Métallurgie des couches minces
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19.3 PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DES COUCHES MINCES
Les propriétés mécaniques d’un corps avec des traitements de surface sont les
propriétés mécaniques d’un corps composite. Mais contrairement à un macrocomposite, où les propriétés des composants individuels peuvent être déterminées séparément, ceci est rarement possible pour un revêtement. On se limite donc souvent à
la sollicitation du composite et on essaie par un traitement théorique de déterminer
les propriétés du revêtement et les propriétés de l’interface telles que l’adhésion. A
cause de ces problèmes avec les méthodes traditionnelles, l’étude de la propagation
d’ondes élastiques dans les revêtements est un outil valable pour déterminer le
module d’élasticité.
Une nouvelle génération de méthodes est en train d’apparaître: la nanoindentation (fig. 19.8). Il reste toujours le fait que la relation entre les propriétés
«macromécaniques» et nanomécaniques des matériaux n’est pas simple. Un grand
effort de recherche et de normalisation reste à accomplir.
Le développement de ces méthodes a aussi permis de revoir la notion de dureté
et nous sommes revenus à celle donnée initialement par Hertz:
Les mesures sont alors faites en relevant la force appliquée en fonction de la
profondeur pénétrée définie par rapport au premier contact. Cette relation est mesurée en pénétration et en sortie. On observe aussi la déformation résiduelle. Le calcul
de la dureté requiert une connaissance de la surface de contact en fonction de la
pénétration. Celle-ci est calculée par la mécanique du continuum en tenant compte
de la classe des matériaux (ductile, fragile). Les méthodes plus modernes utilisent
les mêmes mesures pour déterminer la surface de contact en fonction des propriétés
mécaniques mesurées avec un algorithme d’itération. En utilisant un chargement
différentiel, on peut déterminer la dureté et le module d’élasticité en fonction de la
profondeur.
La résilience d’un revêtement peut être déterminée par un essai de flexion ou
de torsion. Normalement on les exécute avec des tables spéciales montées dans un
MEB. Pour l’analyse de l’essai de flexion, il faut prendre en considération les tensions internes du revêtement, que l’on doit déterminer par une mesure séparée. A
cause de la texture prononcée observée pour la plupart des couches minces, la
résilience est anisotrope. Les analyses faites récemment sur des couches PVD montrent que la résistance à la rupture sous flexion de ces revêtements est très faible, de
l’ordre de grandeur de la précision de mesure des tensions internes.
Dans certains cas, comme le CVD sur des plaquettes en carbures cimentés, on
a développé une méthode fondée sur l’observation des fissures, qui partent des
coins d’une empreinte de microdureté Vickers. Son extension à d’autres composites
n’a pas été couronnée de succès. Une méthode nouvelle en plein développement
dureté
force appliquée
surface de contact
------------------------------------------ -
=
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19.3 PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DES COUCHES MINCES
Les propriétés mécaniques d’un corps avec des traitements de surface sont les
propriétés mécaniques d’un corps composite. Mais contrairement à un macrocomposite, où les propriétés des composants individuels peuvent être déterminées séparément, ceci est rarement possible pour un revêtement. On se limite donc souvent à
la sollicitation du composite et on essaie par un traitement théorique de déterminer
les propriétés du revêtement et les propriétés de l’interface telles que l’adhésion. A
cause de ces problèmes avec les méthodes traditionnelles, l’étude de la propagation
d’ondes élastiques dans les revêtements est un outil valable pour déterminer le
module d’élasticité.
Une nouvelle génération de méthodes est en train d’apparaître: la nanoindentation (fig. 19.8). Il reste toujours le fait que la relation entre les propriétés
«macromécaniques» et nanomécaniques des matériaux n’est pas simple. Un grand
effort de recherche et de normalisation reste à accomplir.
Le développement de ces méthodes a aussi permis de revoir la notion de dureté
et nous sommes revenus à celle donnée initialement par Hertz:
Les mesures sont alors faites en relevant la force appliquée en fonction de la
profondeur pénétrée définie par rapport au premier contact. Cette relation est mesurée en pénétration et en sortie. On observe aussi la déformation résiduelle. Le calcul
de la dureté requiert une connaissance de la surface de contact en fonction de la
pénétration. Celle-ci est calculée par la mécanique du continuum en tenant compte
de la classe des matériaux (ductile, fragile). Les méthodes plus modernes utilisent
les mêmes mesures pour déterminer la surface de contact en fonction des propriétés
mécaniques mesurées avec un algorithme d’itération. En utilisant un chargement
différentiel, on peut déterminer la dureté et le module d’élasticité en fonction de la
profondeur.
La résilience d’un revêtement peut être déterminée par un essai de flexion ou
de torsion. Normalement on les exécute avec des tables spéciales montées dans un
MEB. Pour l’analyse de l’essai de flexion, il faut prendre en considération les tensions internes du revêtement, que l’on doit déterminer par une mesure séparée. A
cause de la texture prononcée observée pour la plupart des couches minces, la
résilience est anisotrope. Les analyses faites récemment sur des couches PVD montrent que la résistance à la rupture sous flexion de ces revêtements est très faible, de
l’ordre de grandeur de la précision de mesure des tensions internes.
Dans certains cas, comme le CVD sur des plaquettes en carbures cimentés, on
a développé une méthode fondée sur l’observation des fissures, qui partent des
coins d’une empreinte de microdureté Vickers. Son extension à d’autres composites
n’a pas été couronnée de succès. Une méthode nouvelle en plein développement
dureté
force appliquée
surface de contact
------------------------------------------ -
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