ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ-ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΤΗΣ ΕΥΘΡΑΣΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΚΟΠΗΣ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΩΝ PVD ΕΠΙΚΑΛΥΜΜΕΝΩΝ ΚΟΠΤΙΚΩΝ ΠΛΑΚΙΔΙΩΝ ΣΚΛΗΡΟΜΕΤΑΛΛΟΥ ΕΚΠΟΝΗΤΗΣ : ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥΣ ΠΑΣΧΑΛΗΣ, Α.Ε.Μ. : 5046 Αρ. Διπλωματικής : 5/2013 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ : ΕΠΙΚ.ΚΑΘ. ΣΚΟΡΔΑΡΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΙΟΥΛΙΟΣ

2 Ευχαριστίες Με την ολοκλήρωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας,η οποία σηματοδοτεί και την ολοκλήρωση των προπτυχιακών μου σπουδών στο τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης,θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσοι με βοήθησαν και μου συμπαραστάθηκαν τόσο πρακτικά όσο και ηθικά στη τελική σύνταξη. Θα ήθελα πρωτίστως να ευχαριστήσω τον κ.επίκουρο Καθηγητη Γ.Σκορδάρη και τον κ.καθηγητή Κ.-Δ.Μπουζάκη τόσο για την ανάθεση της διπλωματικής εργασίας,όσο και για τη καθοδήγηση κατά τη διάρκεια της υλοποίησης της. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τους Διπλ.Μηχ-Μηχ.Γ.Καρτιτζόγλου και Σ.Μακρυμαλλάκη για την ανεκτίμητη βοήθεια τους σε όλα τα στάδια αυτής της εργασίας,για την τόσο καθοριστική και πολύτιμη καθοδήγηση τους,όσο και την υπομονή που έδειξαν μέχρι την ολοκλήρωση της διπλωματικής μου εργασίας Θεσσαλονίκη,Ιούλιος 2013 Χαραλάμπους Πασχάλης 2

3 Πίνακας περιεχομένων Πίνακας συμβόλων και συντομογραφιών Ι 1. Εισαγωγή 6 2. Στάθμη γνώσεων Κοπτικά εργαλεία από σκληρομέταλλο Τυποποίηση των σκληρομετάλλων Μέθοδοι παρασκευής επικαλύψεων με εναπόθεση ατμών Μέθοδοι παρασκευής επικαλύψεων με φυσική εναπόθεση ατμών (PVD) Μονάδα επικάλυψης μέσω φυσικής εναπόθεσης ατμών PVD Προσδιορισμός ιδιοτήτων επικάλυψης Δοκιμασία νανοδιείσδυσης (nanoindendation tests) Δοκιμασία νανοκρούσης (nanoimpact tests) Προσομοίωση νανοκρούσεων με τη βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων Σκοπός Εργασίας Πειραματικές διατάξεις Συσκευή νανοσκληρομέτρησης Συσκευή μέτρησης πάχους επικάλυψης Δισδιάστατο σαρωτικό μικροσκόπιο Συσκευή νανοκρούσεων Ψηφιακό κέντρο κατεργασίας CNC τριών αξόνων Υπολογισμός πάχους επικάλυψης και επιφανειακών ιδιοτήτων Καθορισμός του πάχους της επικάλυψης Υπολογισμός επιφανειακών ιδιοτήτων κοπτικών πλακιδίων Προσδιορισμός των ελαστοπλαστικών νόμων παραμόρφωσης της επικάλυψης (Ti 46 Al 54 )N για πάχη 2,4,8,10μm σε διάφορους χρόνους ανόπτησης Προσδιορισμός του βάθους της επίδρασης της πλαστικής παραμόρφωσης κατά τη νανοδιέισδυση Πειραματικά-αναλυτικά αποτελέσματα νανοκρούσεων 46 3

4 6.1 Πειράματα νανοκρούσεων σε PVD επικαλυμμένα δοκίμια FEM Προσομοίωση πειραμάτων νανοκρούσεων FEM αποτελέσματα πειραμάτων νανοκρούσεων Αποτελέσματα για μονοστρωματική επικάλυψη 8 μm Αποτελέσματα για δυστρωματική επικάλυψη 4 μm κάθε στρώση Αποτελέσματα για 4-στρωματική επικάλυψη 2μm κάθε στρώση Απόδοση κοπής των εξεταζόμενων μονοστρωματικών και πολυστρωματικών επικαλύψεων Σύνοψη και συμπεράσματα Βιβλιογραφία 74 4

