Ταχύς προσδιορισμός ισοδυνάμων γεωμετρικών αποκλίσεων ακίδων νανοδιεισδυτών και με τη βοηθειά τους: πειραματική αναλυτική διακρίβωση μηχανικών ιδιοτήτων PVD επικαλύψεων σε διάφορες θερμοκρασίες
Creators: name: Παππά, Μαρία Β.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2012
Subjects: Αδαμαντινος εισβολέας
Νανοδιείσδυση σε υψηλές θερμοκρασίες
Μηχανικές ιδιότητες
Επαναλλαμβανόμενη κρούση
Diamond indenter
Nanoindentation at elevated temperatures
Mechanical properties
Impact

description: Στη παρούσα διατριβή αρχικά, παρουσιάστηκε μια μέθοδος για γρήγορο προσδιορισμό των αποκλίσεων ισοδύναμης γεωμετρίας εισβολέα νανοδιείσδυσης από την ιδανική γεωμετρία. Αυτή η γεωμετρία είναι υψίστης σημασίας για τις προσομοιώσεις της νανοδιείσδυσης με πεπερασμένα στοιχεία και την διεξαγωγή των καμπυλών τάσης παραμόρφωσης, ώστε να προσδιοριστούν οι βασικές ιδιότητες των επικαλυμμένων υλικών. Για τον προσδιορισμό της γεωμετρίας αυτής δημιουργήθηκε ένα υπολογιστικό περιβάλλον εύχρηστο για κάθε χρήστη της συσκευής νανοδιείσδυσης, το οποίο χρησιμοποιεί στον αλγόριθμο “TIDE” που αναπτύχθηκε. Ο ανεπτυγμένος αλγόριθμος “TIDE” βασίστηκε σε αποτελέσματα υπολογισμών με χρήση των αλγορίθμων “SSCUBONI” και “HANI”. Τα δεδομένα που απαιτήθηκαν για τον αλγόριθμο “TIDE” ήταν μια πληθώρα προσομοιώσεων της διαδικασίας νανοδιείσδυσης με διαφορετικές πιθανές γεωμετρίες εισβολέα σε συνδυασμό με την σκληρότητα Martens για πρότυπο υλικό πυριτίου Si(100). Αυτή η μέθοδος δίνει τη δυνατότητα γρήγορου προσδιορισμού της γωνίας του εισβολέα θ και των αποκλίσεων της ακμής του εισβολέα b και th. Εφόσον έχει προσδιοριστεί η γεωμετρία του εισβολέα της νανοδιείσδυσης πραγματοποιήθηκαν πειράματα νανοδιείσδυσης σε επικαλύψεις Τιτανίου και μιας DLC σε διάφορες θερμοκρασίες με σκοπό τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων τους. Τα αποτελέσματα των νανοδιεισδύσεων υποβλήθηκαν σε στατιστική επεξεργασία, με σκοπό την εύρεση των ιδανικότερων συνθηκών και την επιλογή των παραμέτρων της πειραματικής διαδικασίας ώστε να επιτευχθούν όσο το δυνατότερο ακριβή πειραματικά δεδομένα για την αξιόπιστη εξαγωγή συμπερασμάτων των ιδιοτήτων. Τα διαγράμματα βάθους διείσδυσης-φορτίου διείσδυσης που προέκυψαν κατά την νανοδιείσδυση μελετήθηκαν ως προς την πλαστική και ελαστική συμπεριφορά τους. Επιπλέον τα πειράματα της νανοδιείσδυσης χρησιμοποιήθηκαν και για την διεξαγωγή των καμπυλών τάσης παραμόρφωσης. Το μέτρο ελαστικότητας ανά επικάλυψη παρέμεινε σταθερό ανεξάρτητα από την θερμοκρασία. Παρόλα αυτά το όριο διαρροής και θραύσης τους εμφάνισε την ίδια ακριβώς συμπεριφορά με το βάθος διείσδυσης των επικαλύψεων κατά την νανοδιείσδυση. Αυτή η συμπεριφορά θα μπορούσε να αποδοθεί στις μετακινήσεις των αταξιών στο κρυσταλλικό πλέγμα των επικαλύψεων. Είναι ήδη γνωστό από παλαιότερες εργασίες η αλληλεξάρτηση της συμπεριφοράς σε κρούση των επικαλύψεων από την θερμοκρασία. Για αυτό τον λόγο πραγματοποιήθηκαν δοκιμές επαναλαμβανόμενης κρούσης στις επικαλύψεις που υποβλήθηκαν στις νανοδιεισδύσεις προκειμένου να εντοπιστεί τυχόν κοινή συμπεριφορά. Οι δοκιμές κρούσης μαζί με τις περαιτέρω αναλυτικές μεθόδους αξιολόγησης, συνέβαλαν στον υπολογισμό της εξαρτώμενης από την θερμοκρασία αντοχή σε κρούση της επικάλυψης. Ένας συσχετισμός μεταξύ του ορίου διαρροής και της αντοχής κόπωσης συναρτήσει της θερμοκρασίας, με τις διαφορετικές πειραματικές και αναλυτικές μεθόδους που καθορίζονται, αποκαλύπτει μια εντυπωσιακή σύγκλιση, εξασφαλίζοντας επαλήθευση των αποτελεσμάτων έρευνας για όλες τις (Ti, Al)N επικαλύψεις. Επειδή το ενδιαφέρον των βιομηχανιών επικεντρώνεται στα κοπτικά εργαλεία, σε τελευταίο στάδιο αυτής της εργασίας, τα αποτελέσματα πειραματικά και υπολογισμένα, που προέκυψαν από τις διαδικασίες νανοδιείσδυσης και επαναλαμβανόμενης κρούσης, συγκρίθηκαν με την πραγματική συμπεριφορά των επικαλύψεων κατά την κοπή και επιβεβαιώθηκε η σύγκλιση των αποτελεσμάτων.
description: At the present thesis introduced a method for a fast determination of the equivalent tip indenter geometry. This geometry is pivotal among other, on FEM simulating of nanoindentation and on determination mechanical properties of PVD coatings. In order to determine this geometry developed a friendly interface, using this developed “TIDE” (Tip Indenter DEtermination) algorithm. This “TIDE” algorithm is based on simulated results according to the “SSCUBONI” and “HANI” algorithms. The necessary data for the “TIDE” algorithm, extracted from simulations with various possible indenter geometries in combination with the Martens hardness on reference material Si(100). This method deteriorates the fast determination of the indenter’s equivalent angle θ and the tip’s parameters b and th. Provided the equivalent tip geometry is determined, nanoindentation experiments on (Ti,Al)N and a DLC coatings on various temperatures, realized. The related results were subjected to statistical analysis for checking their reliability that was found to be sufficient, within a certain range of the indentation load. Furthermore these results on various temperatures examined for their plasticity behavior. Moreover, the coatings’ strength properties such as elasticity modulus, yield and rupture stress as well as hardness at various temperatures were calculated. A non-linear temperature dependence of the coatings’ properties was revealed, which is explained by dislocation movements. It is known the independence between the impact behavior and the temperature. Therefore, impact tests on the corresponded from nanoindentation coated specimens, jointly with further analytical evaluation methods, contributed in estimating the temperature dependent film fatigue endurance stress and their yield stress. A correlation between yield and fatigue endurance stress versus the temperature, by different experimental and analytical methods determined, reveals an impressive convergence, providing verification on the nanoindentation investigations of the specific coatings. Considering the manufacturing interest on coated tools, finally, the experimental and analytical evaluation results, from nanoindentation and impact tests, compared with the actual coating behavior during cutting procedures and validated the convergence of the obtained results.