Analiza deformacji i form niszczenia układu powłoka–podłoże

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.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

Wpływ naprężeń własnych na nośność powierzchni z powłokami PVD – Część 2

The article presents the results of modelling tests of the coating-substrate systems subjected to a contact load using a spherical diamond indenter with a 20 μm tip radius. Systems with 1 to 5 μm thick CrN coatings deposited on X5CrNi18-10 austenitic steel substrate were analysed. Systems without residual stress as well as with introduced 2 and 5 GPa compressive residual stresses were analysed. The article presents the effect of coating thickness on substrate deformations at load range up to 1 and 3 N. The evolution of maximum radial stress in the substrate and the range of substrate plastic deformation for the assumed coating thicknesses were also analysed. Modelling results showed a strong relation between maximum critical force and relative coating thickness. The maximum radial stresses in the substrate in a case of systems with a thin 1 μm coating are much smaller than for thicker 5 μm coating, referring to the relative coating thickness. However, the analysis of substrate yielding showed that, for thin 1 and 2 μm coatings, substrates deform plastically at 0.01 and 0.03 N, respectively, while the 5 μm coating prevent plastic deformations up to load 0.32N.W artykule przedstawiono wyniki badań modelowania układów powłoka–podłoże poddanych obciążeniu działającego w styku skoncentrowanym przy użyciu diamentowego wgłębnika o promieniu zaokrąglenia 20 μm. Analizowano układy z powłokami CrN w zakresie od 1 do 5 μm nałożone na stal austenityczną X5CrNi18-10. Modelowano układy bez naprężeń własnych oraz układy z wprowadzonymi ściskającymi naprężeniami własnymi 2 i 5 GPa. W artykule przedstawiono ewolucje wpływu grubości powłok na deformacje podłoża w zakresie obciążenia do 1 i 3 N. Analizowano również przebieg maksymalnych naprężeń promieniowych w podłożu oraz zakres odkształceń plastycznych podłoża dla założonych grubości powłok i zakresu sił. Wyniki modelowania wykazały dużą zależność pomiędzy maksymalną siłą krytyczną, a względną grubością powłoki. Maksymalne naprężenia promieniowe w podłożu w układach z cienką powłoką 1 μm są znacznie mniejsze niż w przypadku układów z powłoką o grubości 5 μm, odnosząc wyniki do względnej grubości powłoki. Natomiast analiza odkształceń plastycznych podłoża badanych układów wykazała, że podłoże w układach z cienkimi powłokami 1 i 2 μm odkształcają się plastycznie już przy sile 0,01 i 0,03 N. Wzrost siły, przy której dochodzi do odkształceń plastycznych podłoża, widoczny jest w przypadku zmieniającej się grubości zastosowanej powłoki. I tak w przypadku układu z powłoką 5 μm pierwsze odkształcenia plastyczne zaczynają pojawiać się dopiero przy sile 0,32 N

THE RESEARCH TECHNIQUES FOR ANALYSIS OF MECHANICAL AND TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF COATING-SUBSTRATE SYSTEMS

The article presents research techniques for the analysis of both mechanical and tribological properties of thin coatings applied on highly loaded machine elements. In the Institute of Machine Design and Exploitation, AGH University of Science and Technology students of the second level of Mechanical Engineering study tribology attending laboratory class. Students learn on techniques for mechanical and tribological testing of thin, hard coatings deposited by PVD and CVD technologies. The program of laboratories contains micro-, nanohardness and Young's modulus measurements by instrumental indentations and analysys of coating to substrate adhesion by scratch testing. The tribological properties of the coating-substrate systems are studied using various techniques, mainly in point contact load conditions with ball-on-disc and block-on-ring tribomiters as well as using ball cratering method in strongly abrasive suspensions