5 Πίνακας συμβόλων και συντομογραφιών Σύμβολο Περιγραφή συμβόλου Μονάδα b : Πλάτος καμπυλότητας της ακμής του εισβολέα nm ccl : Μήκος επαφής αποβλίττου μm Ε : Μέτρο ελαστικότητας GPa F : Δύναμη νανοδιείσδυσης mn F c : Κύρια δύναμη κοπής dan FEM : Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων F kn : Δύναμη πρόωσης dan F kt : Δύναμη απώθησης dan FR : Ποσοστό αστοχίας επικάλυψης % g : Λείανση h : Βάθος διείσδυσης nm h cp : Πάχος αποβλίττου μm h cu : Πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου μm h p HM HIS :Εναπομένον βάθος λόγω πλαστικής παραμόρφωσης nm : Σκληρομέταλλο : Εναπόθεση με υψηλό ιονισμό HU : Γενικευμένη σκληρότητα GPa h max : Μέγιστο βάθος διείσδυσης nm HV : Σκληρότητα κατά Vickers lc : Μήκος αποκοπής μm Μ ι : Εφαπτομενικά μέτρα πλαστικότητας GPa p : Στίλβωση PVD : Φυσική εναπόθεση ατμών P n : Ορθή πίεση GPa P t : Εφαπτομενική πίεση GPa p s : Πίεση μικροκοκκοβολής ΜPa R m : Ανώτερο όριο αντοχής σε εφελκυσμό GPa R t :Μέγιστο ύψος μεταξύ κορυφής και κοιλάδαςμm R Sm :Μέση απόσταση των κορυφών του προφίλ μm SEM : Σαρωτικό Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο S eqv : Ισοδύναμη τάση κατά von Mises GPa 5

6 1. Εισαγωγή Η διαχρονική ανάγκη του ανθρώπου να τιθασεύσει τη φύση τον οδήγησε στη χρησιμοποίηση των μεταλλικών υλικών. Με τη συνεχή εξέλιξη της τεχνολογίας τους δόθηκε ώθηση στο τομέα της μορφοποίησης, μέσω της δημιουργίας κραμάτων υψηλής αντοχής, καθώς και της εύρεσης επιπλέον στοιχείων, που είτε σαν μεμονωμένα, είτε σαν κραματικά στοιχεία συνεισέφεραν στην κάλυψη των ολοένα αυξανόμενων απαιτήσεων. Κοπτικά εργαλεία με αντοχή σε φθορά και σε υψηλές θερμοκρασίες δημιουργήθηκαν με σκοπό να ανταποκριθούν στην ανάγκη για μεγαλύτερη παραγωγικότητα και καλύτερης ποιότητας παραγόμενα προϊόντα. Έτσι ο κοινός χάλυβας σαν υλικό κατασκευής εργαλείων αντικαταστάθηκε από τον ταχυχάλυβα και αυτό με τη σειρά του από εργαλεία σκληρομετάλλου.ωστόσο, καινοτόμα υπήρξε η τεχνολογία των λεπτών σκληρών επικαλύψεων που αυξάνει την επιφανειακή σκληρότητα των εργαλείων και συνέβαλε αποφασιστικά στη μείωση τόσο του χρόνου, όσο και του κόστους μορφοποιήσεως διαφορών προϊόντων. Η πιο προσφιλής μέθοδος εναπόθεσης της επικάλυψης πάνω σε διάφορα υλικά κοπτικών εργαλείων αποτελεί η μέθοδος της Φυσικής Εναπόθεσης Ατμών (PVD).Η αυξημένη αντίσταση σε φθορά απόξεσης, η υψηλή αντίσταση σε οξείδωση, η μεγάλη σκληρότητα καθώς και η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα αποτελούν μερικά από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των PVD επικαλύψεων. Επίσης η σχετικά χαμηλή θερμοκρασία εναπόθεσης (160 ο C-500 o C) παρέχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν ως υποστρώματα, υλικά που είναι ευάλωτα σε υψηλές θερμοκρασίες. Πέραν της εξέλιξης των υλικών, η απόδοση κοπής των επικαλυμμένων εργαλείων σκληρομετάλλου εξαρτάται από ένα πλήθος τεχνολογικών και γεωμετρικών παραμέτρων. Κατά τη φάση σχεδίασης του κοπτικού εργαλείου, η επιλογή του μεγέθους της ακτίνας καμπυλότητας του υποστρώματος σκληρομετάλλου καθώς και η μέθοδος μορφοποίησης της αποτελούν μείζονος σημασία θέματα όσον αφορά την αντοχή σε φθορά των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων. Επίσης ένας ακόμα παράγοντας που επηρεάζει την φθορά των κοπτικών εργαλείων και θα αναλυθεί στη παρούσα εργασία είναι και η ύπαρξη 6

7 πολυστρωματικών επικαλύψεων ίδιας σύστασης η μία πάνω στη άλλη.στη εργασία γίνεται μια διεξοδική μελέτη για το πώς επηρεάζει στη διάδοση της ρωγμής η ύπαρξη ή μη, πολλών στρώσεων επικαλύψεων πάνω σε κοπτικά πλακίδια. Τα τελευταία χρόνια η ανάλυση με τη βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων (FEM) έχει γίνει το κύριο εργαλείο για την προσομοίωση της διαδικασίας κοπής υλικών. Αυτό το γεγονός οφείλεται κυρίως στην αυξανομένη αξιοπιστία των προγραμμάτων προσομοίωσης και στη ραγδαία αύξηση της υπολογιστικής ισχύος. Η εφαρμογή των πεπερασμένων στοιχείων για την μοντελοποίηση των κατεργασιών αφαίρεσης υλικού επιτρέπει τη διερεύνηση και την ερμηνεία πολλών φαινομένων, όπως των συνθηκών τριβής στη διεπιφάνεια εργαλείου-αποβλίττου, της θερμοδυναμικής συμπεριφοράς των υλικών, των αναπτυσσόμενων δυνάμεων καθώς και των πεδίων τάσεων που αναπτύσσονται στο εργαλείο. Όλα τα παραπάνω αποτελούν μια ερευνητική ενότητα με σημαντικό ενδιαφέρον. 7

8 2. Στάθμη γνώσεων 2.1 Κοπτικά εργαλεία από σκληρομέταλλο Στις αρχές του εικοστού αιώνα άρχισαν να χρησιμοποιούνται στις μηχανουργικές μορφοποιήσεις εργαλεία από ταχυχάλυβα των οποίων η συμπεριφορά φθοράς βελτιωνόταν σημαντικά λόγω της παρουσίας σωματιδίων καρβιδίων του βολφραμίου στη μεταλλική μήτρα τους.το επόμενο φυσικό βήμα ήταν να δημιουργηθούν κοπτικά εργαλεία από καθαρά καρβίδια του βολφραμίου. Παρότι παρουσιάσθηκαν αντικειμενικές δυσκολίες, λόγω της υψηλής θερμοκρασίας πυροσυσσωμάτωσης (>2000 ο C), η δημιουργία αυτών των εργαλείων ολοκληρώθηκε με φτωχά αποτελέσματα καθώς τα σχετικά εργαλεία αποδείχτηκαν πολύ ψαθυρά σε βιομηχανικές εφαρμογές. Το θεμελιώδες αυτό πρόβλημα λύθηκε λίγα χρόνια αργότερα (1914) όταν ο karl Schröter εργαζόμενος στην εταιρία Osram ανακάλυψε ότι το καρβίδιο του βολφραμίου αναμειγμένο με μέταλλα όπως σίδηρος, νικέλιο ή κοβάλτιο σε κάποιο ποσοστό, πυροσυσσωματώνονταν στους 1500 ο C και το τελικό προϊόν είχε χαμηλό πορώδες και υψηλή σκληρότητα. Τα σκληρομέταλλα ως υλικά κοπτικών εργαλείων παρουσιάστηκαν από το Fried Krupp το 1927 κάτω από την ονομασία Widia (wie Diamant) και μέσω συνεχών βελτιώσεων τους απέκτησαν κυρίαρχη θέση σε μηχανουργικές εφαρμογές. Η κύρια διαδικασία παραγωγής σκληρομετάλλων βασίζεται στην κονιομεταλλουργία. Κατά κύριο λόγο σκόνες από καρβίδιο του βολφραμίου (WC) με άλλα καρβίδια όπως τιτανίου (TiC), τανταλίου (TaC) και Νιοβίου (ΝbC) αναμειγνύονται βάση προδιαγραμμένων αναλογίων και αλέθονται. Στη συνέχεια συμπιέζονται παρουσία κοβαλτίου που αποτελεί και το συνδετικό υλικό και ακολουθεί μια πρώτη φάση πυροσυσσωμάτωσης στους 900 o C. Το εξαγόμενο τεμάχιο μορφοποιείται και μια τελική διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης λαμβάνει χώρα σε υψηλή θερμοκρασία ( o C). Η εκλογή της χημικής σύστασης και της κρυσταλλικής δομής των σκληρομετάλλων επιδρά στις ιδιότητες τους. Αύξηση της περιεκτικότητας σε καρβίδια τιτανίου και τανταλίου και αντίστοιχη μείωση του κοβαλτίου συμβάλλουν στην αύξηση της σκληρότητας, στη βελτίωση της αντοχής σε συγκολλήσεις, της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες και σε φθορά λόγω διάχυσης. Αντίθετα, αρνητικά επηρεάζεται η αντοχή σε εναλλασσόμενη 8

