Numerical simulation of elasto - plastic deformation of thin hard coating systems in nano - impact test

• Autorzy: Kopernik, M. , Pietrzyk, M. , Żmudzki, A.

Warianty tytułu

PL

Numeryczna symulacja odkształcenia sprężystoplastycznego układów cienkich twardych powłok w teście udarności

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Thin films and coatings are deformed at lower loads than predicted by static tests. The nano-impact technique is a low load impact test capable of revealing marked differences in performance that can be used to optimize the design of coating systems for improved durability. Instead of simply "characterizing" coatings and thin films, their actual tribological performance under "in-service" conditions can now be assessed. Due to very small scale of the experiment and several disturbances, direct interpretation of the results of these tests is difficult. Numerical modelling can simulate the thin films behaviour in the experiment and reveal the real state of strains and stresses. Finite element simulation of the nano-impact test is the main objective of the present work. Simulations were using Forge 2 code adapted to the thin layer conditions. Problems with adaptation and scaling are described in the paper. Developed model will be further combined with the optimization techniques and used in the inverse analysis of the nano-impact tests.

PL

Celem pracy jest rozwój modelu na bazie metody elementów skończonych (MES) do symulacji testów udarności układów twardych nanopowłok. Wymienione testy są wykonywane, aby określić odporność materiału na pękanie. Do przedstawionego w pracy modelu MES nie wprowadzono kryteriów pękania. Pokazano jedynie jak zachowuje się materiał pod wpływem obciążenia udarowego. Trudności prowadzenia symulacji wynikają z małej grubości powłok, konieczności wykonania aktualizacji siatki elementów (remeshingu), wielomateriałowego i wieloetapowego charakteru modelu MES, który musi połączyć różne rodzaje rozwiązań numerycznych jednocześnie. Symulacje wykonano za pomocy kodu FORGE 2, który przystosowano do warunków i wymagań istniejących w układach powłok i w modelowanym matematycznie doświadczeniu. W publikacji zamieszczono wyniki symulacji dla testów udarności opracowanych dla dwóch układów nanopowłok. Wykazano, że stworzony model potrafi przewidywać rozkłady intensywności naprężeń i odkształceń oraz można do niego wprowadzić kryteria pękania, które korzystają z obliczanych w modelu wartości naprężeń i odkształceń.

Słowa kluczowe

EN

hard coating system; FEM; nano-impact test; plastic deformation; FGM

• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 6, No. 3-4
• Strony: 150-160
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys.

Twórcy

autor

Kopernik, M.

autor

Pietrzyk, M.

autor

Żmudzki, A.

• Department of Modelling and Information Technology, Akademia Gómiczo-Hutnicza Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland,

Bibliografia

• Beake, B.D., Lau , S.P., Smith, J.F., 2004, Evaluating the fracture properties and fatigue wear of tetrahedral amorphous carbon films on silicon by nano-impact testing, Surface and Coatings Technology, 177 -178, 611—615.
• Beake, B.D., Smith, J.F., 2004, Nano-impact testing - an effective tool for assessing the resistance of advanced wear-resistant coatings to fatigue failure and delamination, Surface and Coatings Technology, 188-189, 594-598.
• Cai, X., Bangert, H., 1996, Finite-element analysis of the interface influence on hardness measurements of thin films, Surface Coatings Technology, 81, 240-255.
• Chenot, J.L., Bellet, M., 1992, The Viscoplastic Approach for the Finite-Element Modelling of Metal Forming Processes, In,: Numerical Modelling of Material Deformation Processes, eds, Hartley, P., Pillinger, L, Sturges, C.E.N., Springer-Verlag, London, Berlin, 179-224.
• Dao, M., Gu, P., Maewal, A., Asaro, R.J., 1997, A micromechanical study of residual stresses in functionally graded materials, Acta Mater., 45, 3265-3276.
• Fang, T.-H., Jian, S.-R., Chuu, D.-S., 2004, Nanomechanical properties of TiC, TiN and TiCN thin films using scanning probe microscopy and nanoindentation, Applied Surface Science, 228, 365-372.
• The FORGE® V.2.4 materials database, 2004, Transvalor SA, Sophia-Antipolis, France.
• Hansel, A., Spittel, T., 1978, Krafts und Arbeitsbedarf Bildsamer Formgebungverfahren VEB Deutscher Verlay fur Grundstoff Industrie, Leipzig.
• Holmberg, K., Matthews, A., Ronkainen, H., 1998, Contact mechanism and surface design, Tribology International, 31, 1-3, 107-120.
• http://www.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=BA1A
• Kopernik, M., Pietrzyk, M., 2006, Evaluation of possibilities and perspectives of application of nanomaterial hard coatings, Computer Methods in Materials Science, 6, 42-63.
• Kopernik, M., Szeliga, D., 2007, Modelling of nanomaterials - inverse and sensitivity analysis to determine material parameters, Computer Methods in Materials Science, 7, 255-261.
• Kopernik, M., Pietrzyk, M., 2D numerical simulation of elastoplastic deformation of thin hard coating systems in deep nanoindentation test with sharp indenter, Arch. Metall. Mater., 2007, (in press).
• Paszyński, M., Kopernik, M., Madej, Ł., Pietrzyk, M., 2006, Automatic hp adaptivity to improve accuracy of modeling of heat transport and linear elasticity problems, J. Machine Eng., 6, 73-82.
• Santhanam, A.T., Quinto, D.T., Grab, G. P., 1996, Comparison of the steel-miling performance of carbide inserts with the MTCYD and PYD TiCN coatings, Int. J. of Refractory Metal and Hard Materials, 14, 31 -40.
• Zoestbergen, E., 2000, X-ray analysis of protective coatings, http://dissertations.ub.rug.nl/FILES/faculties/science/2000/e.zoesterbergen/c5.pdf.
• Zienkiewicz, O.C., Taylor, R.L., 2000, The Finite Element Method, Butterworth-Heinemann, Oxford.