Modelowanie stanów naprężeń w powłokach TiAlN/TiN/Cr z warstwami przejściowymi

• Autorzy: Szparaga Ł. , Ratajski J.

Warianty tytułu

EN

Modelling of the stresses fields in TiAlN/TiN/Cr coatings with transitional layer

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy opisano wpływ zmiany właściwości elastoplastycznych warstwy TiAlN na stany naprężeń w wielowarstwowej powłoce przeciwzużyciowej TiAlN/TiN/Cr, powstające po procesie nanoszenia metodą łukową PVD. W modelu fizycznym powłoki założono ciągłą zmianę parametrów fizykochemicznych pomiędzy warstwami TiAlN/TiN. W tym celu utworzono niesymetryczną i ciągłą funkcję przejścia opisującą zmianę parametrów materiałowych warstw, takich jak moduł Younga, moduł umocnienia, współczynnik Poissona, współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz gęstość. Określony został również ilościowy wpływ właściwości plastycznych warstwy TiAlN na stany naprężeń i odkształceń plastycznych w powłoce. Ponadto oceniono wpływ początkowego stanu naprężeń wewnętrznych w warstwie TiAlN na końcowy rozkład naprężeń w powłoce. W obliczeniach numerycznych stanów naprężeń wykorzystano metodę elementów skończonych.

EN

The influence of changes in the elasto-plastic properties of TiAlN layer on the stresses fields in the multilayer coating TiAlN/TiN/Cr, which arise after deposition via Arc-PVD method was described. Independently, in the physical model of the coating, a continuous change of physicochemical parameters between the layers of TiAlN/TiN was assumed. For this purpose, an asymmetric and continuous transitional function describing the change of material’s parameters such as Young’s modulus, tangent modulus, Poisson’s ratio, thermal expansion coefficient and density was created. Moreover the impact of plastic properties of TiAlN layer on stresses and plastic strains in the coating was estimated. What is more the influence of the initial state of internal stresses in the TiAlN layer on the final stresses in the coating was studied. The numerical calculations of the stresses fields were done via the finite element method.

Słowa kluczowe

PL

warstwy przejściowe; PVD; metoda elementów skończonych; powłoki wielowarstwowe; naprężenia wewnętrzne

EN

transitional layers; PVD; finite element method; multilayer coatings; internal stresses

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 6
• Strony: 622--625
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Szparaga Ł.

• Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej, Politechnika Koszalińska

autor

Ratajski J.

• Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej, Politechnika Koszalińska

