Modelowanie metodą elementów skończonych deformacji i naprężeń układów powłoka–podłoże w teście zarysowania

• Autorzy: Chronowska-Przywara K. , Kot M.

Warianty tytułu

EN

Finite element modelling of deformation and stress in the coating-substrate systems during scratch tests

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wpływ obciążeń zewnętrznych przenoszonych w styku skoncentrowanym wywoływanych przez wgłębnik diamentowy podczas testu zarysowania na rozkład naprężeń w układzie powłoka–podłoże. Analizowano miejsca maksymalnej koncentracji naprężeń rozciągających prowadzących do pękania powłoki oraz naprężeń zredukowanych decydujących o uplastycznieniu podłoża. Analizy oparto o eksperymenty numeryczne z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Analizie poddano układy o różnych właściwościach materiałowych powłoki i podłoża oraz o różnej geometrii kontaktujących się elementów. W wyniku przeprowadzonych badań zauważono decydujący wpływ granicy plastyczności podłoża oraz grubości powłoki na rozkład naprężeń i deformacje całego systemu. Analizy numeryczne porównano z wynikami badań eksperymentalnych przeprowadzonych dla niepokrytych podłoży ze stali austenitycznej X5CrNi18-10 i ferrytycznej X20Cr13 oraz z powłokami ZrN o grubości 1 i 2 μm. W wyniku połączonej analizy MES i badań eksperymen-talnych określono poziom naprężeń prowadzących do zniszczenia powłoki.

EN

The paper presents the influence of external loads carried in contact load conditions caused by a diamond indenter during scratch testing on stress distribution in a coating-substrate. The maximum tensile stress concentrations that lead to coating fracture and the stresses that cause substrate yield were analysed. Analyses were based on numerical experiments using the finite element method. The analyses were carried out for systems with different material properties of coatings and substrates and with different geometries of contacting elements. The studies allowed the determination of the significant impact of substrate yield strength and coating thickness on stress distribution and deformations of the whole system. The results of numerical analysis were compared with the results of experimental tests for uncoated substrates – X5CrNi18-10 austenitic and X20Cr13 ferritic steels and with 1 and 2 μm thick ZrN coatings. As a result of this complex analysis, the level of stress that leads to coating fracture was determined.

Słowa kluczowe

PL

test zarysowania; powłoka; modelowanie; MES

EN

scratch test; coating; modelling; FEM

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2015
• Tom: nr 4
• Strony: 33--43
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Chronowska-Przywara K.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, al. A. Mickiewicza 30, 30-065 Kraków, Polska

autor

Kot M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, al. A. Mickiewicza 30, 30-065 Kraków, Polska,

Bibliografia

• 1. Hedenqvist P., Hogmark S.: Experiences from scratch testing of tribological PVD coatings, Tribol. Int. 30, 1997, 507–516.
• 2. Valli J., Makela U. A: Applications of the scratch test method for coating adhesion assessment, Wear 115, 1987, 215–221.
• 3. Sekler J., Steinmann P.A., Hintermann H.E.: The scratch test: different critical load determination techniques, Surf. Coat. Technol. 36, 1988, 519–529.
• 4. Holmberg K., Matthwest A., Ronkainen H.: Coatings tribology – contact mechanisms and surface design, Tribol. Int. 31, 1998, 107–120.
• 5. Holmberg K.: The basic material parameters that control friction and wear of coated surfaces under sliding, Tribologia – Fin. J. Tribol. 19, 2000, 3–18.
• 6. Steinmann P.A., Taedy Y., Hintermann H.E.: Adhesion testing by the scratch test method: the influence of intrinsic and extrinsic parameters on the critical load, Thin Solid Films 154, 1987, 333–349.
• 7. Burnett P.J., Rickerby D.S.: The relationship between hardness and scratch adhesion, Thin Solid Films 154, 1987, 403–416.
• 8. Bull S.J.: Failure modes in scratch adhesion testing, Surf. Coat. Technol. 50, 1991, 25–32.
• 9. Bull S.J.: Spallation failure maps from scratch testing, Mater. High Temp. 13, 1995, 169–174.
• 10. Bull S.J.: Failure mode maps in the thin film scratch adhesion test, Tribol. Int. 30, 1997, 491–498.
• 11. Holmberg K., Laukkanen A., Ronkainen H., Wallin K., Varjus S.: A model for stresses, crack generation and fracture toughness calculation in scratched TiN-coated steel surfaces, Wear 254, 2003, 278–291.
• 12. Rabinovich V.L., Sarin V.K.: Modeling of interfacial fracture, Mater. Sci. Eng. A209, 1996, 82–90.
• 13. Zherng L., Ramalingam S.: Stresses in a coated solid due to shear and normal boundary tractions, J. Vacuum Sci. Technol. A13, 1995, 2390–2398.
• 14. Ramalingam S., Zheng L.: Film-substrate interface stresses and their role in the tribological performance of surface coatings, Tribol. Int. 28, 1995, 145–161.
• 15. Mao K., Sun Y., Bell T.: A numerical model for the dry sliding contact of layered elastic bodies with rough surfaces, Tribol. Trans. 39, 1996, 416–424.
• 16. Bucaille J.L., Felger E., Hochstetter G.: Mechanical analysis of the scratch test on elastic and perfectly plastic materials with the threedimensional finite element modeling, Wear 249, 2001, 422–432.
• 17. Jiang X.Y., Lauke B., Berckert W., Schuller T.: Numerical simulation of micro-scratch tests for coating/substrate composites, Compos. Interfaces 8, 2001, 19–40.
• 18. Jiang X.Y., Lauke B., Schuller T.: Frictional contact analysis of scratch test for elastic and elastic-plastic thing-coating/substrate materials, Thin Solid Films 414, 2002, 63–71.