Tenue mécanique de couches très minces sur substrats fragiles : développement d'un dispositif spécifique de micro-rayure et modélisation élastique par éléments frontières du contact glissant sphère/plan

par Richard Consiglio

Thèse de doctorat en Mécanique et énergétique

Sous la direction de Jürgen von Stebut.

Soutenue en 1997

à Vandoeuvre-les-Nancy, INPL .


  • Résumé

    Le test de rayure classique, très répandu pour déterminer la tenue mécanique (cohésion, adhésion) de matériaux revêtus, fait appel à des rayures importantes entrainant des déformations plastiques du composite dans son ensemble. Un test de micro-rayures est présenté permettant l'étude ciblée de la tenue mécanique de revêtements de très faible épaisseur (voisine de 100 nanomètres), courants dans les applications micro-électroniques et optiques. On adopte le principe d'une lame flexible pour l'application de la charge, dont la gamme s'étend de 0. 1mN à 1N. L’utilisation de pointes de très faible rayon de courbure à l'extrémité permet une sollicitation spécifique de la zone interraciale. Le diagnostic de l'endommagement s'effectue par examen métallographique et par microscopie à force atomique. On travaille en fatigue de contact par la sollicitation d'un composite substrat/revêtement en frottement multipasses cyclique sans déformation plastique du substrat. Cette technique est appliquée aux couches minces de tungstène de référence du GdR G 1108, obtenues par pulvérisation directe assistée par implantation ionique, sur des substrats en silicium. Le nombre Nc de cycles jusqu'à l'apparition d'endommagement adhésif (cloquage) s'avère un excellent critère de la qualité interfaciale. La modélisation, par éléments frontières, du contact normal sphère/bi-matériau dans le domaine élastique montre que l'évolution de la contrainte équivalente de von Mises le long de l'axe de symétrie est fortement tributaire des tailles et des propriétés mécaniques respectives des éléments constituant le composite. L’objectif de cette démarche est de développer les outils conceptuels pour l'ingénieur métallurgiste dans l'optimisation de l'architecture de matériaux multicouches et des conditions d'élaboration vis à vis de leurs fonctions mécaniques projetées. Comme outil expérimental cette approche permet d'optimiser les caractéristiques géométriques de l'indenteur et la charge appliquée comme conditions opératoires, de manière à situer la contrainte maximale de façon délibérée aux points qui doivent subir les sollicitations les plus importantes.

  • Titre traduit

    Mechanical strength of very thin coatings on brittle substrates : development of a micro-scratch test rig and boundary element modelling of elastic ball/flat sliding contact


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Informations

  • Détails : 1 vol. (195 p.)
  • Annexes : 76 réf.

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