Προσδιορισμός μηχανικών ιδιοτήτων στην κατεύθυνση του βάθους PVD επικαλύψεων μέσω νανο-διεισδύσεων και εξήγηση της συμπεριφοράς φθοράς τους κατά τη δοκιμασία της επεναλαμβανόμενης κρούσης και κατά το φραιζάρισμα
Creators: name: Χατζηγιάννης, Σταύρος Νεστ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2004
Subjects: PVD επικαλύψεις
PVD coatings

description: Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, μετά από συστηματική αναλυτική διαδικασία, έγινε αρχικά ακριβής ποσοτικοποίηση των αποκλίσεων μορφής στις ακμές των εισβολέων Vickers και Berkovich, οι οποίοι εφαρμόζονται στο νανο-σκληρομέτρο. οι αποκλίσεις από την ιδανική μορφή συμβαίνουν κατά την φάση κατασκευής λόγω γεωμετρικών ανοχών και παρόλο που είναι της τάξεως κάποιων νανομέτρων, ελλοχεύουν κινδύνους λανθασμένου υπολογισμού των ιδιοτήτων αντοχής των υλικών. Η ποσοτικοποίηση των αποκλίσεων έγινε εφικτή μέσω εφαρμογής ενός αλγόριθμου που κάνει χρήση πεπερασμένων στοιχείων. Η συνεισφορά της ποσοτικής βαθμολόγησης των εισβολέων έγκειται στο γεγονός ότι έγινε πλέον εφικτή η εξαγωγή των πραγματικών καμπύλων τάσης-παραμόρφωσης των υλικών. Επίσης στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκαν και αξιολογήθηκαν καάλληλα δύο μεθοδολογίες προσέγγισης των μηχανικών ιδιοτήτων στο εσωτερικό επικαλυμμένων φιλμ διάφορων παχών και επιφανειακών σκληροτήτων που παρήχθησαν με τη μέθοδο PVD, H.I.S. Η πτώτη μεθοδολογία βασίστηκε στις πειραματικά καθορισμένες κατανομές πιθανότητας, όπως αυτές εξάγονται από πειράματα των νανο-διεισδύσεων και από στατιστική ανάλυση μέσω ειδικού λογισμικού, ενώ η δεύτερη βασίστηκε στο χρόνο έκθεσης των εσωτερικών στοιβάδων των φιλμ στη θερμοκρασία εναπόθεσης ανάλογα με το εκάστοτε διερευνούμενο πάχος. Επιπλέον, διερευνήθηκε εις βάθος όσον αφορά την αντοχή σε κόπωση και την απόδοση κοπής, το πάχος και η σκληρότητα των λεπτών σκληρών PVD επικαλύψεων. Η διερεύνηση πραγματοποιήθηκε τόσο μέσω πειραμάτων νάνο-διείσδυσης και επαναλαμβανόμενης κρούσης όσο και μέσω πειραμάτων περιφερικού φραιζαρίσματος σε μια μεγάλη παρτίδα κοπτικών πλακιδίων επικαλυμμένων με διάφορα πάχη και ποικίλες επιφανειακές σκληρότητες. Η αστοχία τόσο των λεπτών όσο και των παχιών επικαλύψεων με ποικίλες σκληρότητες επεξηγήθηκε μέσω FEM μοντέλων της κοπής και της επαναλαμβανόμενης κρούσης που λαμβάνουν υπόψη τις μεταβλητές ιδιότητες αντοχής του φιλμ κατά τη κατέυθυνση του βάθους. Τα συμπεράσματα που εξήχθησαν κατέδειξαν ότι η αύξηση του πάχους του φιλμ οδηγεί σε βελτίωση της απόδοσης κοπής και της αντοχής σε κόπωση, η σκληρότητα επηρεάζει σημαντικά την απόδοση κοπής των λεπτών και όχι των παχιών PVD επικαλύψεων, η μείωση της σκληρότητας επιφέρει κρούση και ότι η αύξηση της σκληρότητας, για σταθερό πάχος και φορτίο, οδηγεί σε μείωση του ποσοστού αστοχίας της επικάλυψης. Τέλος, σημαντικό πεδίο έρευνας αποτέλεσε η διερεύνηση της κατανομής του πάχους του φιλμ επικάλυψης ελευθερίας και αποβλίττου διερευνήθηκαν πειραματικά μέσω αντίρροπου περιφερικού φραιζαρίσματος και αναλυτικά μέσω κατάλληλων FEM υπολογισμών και τα συμπεράσματα που εξήχθησαν έδειξαν ότι η βέλτιστη απόδοση κοπής επιτυγχάνεται όταν το κατανεμημένο φιλμ στις επιφάνειες ελευθερίας και αποβλίττου των κοπτικών πλακιδίων είναι ομοιόμορφο, ενώ μείωση του πάχους σε οποιαδήποτε επιφάνεια συνεπάγεται μείωση της απόδοσης κοπής. Ενδιάμεση απόδοση κοπής προέκυψε στα κοπτικά πλακίδια με πιο παχιά φιλμ στις επιφάνειες αποβλίττου σε σχέση με τις επιφάνειες ελευθερίας ενώ η χειρότερη συμπεριφορά φθοράς παρουσιάστηκε στα κοπτικά πλακίδια με μειωμένο πάχος επικάλυψης στις επιφάνειες αποβλίττου σε σχέση με τις ελευθερίας
description: In the present work, through a developed Finite Elements Method(FEM) continuous simulation of the nanoindentation and using equivalent magnitudes for the description of the tip form deviations, the actual tip geometries of various indenters were approached. Furthmore, through the description of the indenter tip geometries in the actual stress-strain curves of the materials were determined. The extracted results show that the defined material elastoplastic deformation characteristics are independent from the indenter type, as Vickers or Berkovich, since the existing indenter tip form deviations are considered. The evolution of the Physical Vapour Deposition(PVD) process has contributed to the wide application of thin hard coating on cutting tools. The film thickness can significantly affect the tool cutting performance. In the frame of the present work, in order to investigate the effect of coating thickness, hardness and strength in various applications,(Ti^(46)AL^(54))N films having thickness from 3 up to 10 μm were deposited on 200 cemented carbides inserts. The (Ti^(46)AL^(54))N PVD coatings do not behave as uniform materials and thus the mechanical properties on the internal coating material regions may vary. In order to understand the dependencies of the mechanical properties of coated tools versus the film growth, various investigations concerning the nanohardness of the coatings after annealing at the deposition temperature were introduced in the present work. In order to examine the fatique behaviour and the cutting performance of the specimens, milling and impact experiments were conducted. The fatique strength of the coatings as well as the initiation and progress of the coating and tool wear in milling were studied using scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy. The investigations revealed that the increase of coating thickness induce an improved fatique behavior and an enhanced cutting performance. Moreover the mechanical strength and the hardness significantly affect the cutting performance, especially in the case of the thinner coatings. On the other hand in the case of thick coatings(8 up to 10 μm) the effect of the strength and hardness becomes less significant and wear depends mainly on the thickness of the coating itself. During the deposition of coatongs, the orientation of cemented carbides insert surfaces to the plasma flux direction affects the occuring film thinkness distribution on the rake and flank, which in turn might influence the wear propagation in cutting process. Hereupon the cutting performance in milling of PVD(Ti^(35)Al^(65))N coated cemented carbide inserts with variable film thickness on the rake and flank investigated in the present work and with the aid of FEM-supported calculations explained. The results revealed that a thicker film on the tool rake in comparison to the existing one on the flank and moreover a thick and uniformly deposited film in the cutting wedge significantly enhances the cutting performance in milling