Εξέλιξη πειραματικών διατάξεων και μεθοδολογιών για το χαρακτηρισμό ιδιοτήτων κόπωσης και συνοχής λεπτών σκληρών επικαλύψεων σε διάφορες θερμοκρασίες
Creators: name: Μπατσιώλας, Μιχαήλ Γ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2012
Subjects: Επικαλύψεις
Κόπωση
Αστοχία
Υψηλές θερμοκρασίες
Coatings
Fatigue
Failure
Elevated temperatures

description: Σκοπός της διατριβής ήταν η μελέτη και βελτίωση μεθόδων χαρακτηρισμού κρίσιμων μηχανικών ιδιοτήτων επικαλύψεων επί ένθετων κοπτικών εργαλείων και στοιχείων μηχανών. Περιγράφονται κατ’αρχήν οι βασικοί μηχανισμοί που επιδρούν στη φθορά και αστοχία συστημάτων σκληρών λεπτών επικαλύψεων, που έχουν παραχθεί μέσω της μεθόδου φυσικής εναπόθεσης ατμών (PVD), όπως και των αντιστοίχων υποστρωμάτων σκληρομετάλλου. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στην ανάπτυξη νέων και εξέλιξη υπαρχόντων πειραματικών διατάξεων και μεθοδολογιών για το χαρακτηρισμό τους ως τελικά τεμάχια σε συνθήκες που προσεγγίζουν σε μεγαλύτερο βαθμό αυτές που επικρατούν κατά την πραγματική λειτουργία τους. Αυτό επιτυχγάνεται μέσω του προσδιορισμού χαρακτηριστικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωμάτων τους. Με χρησιμοποίηση αυτών των διατάξεων και μεθόδων μελετάται η μηχανική αντοχή τους υπό δυναμικά κρουστικά φορτία σε διάφορες συνθήκες. Μέσω πειραμάτων και κατάλληλων υπολογιστικών μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων εξετάζεται συγκριτικά η αντοχή σε κόπωση παραλλαγών επικαλύψεων τύπου διαμαντιού (DLC) σε διάφορες θερμοκρασίες. Εν συνεχεία, μελετάται η επίδραση διαφόρων παραμέτρων επι της δυναμικής αντοχής υποστρωμάτων σκληρομετάλλου μέσω φόρτισης τους πλησίον της κοπτικής τους ακμής. Η κρουστική δοκιμασία εφαρμόζεται επιπλέον επί των εσωτερικών κυρτών και εξωτερικών κοίλων επικαλυμμένων επιφανειών εδράνων ολίσθησης, όπου η ίδια η διαδικασία εναπόθεσης επιδρά σημαντικά επί της δυναμική συμπεριφοράς τους. Τέλος, εξετάζεται η αλληλεπίδραση μεταξύ των διεπιφανειών τυπικών PVD επικαλύψεων, υποστρώματος και τυπικών μεταλλικών υλικών κατεργασιών μέσω της άσκησης υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας. Οι προσδιορισθείσες μηχανικές και λοιπές ιδιότητες επικαλύψεων, σε συνδυασμό με κατάλληλα υπολογιστικά μοντέλα, συμβάλλουν στην κατανόηση των μηχανισμών της αστοχίας συστημάτων επικάλυψης-υποστρώματος και τοιουτοτρόπως συμβάλλουν στην περαιτέρω βελτίωση των διαδικασιών παραγωγής και εναπόθεσης αποτελεσματικότερων κοπτικών εργαλείων και στοιχείων μηχανών.
description: The aim of the present thesis was the study and advancement of characterization methods of critical mechanical properties of coatings on indexable cutting inserts and machine elements. The principal mechanisms affecting the wear and failure properties of thin hard Physical Vapour Deposition (PVD) coatings and their corresponding hardmetal substrates are outlined. Then, the development of new and the enhancement of existing experimental arrangements and methodologies is described, for the characterization of final coated products at conditions that correspond to their operational ones at a greater extent. This is achieved by the determination of characteristic coating and substrate properties. Through the application of such arrangements and procedures, their mechanical strength under dynamic impact loads at various conditions is studied. By means of a combined experimental approach and analytical Finite Element Method (FEM) computational models, the fatigue strength of Diamond Like Coatings (DLC) variants is comparatively examined at various temperatures. Moreover, the influence of various parameters on the dynamic endurance of hardmetal cutting inserts is examined, by impact loads in the vicinity of their cutting edge. The impact test is also applied on the inner convex and the outer concave coated surfaces of wave fluid bearing rings, where the deposition process itself influences significantly the coating’s dynamic behaviour. Moreover, the interface interaction between typical PVD coatings, hardmetal substrates and a typical steel workpiece material is examined under conditions of high temperature and pressure. The determined mechanical properties, in combination with appropriate simulation models, contribute to the understanding of coating-substrate systems failure mechanisms and thus, contribute to the further advancement of manufacturing and deposition procedures of more effective cutting tools and machine elements.