Mechanical characterization of coated systems involving multilayer films

Science Arts & Métiers (SAM)

is an open access repository that collects the work of Arts et Métiers Institute of Technology researchers and makes it freely available over the web where possible.

This is an author-deposited version published in: https://sam.ensam.eu

Handle ID: .http://hdl.handle.net/10985/11955

To cite this version :

EliSaul PUCHICABRERA, Mariana STAIA, J.D. GUÉRIN, Alain IOST, Laurent DUBAR -Mechanical characterization of coated systems involving multilayer films - 2016

Any correspondence concerning this service should be sent to the repository Administrator : archiveouverte@ensam.eu

ŽůůŽƋƵĞ/ŶĚĞŶƚĂƚŝŽŶϮϬϭϲ ϭϮʹϭϰKĐƚŽďƌĞϮϬϭϲ>ŝůůĞ 'ƌŽƵƉĞĚ͛/ŶĚĞŶƚĂƚŝŽŶDƵůƚŝĐŚĞůůĞEŽƌĚWĂƐͲĚĞͲĂůĂŝƐ

DĞĐŚĂŶŝĐĂůĐŚĂƌĂĐƚĞƌŝnjĂƚŝŽŶŽĨĐŽĂƚĞĚƐLJƐƚĞŵƐŝŶǀŽůǀŝŶŐŵƵůƚŝůĂLJĞƌĨŝůŵƐ

͘^͘WƵĐŚŝͲĂďƌĞƌĂϭ_{͕D͘,͘^ƚĂŝĂ}Ϯ_{͕:͘͘'ƵĠƌŝŶ}ϭ_{͕͘/ŽƐƚ}ϯ_{͕>͘ƵďĂƌ}ϭ_ ϭ͗hŶŝǀĞƌƐŝƚĠ>ŝůůĞEŽƌĚĚĞ&ƌĂŶĐĞ͕hs,͕>D/,hDZEZ^ϴϮϬϭ͕&ͲϱϵϯϭϯsĂůĞŶĐŝĞŶŶĞƐ͕&ƌĂŶĐĞ Ϯ͗ƐĐƵĞůĂĚĞ/ŶŐĞŶŝĞƌşĂDĞƚĂůƷƌŐŝĐĂLJŝĞŶĐŝĂĚĞůŽƐDĂƚĞƌŝĂůĞƐ͕hŶŝǀĞƌƐŝĚĂĚĞŶƚƌĂůĚĞsĞŶĞnjƵĞůĂ ϯ͗ƌƚƐĞƚDĠƚŝĞƌƐWĂƌŝƐdĞĐŚ͕D^DW͕ĞŶƚƌĞĚĞ>ŝůůĞ͕ϴ͕ŽƵůĞǀĂƌĚ>ŽƵŝƐy/s͕ϱϵϬϬϬ>ŝůůĞĞĚĞdž͕&ƌĂŶĐĞ  DŽƚƐĐůĠ ůĂƐƚŝĐŵŽĚƵůƵƐ͕ŵƵůƚŝůĂLJĞƌĐŽĂƚŝŶŐƐ͕ŶĂŶŽŝŶĚĞŶƚĂƚŝŽŶ͕ƐƉŚĞƌŝĐĂůŝŶĚĞŶƚĂƚŝŽŶ͕ĞůĂƐƚŝĐƐƚƌĞƐƐĞƐ /EdZKhd/KE dŚĞ ĐŽŵƉƵƚĂƚŝŽŶ ŽĨ ƚŚĞ ĞůĂƐƚŝĐ ĐŽŶƚĂĐƚ ƐƚƌĞƐƐĞƐ ĂŶĚ ƉĂƌƚŝĐƵůĂƌůLJ ƚŚĞ ĚĞƚĞƌŵŝŶĂƚŝŽŶ ŽĨ ƚŚĞ ĐŚĂŶŐĞŝŶƚŚĞǀŽŶDŝƐĞƐƐƚƌĞƐƐĨƌŽŵƚŚĞƐƵƌĨĂĐĞŽĨĂĐŽĂƚĞĚƐLJƐƚĞŵ͕ǁŚĞŶŝƚŝƐƐƵďũĞĐƚĞĚƚŽƐƉŚĞƌŝĐĂů ŝŶĚĞŶƚĂƚŝŽŶ͕ ĐŽŶƐƚŝƚƵƚĞƐ ĂŶ ŝŵƉŽƌƚĂŶƚ ĂƐƉĞĐƚ ŽĨ ƚŚĞ ƚƌŝďŽůŽŐŝĐĂů ƉĞƌĨŽƌŵĂŶĐĞ ĂƐƐĞƐƐŵĞŶƚ ŽĨ ƐƵĐŚ Ă ƐLJƐƚĞŵ͘ /Ŷ ƚŚĞ ĐĂƐĞ ŽĨ ĐŽĂƚĞĚ ƐLJƐƚĞŵƐ ŝŶǀŽůǀŝŶŐ ŵƵůƚŝůĂLJĞƌ ĨŝůŵƐ ƚŚŝƐ ƚĂƐŬ ŝŵƉůŝĞƐ Ă ĨƵŶĚĂŵĞŶƚĂů ƉƌŽďůĞŵ͗ƚŚĞĚĞƐĐƌŝƉƚŝŽŶŽĨďŽƚŚƚŚĞĞůĂƐƚŝĐŵŽĚƵůƵƐĂŶĚWŽŝƐƐŽŶƌĂƚŝŽŽĨƚŚĞĚŝĨĨĞƌĞŶƚůĂLJĞƌƐ͕ǁŚŝĐŚ ĞŶĐŽŵƉĂƐƐƚŚĞĐŽĂƚĞĚƐLJƐƚĞŵ͕ǁŝƚŚŝŶĚĞŶƚĂƚŝŽŶĚĞƉƚŚ͘/ŶƚŚŝƐǁĂLJ͕ŝƚǁŽƵůĚďĞƉŽƐƐŝďůĞƚŽƐŽůǀĞƚŚĞ ŶŽŶͲůŝŶĞĂƌ ĞƋƵĂƚŝŽŶ ǁŚŝĐŚ ƌĞůĂƚĞƐ ƚŚĞ ĐŽŶƚĂĐƚ ƌĂĚŝƵƐ͕ ƌĞĚƵĐĞĚ ŵŽĚƵůƵƐ͕ ůŽĂĚ ĂƉƉůŝĞĚ ĂŶĚ ďĂůů ĚŝĂŵĞƚĞƌ͕ŝŶŽƌĚĞƌƚŽĐŽŵƉƵƚĞƚŚĞĐŽƌƌĞĐƚǀĂůƵĞŽĨƚŚĞĐŽŶƚĂĐƚƌĂĚŝƵƐ͘ ŽŶĐĞƌŶŝŶŐƚŚĞĐŽŵƉƵƚĂƚŝŽŶŽĨWŽŝƐƐŽŶ͛ƐƌĂƚŝŽĨŽƌĂŐŝǀĞŶĐŽŶƚĂĐƚƌĂĚŝƵƐ͕ǁŚŝĐŚŝƐƌĞƋƵŝƌĞĚŝŶ ŽƌĚĞƌ ƚŽ ĚĞƚĞƌŵŝŶĞ ďŽƚŚ ƚŚĞ ƉƌŝŶĐŝƉĂů ƐƚƌĞƐƐĞƐ ĂŶĚ ĐŽŶƐĞƋƵĞŶƚůLJ ƚŚĞ ǀŽŶ DŝƐĞƐ ƐƚƌĞƐƐ͕ Ă ,ĞĂǀŝƐŝĚĞ ƐƚĞƉĨƵŶĐƚŝŽŶĐĂŶďĞƌĞĂĚŝůLJĞŵƉůŽLJĞĚ͘,ŽǁĞǀĞƌ͕ƚŚĞĚĞƐĐƌŝƉƚŝŽŶŽĨƚŚĞĐŚĂŶŐĞŝŶĞůĂƐƚŝĐŵŽĚƵůƵƐŽĨ ĂŵƵůƚŝůĂLJĞƌĐŽĂƚĞĚƐLJƐƚĞŵŝŵƉůŝĞƐĂŵŽƌĞĞůĂďŽƌĂƚĞĚƉƌŽĐĞĚƵƌĞ͕ĂƐŝŶĚŝĐĂƚĞĚŝŶƚŚĞĨŽƌƚŚĐŽŵŝŶŐ͘ ,E'/E>^d/DKh>h^t/d,/EEdd/KEWd, &ŝŐƵƌĞϭŝůůƵƐƚƌĂƚĞƐ͕ĂƐĂŶĞdžĂŵƉůĞ͕ƚŚĞĐŚĂŶŐĞŝŶĞůĂƐƚŝĐŵŽĚƵůƵƐǁŝƚŚŝŶĚĞŶƚĂƚŝŽŶĚĞƉƚŚĨŽƌĂ ĐŽĂƚĞĚƐLJƐƚĞŵŝŶǀŽůǀŝŶŐĂƉƌŽƚŽƚLJƉĞĂͲ͗ƌ͕^ŝͬƌ^ŝĐŽĂƚŝŶŐĚĞƉŽƐŝƚĞĚďLJWsƚĞĐŚŶŝƋƵĞƐ͘  &ŝŐƵƌĞϭ͗ŚĂŶŐĞŝŶƚŚĞĞůĂƐƚŝĐŵŽĚƵůƵƐŽĨĂĐŽĂƚĞĚƐLJƐƚĞŵǁŝƚŚŝŶĚĞŶƚĂƚŝŽŶĚĞƉƚŚ 50 100 150 200 250 0 500 1000 1500 2000 E la s ti c mo d u lu s, G P a Penetration depth, nm