Bibliografia

• [1] Haider J., Rahman M., Corcoran B., Hashmi M. S. J.: Simulation of thermal stress in magnetron sputtered thin coating by finite element analysis. Journal of Materials Processing Technology 168 (2005) 36÷41.
• [2] Śliwa A., Dobrzański L. A., Kwaśny W., Sitek W.: Finite Element Method application for modelling ofPVD coatings properties. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 27/2 (2008) 171÷174.
• [3] Szparaga Ł., Ratajski J., Olik R.: Modelowanie i symulacja numeryczna stanu naprężeń i odkształceń W warstwie wierzchniej noża strugarki do obróbki drewna pokrytego powłoką przeciwzużyciową. Inżynieria Materiałowa 176 (2010) 1249÷1254.
• [4] Śliwa A., Dobrzański L. A., Kwaśny W., Staszuk M.: Simulation of the microhardness and internal stresses measurement of PVD coatings by use of FEM. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 43/2 (2010) 684÷691.
• [5] Dobrzański L. A., Śliwa A., Kwaśny W.: Employment of the finite element method for determining stresses in coatings obtained on high-speed steel with the PVD process. Journal of Materials Processing Technology 164- 165 (2005) 1192÷1196.
• [6] Śliwa A., Mikuła J., Dobrzański L. A.: FEM application for modelling of PVD coatings properties. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 41/1-2 (2010) 164÷171.
• [7] Oettel H., Wiedemann R.: Residual stresses in PVD hard coatings. Surface and Coatings Technology 76-77 (1995) 265÷273.
• [8] Tran M. D., Poublan J., Dautzenberg J. H.: A practical method for the determination of the Young”s modulus and residual stresses of PVD thin films. Thin Solid Films 308-309 (1997) 310÷314.
• [9] Wiklund U., Gunnars J., Hogmark S.: Influence of residual stresses on fracture and delamination ofthin hard coatings. Wear 232 (1999) 262÷269.
• [10] Pauleau Y.: Generation and evolution of residual stresses in physical vapour-deposited thin films. Vacuum 61 (2001) 175÷181.
• [11] Carvalho N. J. M, Zoestbergen E., Kooi B. J., De Hosson J. Th. M.: Stress analysis and microstructure of PVD monolayer TiN and multilayer TiN/ (Ti, Al)N coatings. Thin Solid Films 429 (2003) l79÷l89.
• [12] Holmberg K., Ronkainen H., Laukkanen A., Wallin K., Hogmark S., Jacobson S., Wiklund U., Souza R. M., Ståhle P.: Residual stresses in TiN, DLC and MoS2 coated surfaces with regard to their tribological fracture behaviour. Wear 267 (2009) 2142÷2156.
• [13] Vlasveld A. C., Harris S. G., Doyle E. D., Lewis D. B., Munz W. D.: Characterization and performance of partially filtered arc TiAlN coatings. Surface and Coatings Technology 149 (2002) 217÷224.
• [14] Xu Qianjun, Yu Shouwen, Kang Yilan: Residual stress analysis of functionally gradient materials. Mechanics Research Communications 26 (1) (1999) 55÷60.
• [15] Hong-Cai Zhang, Wei Tan, Yong-Dong Li: Effect of the transitional gradient of material property on the mechanical behaviour of a non-homogeneous interlayer. Computational Materials Science 42 (2008) 122÷129.
• [16] Yongdong Li , Hongcai Zhang, Wei Tan: Fracture analysis of functionally gradient weak/micro-discontinuous interface with finite element method. Computational Materials Science 38 (2006) 454÷458.
• [17] Szparaga Ł., Ratajski J.: Modelowanie ewolucji stanów naprężeń w wielowarstwowej powłoce CrN/Cr za pomocą MES. Inżynieria Materiałowa 4 (182) (2011) 760÷764.
• [18] Kashtalyan M., Menshykova M.: Three-dimensional elastic deformation of a functionally graded coating/substrate system. International Journal of Solids and Structures 44 (2007) 5272÷5288.
• [19] Liao-Liang Ke, Yue-Sheng Wang: Two-dimensional contact mechanics of functionally graded materials with arbitrary spatial variations of material properties. International Journal of Solids and Structures 43 (2006) 5779÷5798.
• [20] Szparaga Ł., Ratajski J., Zarychta A.: Multi objective optimization of wear resistant TiAlN and TiN coatings deposite by PVD techniques. Archives of Materials Science and Engineering 48/ 1 (2011) 33÷39.
• [21] Lakkaraju R. K., Bobaru F., Rohde S. L.: Optimization of multilayer wear resistant thin films using finite element analysis on stiff and compliant substrates. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films 24 (2006) 146÷155.
• [22] Valle R., Leveque D., Parlier M.: Optimizing substrate and intermediate layers geometry to reduce internal thermal stresses and prevent surface crack formation in 2D multilayered ceramic coatings. Journal of the European Ceramic Society 28 (2008) 711÷716.
• [23] Bąk R., Burczyński T.: Wytrzymałość materiałów z elementami ujęcia komputerowego. WNT, Warszawa (2001).
• [24] Nowacki W.: Teoria sprężystości. PWN, Warszawa (1970).
• [25] Sawicki A.: Mechanika kontinuum. IBW PAN, Gdańsk (1994).

Uwagi

PL

Badania współfinansowane ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego W ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007÷2013, Działanie 1.3.