Analysis of deformation and forms of destruction of coating-substrate systems

• Autorzy: Chronowska-Przywara Kinga

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0015.8364

Warianty tytułu

PL

Analiza deformacji i form niszczenia układu powłoka–podłoże

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the results of fracture testing of a coating-substrate system subjected to a concentrated contact load and during a scratch test. A diamond indenter with rounding radii in the range 20-500 µm was used under the tests. Systems with CrN coatings in the range of 1 to 5 µm applied to austenitic steel X5CrNi18-10 were analysed. In the paper, the effect of coating thickness on deformation and fracture of the coating and substrate in the load range of 1 and 3 N is analysed. Cohesion and adhesion sites of the coating to the substrate were determined. Optical profilometer images, scanning microscope images, and Micro Combi Tester images – CSM Instruments were used to analyse Lc1, Lc2, and crack locations. It was observed that, as the indenter radius increases, cracks in the coating-substrate system develop at increasing loads. Average critical forces are also higher with indenters of 200–500 µm. In the case of indentation only, with the indenter’s radius of 500 um, it is 750 Nm for the thinnest 1 µm coating and 1750 Nm for the 5.2 µm coating.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań pękania układu powłoka–podłoże poddanych obciążeniu działającym w styku skoncentrowanym oraz podczas testu zarysowania. Do badań użyto diamentowego wgłębnika o promieniach zaokrąglenia z zakresu 20–500 µm. Analizowano układy z powłokami CrN w zakresie od 1 do 5 µm nałożone na stal austenityczną X5CrNi18-10. W artykule analizowano wpływ grubości powłok na deformacje i pękanie powłoki i podłoża w zakresie obciążenia 1 i 3 N. Wyznaczono miejsca kohezji i adhezji powłoki do podłoża. Do analizy Lc1, Lc2 oraz lokalizacji pęknięć użyto obrazów z profilometru optycznego, zdjęć z mikroskopu skaningowego i zdjęć z Micro Combi Testera – CSM Instruments. W wyniku przeprowadzonych badań zauważono, że wraz ze wzrostem promieniem zaokrąglenia wgłębnika, pęknięcia układu powłoka–podłoże powstają przy coraz większych obciążeniach. Średnie wartości sił krytycznych również jest większe przy stosowaniu wgłębników 200–500 µm. W przypadku samej indentacji przy promieniu wgłębnika 500 µm wynosi 1 µm, 750 Nm, natomiast dla powłoki 5,2 µm 1750 Nm.

Słowa kluczowe

EN

contact mechanics; fracture toughness; deformation; coatings

PL

mechanika kontaktu; odporność na pękanie; deformacja; powłoka

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2021
• Tom: nr 4
• Strony: 7--14
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys.

Twórcy

autor

Chronowska-Przywara Kinga

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

• https://orcid.org/0000-0003-3510-4443

Bibliografia

• 1. Kot M.: An Analysis of Mechanical and Tribological Properties of Zr/Zr2N Multilayer Coatings, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 12, 2022, pp. 464–470.
• 2. Kot M., Moskalewicz T., Wendler B., Rakowski W., Czyrska-Filemonowicz A.: Micromechanical and tribological properties of nc-TiC/a-C nanocomposite coatings, Solid State Phenomena, 177, 2011, pp. 36–46.
• 3. Burakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1995, pp. 47–61, 191–219, 449–550.
• 4. Dobrzański L.A, Dobrzańska-Danikiewicz A.D.: Obróbka powierzchni metali inżynierskich. Open Access Library, 2011, pp. 89–136.
• 5. Hebda M., Wachgal A.: Tribologia. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1980, pp. 468–533.
• 6. Kot M., Rakowski W., Morgiel J., Major Ł.: Metoda wyznaczania nacisków dopuszczalnych w styku skoncentrowanym dla układów powłoka–podłoże. Tribologia, 2018, pp. 285–295.
• 7. Herbert E.G., Pharr G.M., Olivier W.C., Lucas B.N, Hay J.L.: On the measurement of stress-strain curves by spherical indentation. Thin Solid Dilms, 2001, pp. 331–335.
• 8. Kot M., Rakowski W., Morgiel J., Major Ł.: Load-bearing capacity of coating- substrate systems obtained from spherical indentation tests. Thin Solids Films, 2013, pp. 345–355.
• 9. Ullner C., Beckmann J., Morrell R.: Instrumented indentation test for advanced technical ceramics. Journal of the European Ceramic, Society, 2002, pp. 1183–1189.
• 10. Fernandes J.V., Trindade A.C, Menezes L.F., Cavalwiro A.: A model for coated surface hardness. Surface and Coatings Technology 131, 2000, pp. 457–461.
• 11. ISO 14577-1. Metallic materials – instrumented indentation test for hardness and material parameters – Part 1: Test method.
• 12. ISO 20808:2004. Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) – Determination of friction and wear characteristics of monolithic ceramics by ball-on-disc method.
• 13. Chronowska-Przywara K., Kot M., Zimowski S.: Technika badawcze w analizie właściwości mechanicznych i tribologicznych cienkich warstw i powłok. Zeszyty naukowe Politechniki Śląskiej. Seria Transport z.83, (2014).
• 14. Wiciński Pp. Smolik J., Garbacz H.: Microstructure and mechanical properties of nanostructure multilayer CrN/Cr coatings on titanium Alloy. Thin Solid Films vol. 519, issue 12. 2011, pp. 4069-4073.
• 15. Chronowska-Przywara K., Kot M.: Modelowanie metodą elementów skończonych deformacji i naprężeń układu powłoka–podłoże w teście zarysowania, Tribologia: teoria i praktyka, 2015, pp. 33–43.
• 16. Kot M.: Deformacje i pękanie układów powłoka–podłoże przy obciążeniach działających w styku skoncentrowanym. Tribologia: Teoria i praktyka, 2010, pp. 125–133.
• 17. Chronowska-Przywara K., Kot M., Szczęch M.: The effect of residual stress of the load bearing capacity of PVD coated surfaces – part 2, Tribologia: teoria i praktyka, 5–2019, pp. 43–49.
• 18. Chronowska-Przywara K., Kot M., Szczęch M., The effect of residual stress of the load bearing capacity of PVD coated surfaces – part 2, Tribologia: teoria i praktyka, 4–2018, pp. 23–29.
• 19. John A. Williams, Rob S. Dwyer-Joyce: Modern Tribology Handbook – Contact between solid surfaces, CRC Press LLC, 2001, pp. 1432–1468.
• 20. Wang T., Wang L., Zheng L.G.: Stress analysis of elastic coated solids in point contact, Tribology International 86, 2015, pp. 52–61.
• 21. Steve G., Charles W., Yordanos B.: Determination of residual stress in brittle materials by Hertzian indentation: Theory and experiment, Journal of the American Ceramic Society, vol. 82, 1999, pp. 125–132.
• 22. Tang K.C., Faulkner A., Schwarzer N., Arnell R.D., Richter F.: Comparison between an elastic-perfectly plastic finite element model and a purely elastic analytical model for a spherical indenter on a layered substrate, Elsevier. Thin Solid Films, 1997, pp. 177–188.
• 23. Muchler J., Blank E.: Analysis of coating fracture and substrate plasticity induced by spherical indentors: diamond and diamond – like – carbon layers on steel substrates, Elsevier. Thin solid Films, 2001, pp. 119–134.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).