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Cristiane Martins AngeloNewton Kiyoshi FukumasuRoberto Martins de Souza
Laboratório de Fenômenos de Superfície (LFS)
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
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TópicosFilmes finosFraturas em filmes finosGeometria estudadaMateriais utilizadosModelo numéricoSimulaçõesResultadosConclusões
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Filmes finosCamada protetora
Melhoria de propriedades superficiais
Materiais cerâmicos
Fonte: E. Harry, A. Rouzaud, M. Ignat, P. Juliet, Thin Solid Films 332 (1998) 195-201.
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Ensaio de tração Amostra
deformada até a ruptura
Carga de tração uniaxial e paralela
Fonte: http://www.matweb.com/reference/tensilestrength.asp
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Fraturas em filmes finos
Fonte: M. Yanaka, Y. Tsukahara, N. Nakaso, N. Takeda, Cracking phenomena of brittle films in nanostructurecomposites analysed by a modified shear lagmodel with residual strain, Journal of MaterialsScience 33 (1998) 2111-2119.
Ocorrência de trincas primárias
No maior espaçamento entre trincas
Maiores valores de tensões trativas
Máxima tensão no ponto médio entre as duas trincas
Geração de novas trincas
Redução do espaçamento entre trincas
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Geometria estudadad: distância entre trincash: altura totalL: comprimentoe: espessura do filmed/e: parâmetro característico usado na análise
Parâmetro/Caso 1 2 3 4 5 6 7 8 9
d/e 0,5 1 2 3 4 5 10 20 40e 0,0046 mmh 0,1 mml 0,38 mm
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Materiais utilizadosPropriedade Substrato Filme
Módulo de Elasticidade (E) [GPa] 68,9 280,0
Coeficiente de Poisson (ν) 0,3 0,3
Tensão de Escoamento (σy) [MPa] 295,0 -
Tenacidade à fratura (kIc) [MPa] - 5,0
Substrato perfeitamente plástico
Liga de alumínio AA 6061-T6
Filme elástico-linear Típico de materiais
cerâmicos
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Modelo numérico
323 e
dc
c
y
substrato
filme
y
c
c
Ic
E
EeFe
k
3
cd
c
Fonte: Hu, M.S., Evans, A.G. (1989) The cracking and decohesion of thin films on ductile substrates. Acta Metall, 37, 917-925.Latella, B.A., Triani, G., Zhang, Z., Short, K.T., Bartlett, J.R., Ignat, M. (2007) Enhanced adhesion of atomic layer deposited titania on polycarbonate substrates. Thin Solid Films, 3138-3145.
Espaçamento crítico ou de saturação ( ): espaçamento a partir do qual não se formam novas trincas entre as já existentes
Tensão crítica ( ): tensão mínima para que ocorra fratura do filme
Espaçamento crítico encontrado para o caso estudado de 10 vezes a espessura do filme
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SimulaçõesABAQUS®
Aproximadamente 400.000 elementos retangulares
Refinamento da malha ao redor das trincasEstado plano de deformaçõesCondições de contorno
Carregamento uniaxial ao longo do filme e substrato, com deslocamento efetivo de 1µm
Condição de simetria vertical na base do substrato e movimento livre horizontal
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Resultados
Figura a b c d e f g h id/e 0,5 1 2 3 4 5 10 20 40
Distribuição de tensões ao longa da linha de ação do carregamento (σ11) na região entre trincas
Tensões na superfície do filme: Compressivas : a, b, c, d,
e Trativas : f, g, h, i
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Resultados Distribuição das tensões σ11
na superfície do filme para a região entre trincas
Semelhante ao encontrado na literatura para valores maiores que d/e igual a 10
Tensões compressivas nas regiões próximas às superfícies da trinca
Máximo valor de compressão ocorre para a razão d/e igual a 2
Abaixo desse valor a curva tende a zero
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Resultados Gráfico dos valores
máximos da tensão σ11 em função da razão d/e
Valores acima do crítico: curva tende assintoticamente a um valor máximo, o que implica na nucleação de novas trincas
Valores abaixo do crítico: curva apresenta rápida queda das tensões σ11, de forma que não há formação de novas trincas
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ConclusõesExistência de uma razão d/e a partir da qual não
ocorrem novas trincas, pois a tensão crítica não é alcançada
Espaçamento crítico ou de saturação entre trincas, no caso estudado, é de 10 vezes a espessura do filme, o que corresponde a tensão crítica de 442 MPa
Para valores abaixo desse espaçamento crítico, verifica-se uma queda acentuada da tensão máxima na superfície do filme entre as trincas
Tensões σ11 tendem a valores compressivos a partir da razão d/e inferior a 5 e a valores nulos para d/e inferior a 2
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Agradecimentos
Prof. Dr. Roberto Martins de Souza
Dra. Adriana Gomez
Laboratório de Fenômenos de Superfície