Nhằm mục đích xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu chưa có vết nứt ban đầu bằng mô hình vùng kết dính, thí nghiệm tách lớp của hai cặp vật liệu Sn/Si và Cu/Si được sử dụng. Kết quả thu được của chương này có thể được tóm tắt như sau:
- Mô hình vùng kết dính được đề nghị để xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu theo tiêu chuẩn năng lượng.
- Tiêu chuẩn phá hủy (tốc độ giải phóng năng lượng G) của bề mặt chung giữa
hai lớp vật liệu Sn/Si là 4,62 J/m2.
- Tiêu chuẩn phá hủy (tốc độ giải phóng năng lượng G) của bề mặt chung giữa
hai lớp vật liệu Cu/Si là 2,97 J/m2.
- Độ bền phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Sn/Si lớn hơn gấp 1,55 lần so với độ bền của cặp vật liệu Cu/Si.
80
Chương 4. Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có vết nứt ban đầu dưới tác dụng của
tải trọng có chu kỳ
4.1. Giới thiệu
Trong chương 2 và 3, nghiên cứu đã đề cập đến tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu dưới tác dụng của tải trọng tĩnh. Độ bền phá hủy của bề mặt
chung được xác định dựa trên tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn Gc (tích phân Jc) đối với kết cấu có vết nứt ban đầu (Hutchinson và Suo [52]) và thông qua công phân ly trên một đơn vị diện tích o ( năng lượng mô hình vùng kết dính) đối với kết cấu chưa có vết nứt ban đầu (Mohammed và Liechti [80]). Tuy nhiên, một số lượng đáng kể các kết cấu trong thực tế bị phá hủy bởi tác dụng của tải trọng có chu kỳ (Hertzberg [44], Suresh [96]), do đó việc xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu dưới tác dụng của tải trọng có chu kỳ cũng rất là quan trọng.
Các nghiên cứu tập trung lớn vào tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu dưới tác dụng của tải trọng tĩnh (Hirakata và cộng sự [45,46,48,49], Kitamura và các tác giả [62-64]), trong khi chỉ có một vài nghiên cứu đề cập đến sự phát triển vết nứt (Mcnaney và cộng sự [78], Mutoh và cộng sự [81]) chịu tác dụng của tải trọng có chu kỳ. Trong nghiên cứu của Mcnaney và cộng sự [78], mẫu dầm uốn 4 điểm được sử dụng để xác định quy luật phát triển và lan truyền của vết nứt trên bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu nhôm (Al) và nhôm ôxít (Al2O3), trong đó lớp vật liệu Al có chiều dày nằm trong khoảng từ 100 µm đến 500 µm. Tiếp theo nghiên cứu của Mcnaney và cộng sự [78], Kruzic và các tác giả [71] đã xem xét tiêu chuẩn phá hủy mỏi của cặp vật liệu ghép đôi Al/Al2O3 với chiều dày lớp vật liệu Al thấp hơn ở kích thước từ 5 µm đến 100 µm. Ở một nghiên cứu khác, Cannon và cộng sự [13] đã phân tích sự phát triển của vết nứt dọc theo bề mặt chung giữa lớp vật liệu đồng (Cu) có chiều dày 1,5 µm trên lớp vật liệu nền thủy tinh (glass). Tiêu chuẩn phá hủy mỏi của một số cặp vật liệu khác cũng đã được đề cập đến như sapphire/vàng (Reimanis và cộng sự [89]), sapphire/nickel (Gaudette và các tác giả [39]) và glass/đồng (Card và cộng sự [14]).
Bên cạnh đó, với những kết cấu có các lớp vật liệu cỡ nanô mét, tiêu chuẩn phá hủy mỏi của bề mặt chung cũng đã được quan tâm trong một số nghiên cứu. Dauskardt và các tác giả [27] đã thiết lập tiêu chuẩn phá hủy mỏi của bề mặt chung giữa hai lớp vật
81
liệu SiO2 (chiều dày 600 nm)và TiN (chiều dày 10 nm). Hirakata và cộng sự [47] đã khám phá quy luật lan truyền vết nứt dọc theo bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu đồng (Cu) có chiều dày 270 nm và lớp vật liệu silic nitride (SiN) có chiều dày 100 nm. Lane và cộng sự [73] đã nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đến tiêu chuẩn phá hủy mỏi bề mặt chung của các cặp vật liệu Ta/SiO2 (chiều dày lớp Ta là 2 nm) và TaN/ SiO2 (chiều dày lớp vật liệu TaN là 150 nm). Ảnh hưởng của độ ẩm đến tiêu chuẩn phá hủy mỏi của cặp vật liệu TiN/SiO2 (chiều dày lớp TiN là 10 nm, chiều dày lớp SiO2 là 0,5 µm) cũng đã được xem xét trong nghiên cứu của Xu và cộng sự [107]. Mặc dù tiêu chuẩn phá hủy mỏi của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có chiều dày cỡ nanô mét đã được đề cập trong các nghiên cứu [27,47,73,107], tuy nhiên do yêu cầu khắt khe về thiết bị thí nghiệm, nên những công trình công bố về tiêu chuẩn phá hủy mỏi của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có chiều dày cỡ nanô mét dưới tác dụng của tải trọng có chu kỳ vẫn còn rất hạn chế.
Mặt khác, chương 2 của luận án đã đề cập đến tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Cu và Si dưới tác dụng của tải trọng tĩnh. Để có cái nhìn đầy đủ hơn về tiêu chuẩn phá hủy, nội dung của chương này tập trung đến tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Cu/Si dưới tác dụng của tải trọng có chu kỳ. Thí nghiệm dầm uốn 4 điểm sửa đổi chỉ có một vết nứt ban đầu được thực hiện. Đường
cong quan hệ giữa tốc độ phát triển vết nứt da/dN và biên độ tốc độ giải phóng năng
lượng Gi cho toàn bộ đường cong mỏi được xây dựng dựa trên các dữ liệu thí nghiệm.
Thêm vào đó, hàm quan hệ giữa da/dN- Gi cũng được thiết lập riêng cho từng vùng
(vùng vết nứt bắt đầu phát triển, vùng vết nứt lan truyền ổn định, vùng vết nứt phát triển bất ổn định) và cho tất cả các vùng của đường cong mỏi.