a-C:Cr, Si / CrCSi / M42 steel

EDLC= 115 GPa

ECrCSi= 203 GPa

ESubst.= 210 GPa

Doerner and Nix Model

ŽůůŽƋƵĞ/ŶĚĞŶƚĂƚŝŽŶϮϬϭϲ ϭϮʹϭϰKĐƚŽďƌĞϮϬϭϲ>ŝůůĞ 'ƌŽƵƉĞĚ͛/ŶĚĞŶƚĂƚŝŽŶDƵůƚŝĐŚĞůůĞEŽƌĚWĂƐͲĚĞͲĂůĂŝƐ dŚĞĞdžƉĞƌŝŵĞŶƚĂůĚĂƚĂĂƌĞĞŶĐŽŵƉĂƐƐĞĚŝŶĂǁŝĚĞƐĐĂƚƚĞƌďĂŶĚ͘dŚĞƌĞĨŽƌĞ͕ƚŽŐĞƚŚĞƌǁŝƚŚƚŚĞ ĞdžƉĞƌŝŵĞŶƚĂůĚĂƚĂƉŽŝŶƚƐ͕ƚŚĞŵĞĂŶĞdžƉĞƌŝŵĞŶƚĂůĐƵƌǀĞŚĂƐĂůƐŽďĞĞŶŝŶĐůƵĚĞĚŝŶƚŚĞ&ŝŐƵƌĞ͘dŚƵƐ͕ŝƚ ŝƐ ƉŽƐƐŝďůĞ ƚŽ ŵŽĚĞů ƚŚĞ ĐŚĂŶŐĞ ŝŶ ƚŚĞ ĞůĂƐƚŝĐ ŵŽĚƵůƵƐ ŽĨ ƚŚĞ ƐLJƐƚĞŵ ǁŝƚŚ ŝŶĚĞŶƚĂƚŝŽŶ ĚĞƉƚŚ ďLJ ŵĞĂŶƐŽĨƚŚĞĞdžƚĞŶĚĞĚǀĞƌƐŝŽŶŽĨĂŶLJŵŽĚĞůĚĞǀĞůŽƉĞĚĨŽƌƐƵĐŚĂƉƵƌƉŽƐĞ͕ŝŶƚŚĞĐĂƐĞŽĨŵŽŶŽůĂLJĞƌ ĐŽĂƚŝŶŐƐ͘/Ŷ&ŝŐƵƌĞϭ͕ƚŚĞĂƉƉƌŽĂĐŚĞĂƌůŝĞƌƉƌŽƉŽƐĞĚďLJŽĞƌŶĞƌĂŶĚEŝdž΀ϭ΁ĨŽƌŵŽŶŽůĂLJĞƌĐŽĂƚŝŶŐƐ ĂŶĚĞdžƚĞŶĚĞĚďLJWƵĐŚŝͲĂďƌĞƌĂĞƚĂů͘΀Ϯ΁ƚŽŵƵůƚŝůĂLJĞƌĐŽĂƚŝŶŐƐ͕ŚĂƐďĞĞŶĞŵƉůŽLJĞĚ͘ yWZ/DEd>Z^h>d^ &ŝŐƵƌĞϭĐůĞĂƌůLJŝůůƵƐƚƌĂƚĞƐƚŚĂƚƚŚĞĞdžƚĞŶĚĞĚŽĞƌŶĞƌĂŶĚEŝdžŵŽĚĞůŝƐĂďůĞƚŽƌĞƉƌŽĚƵĐĞƋƵŝƚĞ ĂĐĐƵƌĂƚĞůLJƚŚĞƚƌĞŶĚƐŚŽǁŶďLJƚŚĞŵĞĂŶĞdžƉĞƌŝŵĞŶƚĂůĐƵƌǀĞ͘dŚĞƌĞĨŽƌĞ͕ŝƚƌĞƉƌĞƐĞŶƚƐĂǀĂůƵĂďůĞƚŽŽů ĨŽƌ ĚĞƚĞƌŵŝŶŝŶŐ ĂĐĐƵƌĂƚĞ ĂŶĚ ƌĞůŝĂďůĞ ǀĂůƵĞƐ ŽĨ ƚŚĞ ĞůĂƐƚŝĐ ŵŽĚƵůƵƐ ŽĨ ƚŚĞ ĚŝĨĨĞƌĞŶƚ ůĂLJĞƌƐ͕ ǁŚŝĐŚ ĐŽŵƉŽƐĞƚŚĞĐŽĂƚĞĚƐLJƐƚĞŵ͘ŽŶƐĞƋƵĞŶƚůLJ͕ƚŚĞĐŽŵƉƵƚĂƚŝŽŶŽĨƚŚĞĐŚĂŶŐĞŝŶƚŚĞǀŽŶDŝƐĞƐƐƚƌĞƐƐ ǁŝƚŚ ĚŝƐƚĂŶĐĞ ĨƌŽŵ ƚŚĞ ƐƵƌĨĂĐĞ ĐĂŶ ďĞ ĐĂƌƌŝĞĚ ŽƵƚ ŽŶ ƚŚĞ ďĂƐŝƐ ŽĨ ƚŚĞ ,ĞƌƚnjŝĂŶ ĞƋƵĂƚŝŽŶƐ͕ ǁŚŝĐŚ ĐŽƌƌĞƐƉŽŶĚƚŽƚŚĞĞůĂƐƚŝĐĐŽŶƚĂĐƚďĞƚǁĞĞŶĂƐƉŚĞƌŝĐĂůŝŶĚĞŶƚĞƌĂŶĚĂŵƵůƚŝůĂLJĞƌĐŽĂƚŝŶŐ͕ƚĂŬŝŶŐŝŶƚŽ ĂĐĐŽƵŶƚ ƚŚĞ ƐƚƌĂŝŶ ĐŽŵƉĂƚŝďŝůŝƚLJ Ăƚ ĞĂĐŚ ŝŶƚĞƌĨĂĐĞ͘ dŚƵƐ͕ ƚŚĞ ǀĂůƵĞ ŽĨ ƚŚĞ ĞůĂƐƚŝĐ ŵŽĚƵůƵƐ ĐĂŶ ďĞ ŝŶƚĞƌƉŽůĂƚĞĚĚŝƌĞĐƚůLJĨƌŽŵƚŚĞƌĞƐƵůƚƐƐŚŽǁŶŝŶ&ŝŐ͘ϭĂŶĚƚŚĞǀŽŶDŝƐĞƐƐƚƌĞƐƐĐŽƵůĚďĞĐŽŵƉƵƚĞĚĨŽƌ ƚŚĞĞĂĐŚůĂLJĞƌ͘dŚĞƌĞƐƵůƚƐŽĨƚŚĞƐĞĐŽŵƉƵƚĂƚŝŽŶƐĂƌĞƐŚŽǁŶŝŶ&ŝŐ͘ϮĨŽƌϭEŽĨĂƉƉůŝĞĚůŽĂĚ͘  &ŝŐ͘Ϯ͗ŚĂŶŐĞŝŶƚŚĞǀŽŶDŝƐĞƐƐƚƌĞƐƐĂƐĂĨƵŶĐƚŝŽŶŽĨƚŚĞĚŝƐƚĂŶĐĞĨƌŽŵƚŚĞƐƵƌĨĂĐĞ  KE>h^/KE^ dŚĞĞůĂƐƚŝĐŵŽĚƵůƵƐŽĨŵƵůƚŝůĂLJĞƌĐŽĂƚŝŶŐƐĐĂŶďĞĐŚĂƌĂĐƚĞƌŝnjĞĚĞdžƉĞƌŝŵĞŶƚĂůůLJďLJŶĂŶŽŝŶĚĞŶƚĂƚŝŽŶ ƚĞĐŚŶŝƋƵĞƐ ĂŶĚ ŵŽĚĞůĞĚ ďLJ ŵĞĂŶƐ ŽĨ ĚŝĨĨĞƌĞŶƚ ĂƉƉƌŽĂĐŚĞƐ͕ ƚĂŬŝŶŐ ŝŶƚŽ ĂĐĐŽƵŶƚ ƚŚĞŝƌ ĂĐƚƵĂů ĂƌĐŚŝƚĞĐƚƵƌĞ͕ ƌĂƚŚĞƌ ƚŚĂŶ ĂƐƐƵŵŝŶŐ ƚŚĞ ĞdžŝƐƚĞŶĐĞ ŽĨ Ă ŵŽŶŽůĂLJĞƌ Ĩŝůŵ͘ /Ŷ ƚŚŝƐ ǁĂLJ͕ ŝƚ ǁŽƵůĚ ďĞ ƉŽƐƐŝďůĞƚŽĐŽŶĚƵĐƚĂƉƌĞĐŝƐĞĂŶĂůLJƐŝƐŽĨƚŚĞĞůĂƐƚŝĐƐƚƌĞƐƐĞƐĚĞǀĞůŽƉĞĚŝŶƚŚĞĐŽĂƚĞĚƐLJƐƚĞŵƵŶĚĞƌ ƐƉŚĞƌŝĐĂů ŝŶĚĞŶƚĂƚŝŽŶ͕ ĂƐ ǁĞůů ĂƐ ĚĞƚĞƌŵŝŶŝŶŐ ƚŚĞ ŵĂdžŝŵƵŵ ĐŽŶƚĂĐƚ ƉƌĞƐƐƵƌĞ Ăƚ ǁŚŝĐŚ ƚŚĞ ĐŽĂƚĞĚ ƐLJƐƚĞŵǁŝůůƉĞƌĨŽƌŵƐĂƚŝƐĨĂĐƚŽƌŝůLJŝŶƐĞƌǀŝĐĞ͘  ZĞĨĞƌĞŶĐĞƐ ΀ϭ΁D͘&͘ŽĞƌŶĞƌĂŶĚt͘͘Eŝdžϭϵϴϲ͕:ŽƵƌŶĂůŽĨDĂƚĞƌŝĂůƐZĞƐĞĂƌĐŚ͕ϭ͕ϲϬϭͲϲϬϵ͕ϭϵϴϲ͘ ΀Ϯ΁͘^͘WƵĐŚŝͲĂďƌĞƌĂ͕D͘,͘^ƚĂŝĂĂŶĚ͘/ŽƐƚ͕dŚŝŶ^ŽůŝĚ&ŝůŵƐϱϴϯ͕ϭϳϳʹϭϵϯ͕ϮϬϭϱ͘ 0 100 200 300 400 1000 10000 v o n Mise s st re s s , MP a

Distance from the surface, nm

a-C: Cr, Si / CrSiC / M42 steel

DCL

CrSiC

M42 steel substrate Load = 1 N