The Effect of Residual Stress on the Load Bearing Capacity of PVD Coated Surfaces – Part 2

• Autorzy: Chronowska-Przywara Kinga , Kot Marcin , Szczęch Marcin

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0013.6560

Warianty tytułu

PL

Wpływ naprężeń własnych na nośność powierzchni z powłokami PVD – Część 2

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents the results of modelling tests of the coating-substrate systems subjected to a contact load using a spherical diamond indenter with a 20 μm tip radius. Systems with 1 to 5 μm thick CrN coatings deposited on X5CrNi18-10 austenitic steel substrate were analysed. Systems without residual stress as well as with introduced 2 and 5 GPa compressive residual stresses were analysed. The article presents the effect of coating thickness on substrate deformations at load range up to 1 and 3 N. The evolution of maximum radial stress in the substrate and the range of substrate plastic deformation for the assumed coating thicknesses were also analysed. Modelling results showed a strong relation between maximum critical force and relative coating thickness. The maximum radial stresses in the substrate in a case of systems with a thin 1 μm coating are much smaller than for thicker 5 μm coating, referring to the relative coating thickness. However, the analysis of substrate yielding showed that, for thin 1 and 2 μm coatings, substrates deform plastically at 0.01 and 0.03 N, respectively, while the 5 μm coating prevent plastic deformations up to load 0.32N.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań modelowania układów powłoka–podłoże poddanych obciążeniu działającego w styku skoncentrowanym przy użyciu diamentowego wgłębnika o promieniu zaokrąglenia 20 μm. Analizowano układy z powłokami CrN w zakresie od 1 do 5 μm nałożone na stal austenityczną X5CrNi18-10. Modelowano układy bez naprężeń własnych oraz układy z wprowadzonymi ściskającymi naprężeniami własnymi 2 i 5 GPa. W artykule przedstawiono ewolucje wpływu grubości powłok na deformacje podłoża w zakresie obciążenia do 1 i 3 N. Analizowano również przebieg maksymalnych naprężeń promieniowych w podłożu oraz zakres odkształceń plastycznych podłoża dla założonych grubości powłok i zakresu sił. Wyniki modelowania wykazały dużą zależność pomiędzy maksymalną siłą krytyczną, a względną grubością powłoki. Maksymalne naprężenia promieniowe w podłożu w układach z cienką powłoką 1 μm są znacznie mniejsze niż w przypadku układów z powłoką o grubości 5 μm, odnosząc wyniki do względnej grubości powłoki. Natomiast analiza odkształceń plastycznych podłoża badanych układów wykazała, że podłoże w układach z cienkimi powłokami 1 i 2 μm odkształcają się plastycznie już przy sile 0,01 i 0,03 N. Wzrost siły, przy której dochodzi do odkształceń plastycznych podłoża, widoczny jest w przypadku zmieniającej się grubości zastosowanej powłoki. I tak w przypadku układu z powłoką 5 μm pierwsze odkształcenia plastyczne zaczynają pojawiać się dopiero przy sile 0,32 N.

Słowa kluczowe

EN

PVD coatings; contact mechanics; residual stress; fracture toughness

PL

powłoki PVD; mechanika kontaktu; naprężenia własne; odporność na pękanie

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 5
• Strony: 43--49
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys.

Twórcy

autor

Chronowska-Przywara Kinga

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Mickiewicza 30 Ave., 30-059 Cracow, Poland

autor

Kot Marcin

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Mickiewicza 30 Ave., 30-059 Cracow, Poland

autor

Szczęch Marcin

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Mickiewicza 30 Ave., 30-059 Cracow, Poland

Bibliografia

• 1. Chronowska-Przwara K., Kot M., Szczech M.: Effect of residual stress on load bearing capacity of PVD coated surfaces, Tribologia : teoria i praktyka, 2018 R. 49 no. 4, pp. 23–29.
• 2. Hertz H.: Verhandlungen des vereins zur Beforderung des Gewerbefleisses,, Novenber, Leipzig, 1982, pp. 163–183.
• 3. Tabor D.: Hardness of Metals, Clarendon Press, Oxford (1951).
• 4. Johnson K. L.: Contact Mechanics, Cambridge University Press, Cambridge 1985.
• 5. Liu S. B., Wang Q., Liu G.: AversatilemethodofdiscreteconvolutionandFFT(DC-FFT) forcontactanalyses. Wear 2000, 243, pp. 101–111.
• 6. Kot M.: Contact mechanics of coating–substrate systems: Monolayer and multilayer coatings. Arch. Civ. Mech. Eng. 2012, 12, pp. 464–470.
• 7. Liu J., Ke L. L., Wang Y. S.: Two-dimensional thermoelastic contact problem of functionally graded materials involving frictional heating. Int. J. Solids Struct. 2011, 48, pp. 2536–2548.
• 8. Esqué-de los Ojosa, James D., Besta P., Schwiedrzik A., Morsteinb M., Michlera J.: A closed-form analytical approach for the simple prediction of hard-coating failure for tooling systems, Surface & Coatings Technology|, 2016.
• 9. Michler J., Blank U. E.: Analysis of coating fracture and substrate plasticity induced by spherical indentors: diamond and diamond-like carbon layers on steel substrates, Thin Solid Films 381 2001 119]134.
• 10. Zhang G. A., Wu Z. G., Wang M. X., Fan X. Y., Wang J., Yan P. X.: Structure evolution and mechanical properties enhancement of Al/AlN multilayer. Applied Surface Science, 253 (2007), pp. 8835–8840.
• 11. Souza R. M., Sinatora A., Mustoe G. G. W., Moore J. J.: Numerical and experimental study of the circular cracks observed at the contact edges of the indentations of coated systems with soft substrates. Wear 251 (2001), pp. 1337–1346.
• 12. Pe’rez E. A., Souza R. M.: Numerical and experimental analyses on the contact stresses developed during single and successive indentations of coated systems. Surface and Coatings Technology 188–189 (2004), pp. 572–580.
• 13. Pachler T., Souza R. M., Tschiptschin A. P.: Finite element analysis of peak stresses developed during indentation of ceramic coated steels.
• 14. Kot M., Rakowski W., Major Ł., Lackner J.: Load-bearing capacity of coating-substrate systems obtained from spherical indentation tests. Materials and Design, 46, 2013.
• 15. Kot M.: Analiza właściwości mechanicznych układów powłoka-podłoże przy użyciu metody indentacji z wykorzystaniem wgłębników o różnej geometrii. Tribologia vol. 236 (2011), pp. 47–60.
• 16. Wang Z. J., Wang W. Z., Wang H., Dong Z., Hu Y. Z.: Partial slip contact analysis on three-dimensional elastic layered half Space. ASME. J. Tribol. 2010, 132, pp. 280–290.
• 17. Kot M., Lacki P.: Contact mechanics of coating- substrate systems. I. metchods od analysis and FEM modeling of nanoindentation tests. Journal of the Balkan Tribological Association Vol. 18, No 4, (2012), pp. 598–614.
• 18. Kot M., Rakowski W., Morgiel J., Major Ł.: Metoda wyznaczania nacisku dopuszczalnego w styku skoncentrowanym dla układów powłoka-podłoże. Tribologia vol. 218 (2/2008), pp. 285–295.
• 19. Akonoa A.-T., Ulm F.-J.: An improved technique for characterizing the fracture toughness via scratch test experiments. Wear 313. 2014, pp. 117–124.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).