой эта твёрдость будет фиксироваться. Отпечаток от пирамидки обычно фиксируют в виде крестика, который получается в результате вдавливания. Значит, с помощью точного измерительного инструмента, микроскопа, мы определяем длину диагоналейd1 иd2.

Рисунок 1

При ровной поверхности и качественной пирамидке, эти диагонали должны быть равны. Если они не равны, берётся средняя диагональ. По величине диагонали вычисляется площадь, а нагрузка, подаваемая на материал, известна. Нагрузки в современных приборах меняются от 2 г (для мягких материалов) до 200 г. Ввиду того, что величина диагонали будет зависеть не только от твёрдости материала, но и от величины нагрузки, величина микротвёрдости обычно даётся для той нагрузки, при которой был проведён эксперимент. ; ГПа. Чтобы сравнивать между собой по твёрдости различные материалы, иногда поступают следующим образом: подбирают нагрузку такой, чтобы длина диагоналей для различных материалов была примерно одинаковой. Имея примерно одну и ту же площадь, но разную нагрузку, расчётным путём вычисляют саму величину твёрдости.

В условиях химического и электрохимического осаждения покрытий, микротвёрдость, как правило, значительно выше, чем у металлов и сплавов, полученных металлургическим путём. Это хорошо, если одновременно не возникают высокие внутренние напряжения. Причин, приводящих к повышенной микротвёрдости металлопокрытий, может быть несколько:

1. включение различных видов загрязнений, ПАВ, элементов в состав покрытий.

2. сильное размельчение кристаллов металла в условиях высоких поляризаций.

3. выделяющийся водород влияет на формирование кристаллической решётки, часто её искажая, что приводит к появлению различных дефектов, а они, как правило, делают покрытие более твёрдым.

Все эти факторы могут действовать вместе или отдельно. Например, при осаждении никелевых покрытий, имеющих среднюю твёрдость (~6 ГПа) процесс идёт со значительной катодной поляризацией с размельчением кристаллов, но одновременно в состав покрытия могут включаться частицы гидрооксиси, которая формируется в прикатодном пространстве за счёт параллельного процесса выделения водорода. Водород тоже частично включается в состав покрытия, в результате происходит искажение кристаллической решётки, и вариантом этого искажения является появление большого количества дислокаций, ступеней в плоскости. Чем больше уступов, тем больше возрастает плотность дислокаций. На см² поверхности таких уступов может быть 10¹². В результате увеличения плотности дислокаций снижается их подвижность, а в условиях вдавливания пирамидки при определении твёрдости эта пирамидка проникает в металл на меньшую глубину, что говорит о повышенной твёрдости покрытия.

В пользу такого механизма говорят факты, когда в особо чистых растворах получается не загрязнённое примесями и гидроксидами покрытие с менее дефектной структурой, обладающее меньшей твёрдостью. Иногда специально создают условия для повышения твёрдости, например, в электролиты никелирования вводят добавки хлорида аммония, а pH сдвигают от 4 до 5. В этих условиях возникает некоторое включение гидроксида никеля в состав покрытия, что увеличивает твёрдость на 20-30%. Более целенаправленно увеличивать твёрдость и микротвёрдость можно введением специальных добавок, например, при химическом никелировании получаются покрытияNiP иNiB. Неметаллы в кристаллической решётке образуют пересыщенный твёрдый раствор, и при термовоздействии могут выпадать новые отдельные фазы в виде химических соединений:Ni₃P, Ni₂B, Ni₃B. Эти фазы увеличивают микротвёрдость в ~2 раза. Некоторые авторы считают, что даже небольшие количества примесей могут влиять на повышение микротвёрдости. Например, при использовании фосфорсодержащих анодов или пирофосфатных электролитов фосфор может частично включаться в состав покрытия. Даже углерод может включаться в состав покрытия, из анодов или за счёт растворённогоCO₂.

Действие микропримесей на изменение твёрдости будет происходить при определённых концентрациях. Например, часто в электролитах никелирования используют серосодержащие добавки (сахарин, сульфомиды и тд). Твёрдость сначала растёт, а потом стабилизируется.

Рисунок 2

Когда примеси мало, она распределяется в КР, способствуя появлению большого количества дислокаций с пониженной подвижностью. Наступает момент, когда эти включения даже без термообработки образуют отдельные химические соединения, напримерNiS. Этот сульфид, являясь отдельной фазой, формируется по границам зёрен, увеличения твёрдости не происходит.

