La dureza de un número de sistemas de recubrimiento se ha medido utilizando una variedad de técnicas experimentales que van desde la tradicional indentación Vickers

On the hardness of coated systems

A.M. Korsunsky, M.R. McGurk, S.J. Bull and T.F. Page

Materials Division, Department of Mechanical, Materials and Manufacturing Engineering,

University of Newcastle, Newcastle upon Tyne NE1 7RU, United Kingdom

Abstract

La dureza de un número de sistemas de recubrimiento se ha medido utilizando una variedad de técnicas experimentales que van desde la tradicional indentación Vickers macro-a-bajo carga de ultra nanoindentación profundidad de detección.

Esto ha permitido que la respuesta de dureza que se desea medir en escalas que van desde los menos que el espesor de recubrimiento, en donde se espera una respuesta de revestimiento dominada, a escalas mucho más macroscópicos en el comportamiento del sistema está dominado por el sustrato.

 El objetivo ha sido construir una descripción matemática de la actuación de los sistemas de dureza revestidos que también describe el comportamiento sobre esta amplia gama de escalas. Los intentos anteriores de tales descripciones cuantitativas tienen por lo general los modelos involucrados cuyos componentes se dan mecanismo de deformación particular (por ejemplo. plasticidad, de respuesta elástica o fractura). Por el contrario, este documento presenta un nuevo enfoque para el análisis de los datos de dureza esencialmente usando los parámetros adimensionales que contienen descriptores son igualmente aplicables a cualquiera comportamiento plastico- o fractura-dominada, con todas las escalas toda relativa medida que el espesor del revestimiento. El modelo muestra un excelente ajuste a una amplia gama de datos experimentales. Además, una vez se ha realizado el ajuste, no sólo se pueden hacer algunas deducciones acerca de los mecanismos de deformación predominantes, pero el modelo permite a las predicciones de la respuesta de contacto de otros sistemas de recubrimiento a realizar.

1. introducción

La comprensión de la respuesta de los sistemas de contacto revestidos hasta el punto por el que los modelos cuantitativos 'fiables' se pueden construir tanto para explicar y predecir el rendimiento es un paso crítico en la selección y optimización de los recubrimientos para sustratos y aplicaciones particulares. Sin embargo, ya que la respuesta mecánica de los sistemas de recubrimiento pueden variar con la gravedad de contacto y escala, es importante desarrollar modelos basados profundamente que permiten un rendimiento más de un adecuadamente amplia gama de escalas para ser con éxito predijo. En este contexto, existe un acuerdo general de que a escalas de contacto de una dimensión inferior que el espesor de recubrimiento (t), el revestimiento domina la respuesta del sistema, mientras que a escalas que son muy grandes en comparación con t, el sustrato domina con una respuesta mixta se produce en escalas medias. Sin embargo, los intentos anteriores para modelar este comportamiento cuantitativamente han experimentado generalmente dos problemas. El primero ha sido la dificultad de obtener buenos datos experimentales en contacto escalas menor que el espesor de revestimiento - algo necesario para permitir que los modelos a ser a la vez construido y probado en la amplia gama necesaria de escalas temporales necesarias. El segundo problema ha sido la selección de un modelo apropiado que se puede aplicar en todas las escalas de contacto. Los modelos anteriores han sido de dos tipos, modelos de sistemas que separan el comportamiento de contacto medido en las contribuciones de recubrimiento y el sustrato sin tratamiento detallado de los mecanismos de deformación en cada uno, y los modelos mecanicistas que tienen en cuenta el efecto de un mecanismo de deformación dada en la respuesta del contacto medido. Se convierten en modelos de sistemas invalidada cuando los principales cambios en la deformación se producen (por ejemplo. el agrietamiento de revestimientos) que entran en conflicto con las hipótesis en que se basa el modelo.
Del mismo modo, los modos mecanicistas tienen deficiencias significativas cuando se utiliza para ajustar los datos experimentales procedentes de sistemas que presenten otros modos de deformación. En general, los sistemas más recubiertos presentan mezclas de mecanismos de deformación y por lo tanto hay una necesidad clara de un modelo que, si bien tienen orígenes físicos sólidamente fundados, es capaz de hacer frente a este tipo de respuestas generalizadas. Hay una necesidad adicional de cualquier modelo sea suficientemente matemáticamente tratable como para permitir procedimientos de ajuste sencillas para ser utilizado.

Este artículo describe la construcción y aplicación de un modelo diseñado para proporcionar un buen ajuste a los datos experimentales sobre una amplia gama de escalas de contacto y modos de deformación. Esencialmente, el modelo funciona con una serie de parámetros adimensionales y, una vez se ha obtenido el ajuste, no sólo se puede obtener alguna información acerca de los modos de deformación dominante, pero buenos se pueden hacer predicciones en cuanto a la dureza de material compuesto que se muestra por un sistema de recubrimiento en particular durante un amplia gama de condiciones.

Uno de los primeros trabajadores para investigar el problema era la hebilla [1] que define la dureza medida como la suma de los valores de dureza dentro de la zona plástica (o "zona de influencia") a profundidades dadas debajo de la indentación multiplicado por un factor de ponderación apropiado. Este modelo simple tuvo cierto éxito en la explicación del efecto de capas endurecidas por el trabajo sobre la dureza medida, sino que dependía críticamente de la elección del factor de ponderación. Sin embargo, el modelo no se aplica a los sistemas de recubrimiento en el sentido aceptado actualmente de sistemas de ingeniería de superficie.

Un modelo más exitoso, debido a Jonsson y Hogmark [2] utiliza un área de enfoque ley-mezclas para el modelado de la dureza del material compuesto, Hc, dando

[pic 1]

Donde Af y As son el área de soporte de carga de la película y el sustrato, respectivamente, A es el área de contacto total proyectado (A = As + AF) y Hf y Hs son las durezas del recubrimiento y el sustrato. Este modelo supone implícitamente fractura del recubrimiento con gran parte del soporte de carga del recubrimiento que surge a partir del material no fracturado en el borde de la

zona de contacto de flexión en la impresión dejada en el sustrato (Figura 1a). A partir de consideraciones geométricas del tamaño de este borde, Johnsson y Hogmark derivan una expresión para la dureza de material compuesto dado por

[pic 2]

Donde t es el espesor del revestimiento, d es la muesca diagonal y c es una constante dependiente de la geometría del indentador. El modelo se pretende que sea aplicable en los casos en que el agrietamiento y la flexión del revestimiento es bien establecida, es decir, en grandes profundidades de penetración en el que el desplazamiento de la superficie es generalmente> t. Fue un éxito razonable en la determinación de la dureza del recubrimiento de películas delgadas de cromo en una gama de sustratos metálicos. Sin embargo, la dependencia de la capacidad de la dureza en los tamaños pequeños de sangría (el efecto del tamaño de la indentación (ISE)) no se incluyó explícitamente en el primer análisis, sino un comportamiento ISE de la forma

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