9 καμπτική καταπόνηση και σε εναλλαγές της θερμοκρασίας. Σημαντική παράμετρος αποτελεί το μέγεθος των κόκκων όσον αφορά τη συμπεριφορά του σκληρομετάλλου στην κοπή. Τα λεπτόκοκκα σκληρομέταλλα παρουσιάζουν βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες σε σύγκριση με τα συμβατικά συντελώντας στη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής του κοπτικού πλακιδίου. Η δεσπόζουσα θέση που κατέχουν τα σκληρομέταλλα ως υλικά κοπτικών εργαλείων σε όλες τις κατεργασίες μορφοποίησης με αφαίρεση υλικού οφείλεται στις εξαιρετικές ιδιότητες τους. Συνοπτικά χαρακτηρίζονται από μεγάλη σκληρότητα και ικανότητα διατηρήσεως της ακόμα και σε υψηλές θερμοκρασίες, υψηλό μέτρο ελαστικότητας (σχεδόν τρεις φορές μεγαλύτερο από τον κοινό χάλυβα) που μεταφράζεται σε μεγάλη ολκιμότητας υλικό, χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής και σχετικό υψηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας σε σχέση με τον χάλυβα. Η δυνατότητα παραγωγής σκληρομετάλλων με διαφορετική αναλογία καρβιδίων και συνδετικού υλικού μέσω των όποιων καλύπτεται ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών έχει προκαλέσει την αδήριτη ανάγκη ταξινόμησης τους στις κατασκευάστριες εταιρίες. Οι τέσσερις κατηγορίες στις οποίες εντάσσονται τα σκληρομέταλλα ως υλικά κοπτικών εργαλείων σύμφωνα με τη διεθνή τυποποίηση ISO και τη γερμανική προδιαγραφή DIN4990 είναι οι P, M, G και K (η G χρησιμοποιείται για κατεργασία πετρωμάτων). Οι ομάδες Ρ, Μ και Κ έχουν ως διακριτικό χρώμα το μπλε, το κίτρινο και το κόκκινο αντίστοιχα. Η κατηγορία P χρησιμοποιείται κυρίως για κατεργασίες χαλύβων και χυτοχαλύβων, η κατηγορία M για κατεργασίες ανοξείδωτων χαλύβων και τέλος η κατηγορία Κ βρίσκει εφαρμογή σε κατεργασίες φαιού και λευκού χυτοσιδήρου, μαλακτικοποιημένων χυτοσιδήρων, βαμμένων χαλύβων, πλαστικών και συνθετικών υλών καθώς και ξύλου. Η κάθε κατηγορία χωρίζεται σε επιμέρους ομάδες, οι οποίες έχουν να κάνουν με τις ιδιότητες και την ποιότητα τους. Όσο αυξάνεται ο αριθμός για την κατηγορία P από 02 σε 40, για την M από 10 σε 40 και την K από 03 σε 40, χειροτερεύει η συμπεριφορά φθοράς και η σκληρότητα, ενώ βελτιώνεται η ολκιμότητά τους. Επιπλέον τα κοπτικά πλακίδια κατασκευασμένα από σκληρομέταλλο έχουν κωδικοποιηθεί κατά ΙSO με βάση τη γεωμετρική τους μορφή. Το σχήμα του πλακιδίου (τρίγωνο Τ, ορθογώνιο L, τετράγωνο S κτλ), η κατασκευαστική γωνία ελευθερίας και αποβλίττου, οι ανοχές κατασκευής, το πάχος, η 9

