Effect of residual stress on load bearing capacity of PVD coated surfaces

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

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0012.7481

Warianty tytułu

PL

Wpływ naprężeń własnych na nośność powierzchni z powłokami PVD

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents the results of spherical indentation modelling of coating-substrate systems. Modelling was carried out using the finite element method. First of all, the effect of the coating thickness on system deformation and stress distribution was taken into analysis, assuming coating thicknesses of 1, 2, and 5 μm, which are typical for tribological applications as well as models with infinitely thick coating and without a coating. The evolution of maximum radial stresses in the indentation within 0 to 3N load is presented. A significant effect of the coating thickness on the value and location of the maximum stress concentration was observed. The effect of internal stresses on surface bearing capacity with PVD coatings was also analysed. The paper presents the possibility of creating failure maps of coating–substrate systems for the assumed mechanical properties of materials, which allows one to determine the load capacity of coated surface or choose the optimal coating thickness when the maximum strength and contact geometry are known.

PL

W artykule zostały przedstawione wyniki modelowania sferycznej indentacji układów powłoka-podłoże. Modelowanie prowadzono z użyciem metody elementów skończonych. Analizowano przede wszystkim wpływ grubości powłoki na deformacje układu i rozkład naprężeń, przyjmując typowe w tribologicznych aplikacjach grubości powłok 1, 2 i 5 μm oraz modele z nieskończenie grubą powłoką i bez powłoki. Przedstawiono ewolucję głównie przy maksymalnych naprężeniach promieniowych w zakresie obciążenia wgłębnika od 0 do 1 N. Zaobserwowano istotny wpływ grubości powłoki na wartość i miejsca maksymalnej koncentracji naprężeń. Analizowano także wpływ naprężeń własnych na nośność powierzchni z powłokami PVD. W pracy przedstawiono możliwość tworzenia map niszczenia układów powłoka–podłoże dla założonych właściwości mechanicznych materiałów, dzięki której można określić zakres nośności powierzchni układu lub dobrać optymalną grubość powłoki przy znajomości maksymalnej siły i geometrii kontaktu.

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: 2018
• Tom: nr 4
• Strony: 23--29
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Chronowska-Przywara K.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

autor

Kot M.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

autor

Szczęch M.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Bibliografia

• 1. Hertz H.: Verhandlungen des vereins zur Beforderung des Gewerbefleisses,, Novenber, Leipzig, 1982, 163–183.
• 2. Tabor D.: Hardness of Metals, Clarendon Press, Oxford (1951).
• 3. Johnson K. L.: Contact Mechanics, Cambridge University Press, Cambridge 1985.
• 4. Akonoa A. T., Ulmb F. A.: An improved technique for characterizing the fracture toughness via scratch testexperiments, Wear, 313, 2014.
• 5. Esqué-de los Ojosa, James D., Besta P., Schwiedrzik A., Morsteinb M., Michlera J.: A closed-form analyticalapproach for the simple prediction of hard-coating failure for tooling systems, Surface & Coatings Technology, 2016.
• 6. 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.
• 7. Zhang G. A.,, Wu Z. G., Wang M. X., Fan X. Y., Wang J., Yan P. X.: Structure evolution and mechanical propertiesenhancement of Al/AlN multilayer. Applied Surface Science, 253 (2007), 8835–8840.
• 8. Souza R. M., Sinatora A., Mustoe G. G. W., Moore J. J.: Numerical and experimental study of the circular cracksobserved at the contact edges of the indentations of coated systems with soft substrates. Wear 251 (2001), 1337–1346.
• 9. Pe´rez E. A., Souza R. M.: Numerical and experimental analyses on the contact stresses developed during singleand successive indentations of coated systems. Surface and Coatings Technology 188–189 (2004), 572–580.
• 10. Pachler T., Souza R. M., Tschiptschin A. P.: Finite element analysis of peak stresses developed during indentationof ceramic coated steels. Surface and Coatings Technology 202 (2007), 1098–1102.
• 11. Kot M., Rakowski W., Major Ł., Lackner J.: Load-bearing capacity of coating-substrate systems obtained fromspherical indentation tests. Materials and Design, 46, 2013.
• 12. Kot M.: Analiza właściwości mechanicznych układów powłoka–podłoże przy użyciu metody indentacjiz wykorzystaniem wgłębników o różnej geometrii. Tribologia, vol. 236 (2011), 47–60.
• 13. Kot M., Rakowski W., Morgiel J., Major Ł.: Metoda wyznaczania nacisku dopuszczalnego w stykuskoncentrowanym dla układów powłoka–podłoże. Tribologia, vol. 218 (2/2008), pp. 285–295.
• 14. Kot M., Rakowski W., Lackner J. M., Major Ł.: Analysis of spherical indentations of coatingsubstratesystems: Experiments and finite element modeling. Materials and Design 43 (2013), 99–111.
• 15. Niezgodziński M., Niezgodziński T., Wzory, wykresy i tablice wytrzymałościowe, PWN, Warszawa 1977.
• 16. Anthony C., Fischer-Cripps, Nanoindentation, Mechanical Engineering Series, Springer, 2001.
• 17. Williams J. A., Dwyer-Joyce R. S.: Modern Tribology Handbook- Contact between solid surfaces, CRC PressLLC, 2001.
• 18. Wang T., Wang L., Zheng L.G.: Stress analysis of elastic coated solids in point contact, Tribology International86, 2015, p. 52-61.
• 19. Steve G., Charles W., Yordanos B., Determination of residual stress in brittle materials by Hertzian indentation:Teory and experiment, Journal of the American Ceramic Society, 1999, vol. 82.
• 20. Tang K. C., Faulkner A., Schwarzer N., Arnell R. D., Richter F.: Comparison between an elastic-perfectly plasticfinite element model and a purely elastic analytical model for a spherical indenter on a layered substrate, Elsevier.Thin Solid Films, 1997, p. 177–188.
• 21. Muchler J., Blank E.: Analysys of coating fracture and substrate plasticity induced by spherical indentors: diamondand diamond- like- carbon layers on steel substrates, Elsevier. Thin solid Films, 2001, p. 119–134.

Uwagi

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