Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Оформления исследований одного автора




Исследование структуры поверхности стали, подвергнутой бомбардировке частицами кобальта со скоростью 2 км/с, методом сканирующей атомно-силовой микроскопии

Звежинский Дмитрий Станиславович   ГОУ Московский инженерно-физический институт (ГУ), кафедра 60 115409, Москва, Каширское шоссе, 31 тел. (09621) 49622, (095) 234-17-93 эл. почта: [email protected]

Аннотация

 

Изучена структура поверхности стали, подвергнутой бомбардировке ионами кобальта, методом сканирующей атомно-силовой микроскопии. Получены двух- и трёхмерные кадры поверхности с разрешением до 10 нм. Показано, что на поверхности находятся кратеры со средним размером 35 нм, а вся поверхность разбилась на бугорки со средним размером 20 нм. Средняя шероховатость Ra поверхности в целом осталась малой и составляет около 2 нм.

Постановка задачи

 

При эксплуатации конструкционных материалов в условиях космического пространства необходимо знать возможную степень их разрушения частицами космической пыли [1,2]. Для моделирования повреждения обшивки космических аппаратов, изучение стойкости стальных конструкций в условиях космоса в качестве конструкционного материала выбрана конструкционная сталь, на которую направляются разгоняемые до больших скоростей микрочастицы кобальта. Эксперимент был проведен в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН. Задача исследования полученного образца состоит в оценке размера разрушений - кратеров, и оценить структуру подвергшейся бомбардировке поверхности.

Экспериментальная часть

 

От облученного куска стали был отрезан небольшой образец (размером 10/2 мм). С помощью тестера произведена прозвонка образца. Он оказался электропроводным, поэтому первоначально было решено проводить исследование в СТМ – режиме. Использовался мульти-микроскоп СММ-2000 (изготовитель ОАО «Завод Протон-МИЭТ», г. Зеленоград). После установки образца в микроскоп получена сильно зашумленная картина поверхности. После обновления сканирующей иглы и переустановки образца в микроскоп качество картины не изменилось. Причины зашумлённости не поддались выяснению. Поэтому решено было провести исследование с помощью АСМ режима.

В используемом мульти-микроскопе, имеющем АСМ и СТМ режимы, АСМ-режим работает в контактной моде, наиболее подходящей в нашем случае [3]. Поверхность образца не является органикой, а является твёрдым телом, что позволяет использовать любую, в том числе контактную моду АСМ, но при этом контактная мода АСМ-режима имеет наибольшее разрешение, достигающее 0.1 Ангстрема по латерали.

В исследовании использовались мягкие кантилеверы для контактной моды марки MSCT фирмы Veeco (USA) наиболее длинной консолью самой малой жёсткости, с условным нажимом в 20 единиц со скоростью сканирования около 15 мкм/с и количеством усреднений в точке – 16, что дало приемлемые результаты.

Обзорный скан большого размера (рис.1.) показал, что на образце помимо механических дефектов поверхности присутствуют искомые кратеры с размером примерно 20 нм. Для захвата достаточного для статистики количества кратеров выбрано поле сканирования 850 * 850 нм с количеством точек 466/466. На одну точку приходится около 2 нм, что достаточно для измерения общих параметров поверхности и самих кратеров. Выбранного размера хватит, чтобы в кадр поместилось 5-10 кратеров.

Результаты и обсуждение

 

Один из характерных снятых кадров нужного размера представлен на рис.2. На нём видна поверхность с бугорками и кратерами. На кадре были горизонтальные помехи, которые были вычищены медианной фильтрацией (мягким фильтром 1х3). Анализ Фурье-образа кадра показал отсутствие каких-либо выделенных максимумов, что говорит как об отсутствии какого-либо порядка в расположении объектов - наночастиц, так и об отсутствии на кадре регулярных помех типа вибраций или засветки от ламп переменного тока. Из-за отсутствия других помех Фурье-фильтрация, а также другие типы фильтрации не производились.

Для сравнения АСМ - кадров с возможными кадрами этого образца в электронных микроскопах был получен трёхмерный вид одного из кадров (рис.3).

На двух- и трёх- мерных кадрах видны длинные борозды, скорее всего связанные с первичной механической обработкой поверхности образца. Также видны искомые нами кратеры от бомбардировки поверхности. И, кроме того, видно много наночастиц размерами в десятки нанометров, возможно возникших после бомбардировки. Необходимо оценить морфологию всех этих образований.

