Based on the Hall-Petch relation (grain boundary strengthening mechanism) small grain-sized polycrystalline metals have high strength. Nanocrystalline, however, is too small to deform with dislocation-mediated mechanism and deviated from Hall-Petch relation. The fabrication process of MEMS includes layer-by-layer deposition of films which are subject to high temperatures during fabrication process. Heat treatment, such as annealing causes microstructural changes in materials which affects mechanical behavior. So the tensile and fatigue behavior of nanocrystalline metals need to be assessed in connection with microstructure.
In this study, micro tensile tester and micro fatigue tester for thin films were developed. Tensile and fatigue behavior of electrodeposited nanocrystalline nickel was investigated with specimens as-deposited and after annealing at various temperatures from 100℃ to 500℃. Transmission electron microscopy (TEM) was used to observe grain size, dislocations and crystallinity around the grain boundaries of electrodeposited nickel films.
A few screw dislocations and twinning were found in electroplated nanocrystalline nickel whose grain boundary size ranged from 10nm to 60nm after tensile tests, but no dislocation forest was found. It means that activity of dislocation is still effective but restrictive. The micro structures and strength of the electroplated nanocrystalline nickel film were maintained right up to 270℃ annealing. 300℃ annealing on electroplated nanocrystalline nickel film caused abnormal grain growth, recrystallization, which enabled many dislocations piled up to overcome the obstacles, i.e., grain boundaries. The concentration of impurities along the grain boundaries are believed to cause embrittlement, weakening of grain boundary. Abrupt strength weakening of electrodeposited nanocrystalline nickel film at 300℃ was attributed to these two mechanisms, the recrystallization and rearrangement of impurities.
Strain rate sensitivities were obtained from load relaxation test. Electrodeposited Nanocrystalline nickel exhibited significant rate dependency in room temperature due to high volume fraction of grain boundary affected zone(GBAZ) which cause grain boundary sliding and deviation from Hall-Petch relation. Volume fraction of GBAZ is proportional to inverse number of grain size because the thickness of GBAZ showed almost same in various grain sized films and small compared to grain size.
Fatigue limit defined as maximum stress corresponding to a million cycles to failure under load-controlled fatigue test with load ratio of 0.2 were exhibited approximately to the yield strength regardless of grain size. This result agrees with the fact that crack initiation originate from localized plastic deformation. Nanocrystalline nickel, however, showed significant frequency effects. The higher frequency showed the longer life due to the significant positive rate sensitivity even in room temperature.
박막이라 하면 일반적으로 전체적인 시스템의 크기에 비하여 상대적으로 그 두께가 매우 얇은 고체막을 일컫는다. 전통적으로 박막은 가스터빈과 같이 고온환경에 노출된 구조물을 보호하기 위한 코팅재료로 사용되거나, 접촉으로 인한 마찰, 마모를 받는 구조물의 보하는 보조적인 역할로 사용되어 왔다. 최근 미소기전시스템(MEMS)분야에서 외팔보(cantilever)나 멤브레인(membrane)형태로 모재로부터 독립적으로 떠 있어 박막구조물로 사용되기 시작하면서, 박막구조물은 기계적 거동에 의하여 구동부 또는 측정부 역할을 하는 기계적요소로서 인장 및 피로 거동에 대한 연구가 요구된다. MEMS공정은 반복적인 증착과 사진공정으로 인하여 증착방법에 따라 최고 400℃까지 상당한 온도상승을 받게 되며, 이러한 어닐링 영향으로 미세조직의 변화한다. 재결정현상을 수반한 결정립 크기의 증가 및 불순물의 재배열은 기계적 거동에 영향을 주므로 박막의 기계적 거동은 반드시 미세조직과 연관지어 연구되어야 한다.
본 연구에서는 박막의 기계적 거동을 측정하기 위하여 체결, 축 맞춤, 변형률 측정 및 하중 측정의 어려움을 극복하고 박막용 미소인장시험기 및 미소피로시험기를 직접 개발하였다. 미세조직이 기계적 거동에 미치는 영향을 실험적으로 평가하기 위하여 나노결정립 니켈시편을 전기도금공정으로 제작한 후 진공속 어닐링을 통하여 결정립 크기를 체계적으로 변화시켰다. 개발한 시험기를 이용하여, 박막의 인장거동, 응력이완시험을 통한 변형률 속도 민감도, 그리고 하중제어 피로시험을 통한 피로수명을 측정함으로써 나노결정립을 가지는 박막의 기계적 거동모델에 필요한 정량적 데이터를 획득하였다. 또한, TEM(전자투과현미경)을 이용하여 미세조직과 전위를 관찰함으로써 결정립 크기와 기계적 강도와의 관련성을 연구하였다.
연구 결과 전기 도금된 나노결정립 니켈 박막은 일반 Wrought 니켈의 결정립 크기인 25 $\mu m$ 에 비하여 굉장히 작은 10~60nm범위, 평균 40nm의 가지며 각 결정립에서는 전자주사현미경(TEM)관찰결과 5개 미만의 나선전위만 관찰되었다. 이는 전위운동을 매개로 하는 소성변형 메커니즘이 여전히 나노결정립에서도 유효하나 상당히 제한적임을 의미하며, 전위의 집적으로 인한 입계 장애물 돌파로 설명되는 입계강화기구(Hall-Petch mechanism)를 벗어남을 보였다.