Условием электрокристаллизации мы можем управлять, значит, несмотря на вид добавок и различных загрязнений, мы можем менять и микротвёрдость. Обычно чем выше плотность тока и катодная поляризация, тем больше можно ожидать величину микротвёрдости. И наоборот, повышение температуры, которое обычно снижает электродную поляризацию, будет делать покрытия более мягкими и пластичными. Причина – см. предыдущие 4 фактора (водород, дислокация и тд).

На металлических покрытиях часто оказывается, что величина микротвёрдости непостоянна, и в ряде случае она с течением времени уменьшается на 20-40%. Например, это характерно для некоторых медных покрытий. Причина – то, что КР в условиях хранения и, тем более, высокотемпературной эксплуатации, переходит в упорядоченное состояние. Успевает десорбироваться водород, снижаются внутренние напряжения, происходит укрупнение кристаллических зёрен, поверхность соприкосновения зёрен с соседями сокращается, микротвёрдость снижается.

Все эти процессы приводят к явлению «рекристаллизации», частичной перекристаллизации. Этот процесс можно ускорить путём термообработки. В целом, оптимальный режим термообработки для рекристаллизации составляет примерно половину от величины температуры плавления. Существует минимальная и максимальная температура, при которых эта кристаллизация возможна.

Металл	Тначала	Тконечная
Ag	100	300
Cr	600	800
Ni	430	600
Rh	700	900

За счёт рекристаллизации можно стабилизировать величину твёрдости. Сами металлические покрытия имеют микротвёрдость, которая лежит в широком диапазоне.

Металл
Ag	700 +- 100
Au	800 +- 200
Cu	800 +- 200
Cr твёрдый	9000 – 11 000
Ni	4500 – 6000
Rh	10 000 – 11 000

Если рассматривать химические покрытия, то

Металл
NiP	6500
NiP термообработанный	9000 – 10 000
NiB термообработаннный	12 000 – 14 000

Процесс измерения твёрдости ведут на специальных приборах, микротвёрдомерах. Мы будем использовать ПНТ-3, он представляет собой точный микроскоп. Он имеет в окуляре шакалу с делениями, которую можно отградуировать микроном по специальному эталону. Через окуляр микроскопа мы смотрим на образец куда была вдавлена пирамидка. Пирамидка оставляет на образце след в виде квадратика, с помощб измерительного микросокопа определяем длину этих диагоналей. Определяется средняя диагональ.

Вдавливание пирамидки производится предварительно на закреплённую с помощью пластилина металлическую пластинку. Крепление ведётся на поворотном столике, который поворачивается с деталью в зону опускания пирамидки, происходит вдавливание, получается отпечаток, а затем столик поворачивается в зону микроскоп, где мы сможем увидеть отпечаток.

Точность определения микротвёрдости будет определяться условиями вдавливания пирамидки в покрытие. Нужно, чтобы пирамидка вошла на определённую глубину, но сильно не деформировала сам материал. Согласование условий вдавливания ведётся путём предварительной точной наводки на резкость того участка покрытия, куда будет вдавливаться. С помощью специальных пружин, когда резкость наилучшая на пирамидку подаётся оптимальное усилие, соответствующее прилагаемой съёмной нагрузке. Если микроскоп находится выше оптимальной точки, давление получается меньше, отпечаток по диагонали меньше, а это даёт завышенную твёрдость. Если микроскоп находится лишком близко к поверхности, то давление избыточное и микротвёрдость занижена.Наведение на резкость будет соответствовать оптимальным условия определения твёрдости.

Есть определённые требования подготовки самого образца. Нужно выбрать в зоне измерения твёрдости наиболее ровный однородный участок, а выбирать его мы можем, двигая столик микроскопа в разные стороны. В ряде случаев можно определить твёрдость не самого покрытия, а каких-то его отдельных фаз, если они микроскопически фиксируются. Наш микроскоп имеет увеличение, в зависимости от типа объектива, 130-500-800 раз. В последнем случае можно фиксировать диагонали для наиболее твёрдых металлов.

