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Rate effects in metal-ceramic interface sliding from the periodic film cracking technique

1992; Elsevier BV; Volume: 40; Issue: 9 Linguagem: Inglês

10.1016/0956-7151(92)90145-5

1873-2879

V.C. Jobin, Rishi Raj, S. Leigh Phoenix,

Microstructure and mechanical properties

The periodic film cracking technique [Agrawal and Raj, Acta metall.37, 1265 (1989)] was used to characterize sliding mechanisms at the copper-silica interface of silica films on a copper substrate at temperatures up to 550°C and at strain-rates ranging from 1.7 × 10−3 to 1.6 × 10−5s−1. Two regimes of behavior were observed. The sliding was strongly rate sensitive in the high temperature/low strain-rate regime, with a power law stress component of n = 1.00 ± 0.04. At low temperatures and/or high strain-rates, the crack-spacing was strain-rate independent. These results, when analyzed in terms of the global mechanisms of deformation in crystalline materials, lead to the following interesting ideas: (a) the diffusional accomodation mechanism of sliding which assumes that diffusional transport can be applied to sliding at a wavy metal-ceramic interface shape, is consistent with the phenomenology of the strain-rate sensitive regime; (b) the non-linear power law creep mechanism (n ≈ 4.5) is not observed for deformation near the interface, presumably because the width of the deformation zone near the interface is smaller than the characteristic subgrain size required in power law creep; (c) in the low temperature regime, interface sliding occurs by dislocation slip in the metal at or near the interface. We extend the concept of "deformation mechanism map" first introduced for bulk crystalline materials by Ashby [Acta metall.20, 887 (1972)] to sliding at metal-ceramic interfaces. La technique de fissuration périodique des films [Agrawal and Raj, Acta metall.37, 1265 (1989)] a été utilisée pour caractériser les mécanismes de glissement à l'interface cuivre-silice de films de silice déposés sur un support de cuivre à des températures pouvant atteindre 550°C, et pour des vitesses de déformations allant de 1,7 × 10−3à 1,6 × −5s−1. Deux régimes se manifestent. Dans le régime haute température/faible vitesse de transformation, le glissement est très sensible à la vitesse, avec un exposant n de la contrainte en loi de puissance égal à 1,00 ± 0,04. A basse température et/ou à forte vitesse de déformation, l'espacement des fissures est indépendant de la vitesse de déformation. Quand on analyse ces résultats en fonction des mécanismes globaux de la déformation dans les matériaux cristallins, on débouche sur les conclusions suivantes: (a) le mécanisme de glissement par accomodation diffusionnelle, qui suppose que le transport par diffusion peut s'appliquer au glissement d'une interface métal-céramique irrégulière, est cohérent avec la phénoménologie du régime de sensibilité à la vitesse de déformation; (b) on n'observe pas de mécanisme de fluage en loi de puissance non linéaire (n ≈ 4,5) pour la déformation proche de l'interface, sans doute parce que la largeur de cette zone est inférieure à la taille de sous-grains caractéristique du fluage en loi de puissance; (c) dans le régime des basses températures, le glissement interfacial a lieu par le glissement de dislocations dans le métal sur ou près de l'interface. Nous étendons le concept de "carte de mécanismes de déformation", introduit d'abord par Ashby [Acta metall.20, 887 (1972)] pour les matériaux cristallins massifs, au glissement des interfaces métal-céramique. Mit dem Verfahren periodischer Filmrisse [Agrawaland Raj, Acta metall.37, 1265 (1989)] wird der Gleitmechanismus an der Grenzfläche zwischen Kupfer und Siliziumdioxid (Kupfer als Substrat) bei Temperaturen bis zu 550°C und Dehnungsraten zwischen 1,7 × 10−3 bis 1,6 × 10−5 s−1 charakterisiert. Zwei Verhaltensbereiche werden beobachtet. Die Gleitung hängt bei hoder Temperature und geringer Dehnungrate sehr stark von der Dehnungsrate ab, der Spanungsexponent des Potenzgesetzes ist n = 1,00 ± 0,04. Bei niedrigen Temperaturen und/oder hoher Dehnungsrate ist der Riβabstand unabhängig von der Dehnungsrate. Diese Ergebnisse werden anhand des allgemeinen Mechanismus der Verformung kristalliner Materialien analysiert; folgende interessanten Ansätze ergeben sich: (a) der Diffusionsmechanismus der Gleitanpassung, der annimmt, daβ Diffusionstransport auf die Gleitung entlang der gewellten Grenzfläche angewandt werden kann, ist mit der Phänomenologie des dehnungsraten-empfindlichen Bereiches verträglich; (b) der Mechanismus des nichtlinearen Potenzgesetzkriechens (n ≈ 4,5) wird für die Verformung in der Nähe der Grenzfläche nicht beobachtet, vermutlich weil die Breite der Verformungszone in der Nähe der Grenzfläche kleiner ist als die charakteritische Subkorngröβe, die beim Potenzgesetzkriechen nötig ist; (c) im Bereich niedriger Temperaturen tritt Gleitung entlang der Grenzfläche durch Versetzungsgleiten im Metall an oder nahe der Grenzfläche ein. Wir erweitern das Konzept der "Karte der Verformungsmechanismen", welches erstmals von Ashby für kristallines Volummaterial eingeführt worden ist [Acta metall.20, 887 (1972)], auf die Gleitung an Metall-Keramik-Grenzflächen.