Modelowanie stanu odkształceń w gradientowych powłokach CrN/CrCN

• Autorzy: Szparaga Ł. , Bartosik P. , Gilewicz A. , Kwaśny W. , Ratajski J.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2015.6.28

Warianty tytułu

EN

Modelling of internal deformation state in CrN/CrCN gradient coatings

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem pracy było zbadanie różnic w stanach odkształceń własnych powstałych na skutek zadanych obciążeń mechanicznych w powłokach CrN/CrCN z gradientową warstwą przejściową pomiędzy CrN i CrCN. Powłoki zostały osadzone techniką PVD (Physical Vapour Deposition), metodą katodowego odparowania łukowego na podłożu ze stali 42CrMo4. Całkowita grubość osadzonych powłok wynosiła 8 μm, a gradientowa warstwa przejściowa pomiędzy CrN a CrCN miała grubość 2 μm. W modelu matematycznym warstwa gradientowa była reprezentowana przez tzw. funkcje przejścia opisujące przestrzenną zmianę parametrów materiałowych warstwy, takich jak: moduł Younga, współczynnik Poissona, współczynnik rozszerzalności cieplnej, granica sprężystości i moduł wzmocnienia. Rozważono dwa typy warstw gradientowych o różnych profilach zawartości węgla opisywanych przez funkcje potęgowe. Wykorzystując znajomość naprężeń własnych w powłokach po procesie osadzania (pomiar metodą dyfrakcji rentgenowskiej), wykazano na drodze symulacji numerycznych za pomocą MES różnice w stanach efektywnych odkształceń plastycznych powstałych na skutek obciążeń zewnętrznych. Pokazano na przykładzie, iż warstwy gradientowe reprezentowane przez potęgowe funkcje przejścia o wykładniku p > 1 cechują się mniejszymi strefami dużych odkształceń plastycznych na granicy działania obciążeń zewnętrznych w porównaniu z warstwami gradientowymi o p < 1. Wynika z tego, iż powłoki z warstwami gradientowymi mające p > 1 cechuje większa odporność na kruche pękanie.

EN

The aim of the study was to analyse differences in the states of internal deformation, caused by mechanical loads, in the coatings CrN/CrCN with a gradient transition layer between CrN and CrCN. The coatings were deposited using PVD technique (Physical Vapour Deposition) by cathodic arc evaporation on a substrate made from 42CrMo4 steel. The total thickness of the deposited coatings was 8 μm, and the gradient transition layer between CrN and CrCN had a thickness of 2 μm. In mathematical model, gradient layer was represented by the so called transition functions, describing the spatial change of the layer’s material parameters, such as Young’s modulus, Poisson ratio, coefficient of thermal expansion, yield strength and tangent modulus. In particular, were considered two types of gradient layers with different profiles of carbon concentration described by a power function. Using knowledge of the residual stress in the coating after the deposition process (measured by X-ray diffraction), has been shown by numerical simulation based on FEM, the differences in the states of effective plastic strain, caused by external loads. In particular, was shown on the example that the gradient layer represented by a power transition functions of the exponent p > 1 are characterized by smaller zones of high plastic strain on the boundary of applied external loads in comparison to the gradient layers with p < 1. This fact indicates, that the coatings with gradient layers with p > 1 are characterized by an larger fracture toughness.

Słowa kluczowe

PL

powłoki gradientowe; warstwy przejściowe; naprężenia własne

EN

gradient coatings; transition layers; internal stress

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 36, nr 6
• Strony: 488--492
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Szparaga Ł.

• Wydział Technologii i Edukacji, Politechnika Koszalińska

autor

Bartosik P.

• Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska

autor

Gilewicz A.

• Centrum Technologii Próżniowo-Plazmowych, Politechnika Koszalińska

autor

Kwaśny W.

• Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska

autor

Ratajski J.

• Wydział Technologii i Edukacji, Politechnika Koszalińska

Bibliografia

• [1] Sun Y., Bell T., Zheng S.: Finite element analysis of the critical ratio of coating thickness to indentation depth for coating property measurements by nanoindentation. Thin Solid Films 258 (1995) 198÷204.
• [2] Sun Y., Bloyce A., Bell T.: Finite element analysis of plastic deformation of various TiN coating/substrate systems under normal contact with a rigid sphere. Thin Solid Films 271 (1995) 122÷131.
• [3] Zhao X., Xie Z., Munroe P.: Nanoindentation of hard multilayer coatings: Finite element modelling. Material Science and Engineering A 528 (2011) 1111÷1116.
• [4] Zhang X. C, Xu B. S, Wang H. D., Wu Y. X., Jiang Y.: Hertzian contact response of single-layer, functionally graded and sandwich coatings. Materials & Design 28 (2007) 47÷54.
• [5] Szparaga Ł., Ratajski J., Bartosik P.: Strain field analysis in nanoindentation test of gradient coatings. Archives of Materials Science and Engineering 64/2 (2013) 219÷227.
• [6] Śliwa A., Dobrzański L. A., Kwaśny W., Staszuk M.: Simulation of the microhardness and internal stresses measurement of PVD coatings by use of FEM. Archives of Computational Materials Science and Surface Engineering 2/4 (2010) 213÷220.
• [7] Śliwa A., Dobrzański L. A., Kwaśny W., Sitek W.: Finite element metod application for modeling of PVD coatings properties. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 27/2 (2008) 171÷174.
• [8] Dobrzański L. A., Staszuk M.: PVD and CVD gradient coatings on sintered carbides and sialon tool ceramics. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 43/2 (2010) 552÷576.
• [9] 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.
• [10] 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.
• [11] Szparaga Ł., Myśliński P., Gilewicz A., Ratajski J.: Investigations on the thermo-mechanical properties of CrN/CrCN gradient coatings using a thermo-dilatometric method. Solid State Phenomena 223 (2015) 100÷109.
• [12] Szparaga Ł., Ratajski J.: Modelowanie stanów naprężeń w powłokach TiAlN/TiN/Cr z warstwami przejściowymi. Inżynieria Materiałowa 6 (190) (2012) 622÷625.
• [13] Ratajski J., Szparaga Ł.: On transition functions and nonlinearity measures in gradient coatings. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 54/1 (2012) 83÷92.
• [14] Szparaga Ł., Ratajski J.: Polioptymalizacja przeciwzużyciowych powłok gradientowych TiAlN/TiN. Inżynieria Materiałowa 5 (195) (2013) 547÷550.
• [15] Warcholiński B., Gilewicz: Powłoki przeciwzużyciowe CrN/CrCN na nożach strugarskich do obróbki drewna. Inżynieria Materiałowa 6 (2009) 516÷519.
• [16] Skrzypek S. J., Baczmanski A., Ratuszek W., Kusior E.: New approach to stress analysis based on grazing-incidence X-ray diffraction. Journal of Applied Crystallography 34 (2001) 427÷435.