Обычно перед измерениями микротвёрдости достаточно декапировать, отмыть и высушить образец. Главное – чтобы не было солевых и оксидных загрязнений. Но часто поверхностный слой может проходить ту или иную обработку давлением. Поверхностный слой в случае механических воздействий может иметь иную твёрдость, чем само покрытие. Чтобы этот слой убрать, применяют операции тонкой механической полировки или даже электрохимической. Одновременно идёт сглаживание поверхности, отпечаток пирамидки будет виден более чётко. Делают сразу не менее 4-5 отпечатков. Получается семейство отпечатков. На каждом из них производится измерение диагоналей. В практике используют очень точную алмазную пирамидку с углом вдавливания 136*.

Рисунок 3

Прибор позволяет вести плавное опускание этой пирамидки на поверхность. Время опускания 5-15 секунд, делается определённая выдержка 15-50 секунд, пирамидка поднимается, столик передвигается в зону измерения.

Чтобы определить площадь продавливания, – площадь боковой поверхности пирамиды. Величина твёрдости будет определяться величиной нагрузки. Чтобы перевести значение микротвёрдости в Па, используют

Для определения твёрдости важны соотношения толщины покрытия и глубины продавливания пирамидки. Здесь нужно создать условия, чтобы был запас толщины. Иначе пирамидка продавит само покрытие и часть основы, измерения твёрдости будут неточными. Глубина отпечатка пирамидки может быть вычислена из диагонали отпечатка.

Глубина отпечатка обычно находится в пределах 0,5-40 мкм, существует примерно следующее соотношение: . Значит, для определения микротвёрдости понадобятся толстые покрытия, и результаты тогда будут наиболее надёжными, т.к. при одной и той же нагрузке мы можем измерить твёрдость на различных металлах и сплавах. В случае тонких покрытий для того, чтобы диагональ отпечатка была небольшой и пирамидка не продавливала покрытие до основы, используют меньшие нагрузи. Точность определения здесь будет меньше.

В зависимости от природы металла заранее подбирают величину нагрузки, которая даёт оптимальную длину диагоналей.

Me	P	d
Bi, Cd	10 г	25 мкм
Al	10-20 г	30-45 мкм
Mg, Cu	20-50	20-40
NiP, NiB	100	10-20

Удобнее работать, когда длина диагонали составляет несколько десятков микрон. Чтобы точнее определить эту длину, объективы у микроскопа можно менять. Сначала берут объектив с меньшим увеличением, определяют зону расположения отпечатков. Если отпечаток не виден, то это не значит, что материал очень твёрдый: отпечаток может не попасть в зону объектива. Поэтому с помощью специальных винтов объектив осторожно передвигают, чтобы поле зрения отпечаток был виден. В окуляре микроскопа находится измерительная шкала, которую можно двигать, перемещая специальный винт с делениями. Если мы видим отпечаток в микроскопе, мы имеем перекрестие, на котором расположена шкала. Сначала перекрестие помешают на конец диагонали, горизонтально, фиксируют положение как начальное. Затем вращают винт и сдвигают перекрести в сторону начала диагонали, фиксируют конечное положение. Разность показаний между конечным и начальным даст нам длину диагонали. Затем столик поворачивают и меряют аналогично другую диагональ, проводят усреднение. Т.к. по образцу-эталону мы заранее определили цену деления шкалы, высчитываем величину диагонали в микронах. Для определения чисел микротвёрдости удобней пользоваться специальными таблицами или графиками (номограммы). В них, в зависимости от средней диагонали в микронах и от применяемой нагрузки, находится величина микротвёрдости. С изменением нагрузки меняется и длина диагонали, по той же таблице, проведя эксперимент при различных нагрузках, можно найти микротвёрдость при новой нагрузке. В идеале, величины микротвёрдости должны совпадать.

Рисунок 4 где-то тут

Метод измерения диагонали путём передвижения перекрестия в горизонтальном и вертикальном направлении не удобен, потому что приходится менять положение образца, но этого можно не делать в том случае, если перекрестие будет представлять собой вертикальные и горизонтальные линии.

Рисунок 5

Измерение можно проводить, не меняя положения образца, путём подведения перекрестия поочерёдно ко всем углам отпечатка. Сначала измеряем величину на горизонатльном конце,z1. Затем на вертикальном, z2. Затем с другой стороны от z1 – z3. Последний этап – снизу,z4. Положение образца неизменно. Чтобы определить величины диагоналей, используют соотношения