어닐링이 나노결정립 니켈의 강도에 미치는 연구를 한 결과, 재결정이 일어나기 전까지는 재료의 강도 및 전체적인 거동이 변화가 없었으나 300℃부터 발생하는 재결정 현상과 불순물의 입계 편석으로 인하여 결정립의 크기가 10배 이상 급격히 증가하며, 강도와 연성이 급격히 감소하게 되며 500℃어닐링 후에는 완전 입계취성파괴를 보였다. 재결정으로 형성된 수백 nm크기의 결정립에서는 나노결정립에서는 관찰할 수 없었던 전위숲을 관찰할 수 있었는데, 이는 충분한 전위의 집적에 의하여 보다 낮은 응력에서도 전위가 입계를 관통할 수 있게 된 것이 그 원인이다. 한편 연성의 감소는 어닐링으로 인하여 입계주변에 몰린 불순물에 의한 입계 취화가 원인인 것으로 보인다.
전기도금된 나노결정립 니켈은 상온에서 상당한 변형률 속도 의존성을 보였다. 응력이완시험을 통하여 변형률 속도 민감도를 측정한 결과 0.02였으며, 열간가공조건에서 일반적인 금속의 값이 0.1 ~ 0.2임을 고려하면 작은 값이지만, 상온에서 측정된 값임을 고려하면 온도가 조금만 상승하여도 나노결정립은 상당한 변형률 속도 민감도를 보였다. 변형률 속도 의존성은 입계 확산등에 의한 결정립계 미끄러짐과 같은 속도의존형 변형메커니즘의 작용으로 그 원인이므로 나노결정립에서 나타나는 상온의 변형률 속도 의존성은 작은 결정립크기에 기인한다. 결정립 크기를 변화시켜 응력이완시험을 한 결과 결정립 크기의 역수에 비례하는 경향을 보였다. 결정립크기의 역수는 재료에서 입계가 차지하는 부피비율과 비례하므로 이에 부합하는 뒷받침하는 결과이다.
전기도금된 니켈의 피로시험을 수행하여 Morrow의 평균응력을 고려한 고 되풀이 수 영역의 피로수명모델의 상수를 구하였다. 응력비 0.2, 시험주파수 17Hz에서 시험한 결과 Wrought니켈에 비하여 수명이 약 2.5배 길었다. 반면, 일반적인 니켈의 인강강도에 대한 피로한도 비가 0.31에서 0.42임을 고려하면, 전기도금된 나노결정립 니켈은 wrought니켈과 어닐링된 전기도금니켈과는 달리, 인장강도에 비하여 상대적으로 매우 낮은 피로한도를 나타내는 것을 알 수 있다. 결정립 크기에 관계없이 항복강도근처 10%이내에 피로한도가 존재함을 알 수 있다. 전기도금된 나노결정립의 경우 항복강도보다 약간 작은 최대응력이다. 나노결정립 니켈의 무한수명 설계에 필요한 피로한도는 항복강도와 유사함을 알 수 있다. 이는 피로균열이 발생하려면 소성변형을 수반해야 한다는 점으로 미루어 볼 때 이에 부합하는 결과이다. 균열의 발생과 진전, 최종파단으로 확연히 구분되었으나, 입계를 따라 균열이 진전하였다. 이는 슬립을 통한 소성변형이 상당히 제한적임을 의미한다. 131 Hz에서 수행된 피로시험결과의 수명이 17Hz보다 길었다. 일반적으로 피로수명의 주파수 의존성은 크리프나 부식 환경에서 발생한다. 공기 중 상온에서 이루어진 피로시험임에도 불구하고 주파수 영향을 보이는 이유는 앞선 실험에서 나타난 변형률 속도 의존성이 원인이다.
결론적으로, 재료의 결정립을 감소시키면 강도를 향상시킬 수 있다는 Hall-Petch관계는 약 40nm크기의 나노결정립 니켈에서는 더 이상 유효하지 않았다. 전위운동으로 인한 변형기구가 제한적이었으며 오히려 입계 면적의 증가로 인하여 결정립계 미끄럼과 같은 크리프 거동이 작용하여 상온에서도 상당한 변형속도민감도를 보였다. 따라서 최대 강도를 갖는 재료의 결정립의 크기는 10nm전후로 예상된다. 또한, 재료의 응용관점에서 살펴보면, 전기도금된 나노결정립 니켈의 강도는 wrought니켈에 비하여 약 3.5배 우수하나, 재결정이 발생하는 온도이상으로 어닐링하면 강도가 급격히 감소하고 연성이 감소하므로 공정온도를 주의할 필요가 있다. 또한 무한 수명 설계를 위한 피로한도는 항복응력근처의 값이며, 피로수명을 지배하는 인자는 최대응력이 아닌 응력진폭이므로 최대응력을 낮추는 것 보다 응력진폭을 낮추는 것이 더욱 효과적이며 낮은 변형속도에서는 변형률 속도 의존성으로 인하여 수명이 감소하므로 하중주파수 영향을 고려해야 한다.
