Indentation behaviour of 'soft film on hard substrate' composite system type

Abstract

This investigation has been carried out in order to analyse and compare the hardness response of different composite systems of the same type, named 'soft film on hard substrate' composite system. Composite systems of mono- and multilayered electrodeposited Ni and Cu thin films on (100) and (111)-oriented monocrystalline Si wafers and 100 µm-thick electrodeposited Ni film as the substrates were fabricated. The indentation behaviour of these composite structures was characterized using Berkovich nanohardness and Vickers microhardness testing. The measured hardness is so-called 'composite hardness', because the substrate participates in the plastic deformation during the indentation process. The contribution of the substrate to the measured hardness starts at indentation depths of the order of 0.07- 0.2 times the film thickness. Dependence of nanohardness and microhardness values on electrodeposition process conditions, substrate and film microstructure, total film thickness, layer thickness and Ni/Cu layer thickness ratio for different composite systems ratio was investigated. Composite hardness model of Chicot-Lesage (C-L) was chosen and applied to experimental data in order to determine absolute film hardness.

Ovo istraživanje je izvršeno u cilju analize i upoređivanja odziva različitih kompozitnih sistema koji pripadaju istom tipu sistema nazvanom 'mek film na tvrdom supstratu', pri merenju tvrdoće. Formirani su kompozitni sistemi elektrodepozicijom jedno- i višeslojnih Ni i Cu tankih filmova na (100) i (111)- orijentisanim monokristalnim Si pločicama i 100-µm debelom elektrodeponovanom Ni filmu kao supstratima. Ponašanje ovih kompozitnih struktura pri utiskivanju je okarakterisano merenjem nanotvrdoće po Berkoviču i mikrotvrdoće po Vikersu. Izmerena vrednost mikrotvrdoće se naziva 'kompozitnom tvrdoćom' jer prilikom testiranja utiskivanjem dolazi i do plastične deformacije supstrata. Doprinos deformacije supstrata izmerenoj tvrdoći počinje na dubinama utiskivanja koje su reda 0.07-0.2 puta manje od debljine filma. Istraživana je zavisnost vrednosti nanotvrdoće i mikrotvrdoće od procesnih parametera elektrodepozicije, mikrostrukture supstrata i filmova, ukupne debljine filma, debljine pojedinačnog sloja u filmu i odnosa debljina Ni/Cu pojedinačnih slojeva u filmu za različite kompozitne sisteme. Radi određivanja apsolutne tvrdoće filma u sistemu, odabran je i na eksperimentalne rezultate primenjen model kompozitne tvrdoće Šiko-Lezaž (C-L).