Для оценки качества первичной механической обработки проведён расчёт параметров шероховатости по всему кадру и по той части кадра, на которой нет борозд от первичной механической обработки.

Среднеквадратичная шероховатость по всему кадру (рис.4) равна 1.7 нм, что соответствует полировке высшего класса (16 класс и лучше) и говорит о безупречной подготовке образца. Контраст рельефа на кадре связан лишь с чрезвычайно высокой чувствительностью контактной моды АСМ в микроскопе СММ-2000 по высоте – лучше 0.05 Ангстрем. Это понятно и из цифры общего разброса высот в кадре – 9 нм (по рис.2).

Среднеквадратическая шероховатость, связанная с появлением наночастиц (рис.5), также очень мала и составляет 0.5 нм. При этом параметры S и Sm можно использовать как разброс размеров основного количества этих частиц – от 22 до 69 нм.

Для оценки размеров профилей кратеров были проведены их сечения. Кратер большого размера (рис.6) имеет полуширину 25 нм и глубину 4.3 нм. Кратер малого размера (рис.7) имеет полуширину 13 нм и глубину 2 нм.

Фрактальный анализ кадра показал разбиение на три участка с разным наклоном и разной фрактальной размерностью. Это означает, что выделяются три разнородные по морфологии группы объектов. Объекты в интервале размеров 125-608 нм - это шероховатости от первичной механической обработки образца. Они имеют минимальную фрактальную размерность 2.000068 (рис. 8.1), что подтверждает их малую шероховатость. Объекты в интервале размеров 11-70 нм – это наночастицы, видимо располагающиеся в один слой на поверхности массива образца, т.к. они имеют невысокую фрактальную размерность - 2.00066 (рис. 8.2). Объекты в интервале размеров 3-16 нм - это атомарные кластеры, их расположение видимо хаотично и трёхмерно, т.к. их фрактальная размерность высока – 2.0015 (рис. 8.3).

Морфологический анализ (рис.9) образовавшихся после бомбардировки наночастиц показал, что разброс их размеров довольно узок. Кроме того, автоматический подбор функции, описывающей корреляцию диаметра и площади частиц, дал аппроксимацию полиномом второй степени, что указывает детерминированный, не случайный (Пуассоновский) характер возникновения наночастиц. Наглядное распределение наночастиц по диаметрам получено гранулометрическим анализом (рис. 10).

Выводы

 

В результате исследования поверхности образца конструкционной стали, подвергшейся бомбардировке частицами кобальта, были получены следующие результаты.

· На поверхности, подвергшейся бомбардировке, видны нечастые кратеры с характерным диаметром 20-50 нм и глубиной 2-5 нм.

· Особенным наблюдением является образование на поверхности образца после бомбардировки монослоя наночастиц с узким диапазоном диаметров для их основного количества – от 18 до 30 нм.

Список литературы

1. Никитушкина О.Н., Иванов Л.И., Бедняков С.А., Новиков Л.С. Изменение морфологии поверхности металлов при сверхзвуковых соударениях. ФХОМ, 2001, №1, с.48-51

2. Никитушкина О.Н., Иванов Л.И., Петров А.Н., Новиков Л.С., Коношенко В.П., Соколов В.Г. Структура микрократеров на поверхности металлических образцов, экспонировавшихся в открытом космосе. ФХОМ, 2002, №2, с.21-25

3. Логинов Б.А., Руководство пользователя микроскопа СММ-2000, МИФИ-2005.

 

Рис.1. Обзорный скан 3,7 / 3,7 мкм Рис.2. Характерный кадр 850/850/9 нм
Рис.3 Трёхмерный вид кадра

 

Рис.4. Анализ шероховатости по всему кадру  
Рис.5. Анализ шероховатости по части кадра без борозд
Рис.6. Профиль большого кратера  
Рис.7. Профиль малого кратера

 

Рис.8.1. Фрактальный анализ макрорельефа  
Рис.8.2. Фрактальный анализ наночастиц  
Рис.8.3. Фрактальный анализ атомарных кластеров

 

 

Рис.9 Морфологический анализ кадра  
Рис.10. Кривые гранулометрического состава

 


Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...