10 κατεύθυνση πρόωσης, το μέγεθος, ο τρόπος συγκράτησης κ.ο.κ. συμβολίζονται με ειδικούς αριθμούς και γράμματα Τυποποίηση των σκληρομετάλλων Η εκλογή της χημικής σύστασης και της κρυσταλλικής δομής των σκληρομετάλλων επιδρά στις ιδιότητες τους καθώς και την απόδοση τους κατά την κοπή. Για παράδειγμα μια ενδεχόμενη αύξηση της περιεκτικότητας σε καρβίδια τιτανίου και τανταλίου και αντίστοιχη μείωση του κοβαλτίου συμβάλλουν στην αύξηση της σκληρότητας, στη βελτίωση της αντοχής σε συγκολλήσεις, της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες και σε φθορά λόγω διάχυσης. Αντίθετα, αρνητικά επηρεάζεται η αντοχή σε εναλλασσόμενη καμπτική καταπόνηση και σε εναλλαγές της θερμοκρασίας. Η ανάγκη χρησιμοποίησης βέλτιστου συνδυασμού αναλογίας καρβιδίων και συνδετικού υλικού, έχει οδηγήσει τις κατασκευάστριες εταιρίες να δημιουργήσουν διάφορες κατηγορίες σκληρομετάλλων. Σύμφωνα με τη γερμανική προδιαγραφή DIN4990 και τη διεθνή τυποποίηση κατά ISO 813, τα σκληρομέταλλα ως υλικά για κοπτικά εργαλεία κατατάσσονται σε τρείς κύριες ομάδες, που συμβολίζονται με τα γράμματα P, M και K και χρησιμοποιούνται για την κοπή σιδηρούχων υλικών. Για την κατεργασία μη σιδηρούχων και μη μεταλλικών υλικών, για ειδικά κράματα ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες και για σκληρά υλικά, έχουν εξελιχθεί οι ομάδες χρησιμοποίησης Ν, S και H αντίστοιχα. Οι ομάδες Ρ, Μ και Κ έχουν ως διακριτικό χρώμα το μπλε, το κίτρινο και το κόκκινο αντίστοιχα. Η κατηγορία P χρησιμοποιείται κυρίως για κατεργασίες χαλύβων και χυτοχαλύβων, η κατηγορία M για κατεργασίες ανοξείδωτων χαλύβων και τέλος η κατηγορία Κ βρίσκει εφαρμογή σε κατεργασίες φαιού και λευκού χυτοσιδήρου, μαλακτικοποιημένων χυτοσιδήρων, βαμμένων χαλύβων, πλαστικών και συνθετικών υλών και ξύλου. Έτσι μπορεί να γίνει εύκολα η επιλογή του είδους του σκληρομετάλλου που θα χρησιμοποιηθεί στην εκάστοτε κατεργασία έχοντας υπόψη τις ιδιότητες κάθε κατηγορίας. 10

11 Σχήμα 2.1: Κύριεςς μέθοδοι επικάλυψηςς με φυσική ή εναπόθεσ ση ατμών. Κάθ θε κατηγορία έχει μια μ σειρά από ποιό ότητες που χαρακτη ηρίζονται από διψήφιους αριθμούς (αρ ριθμοί ποιό ότητας). Η κατηγορία α Ρ έχει τις ποιότητεςς 01, 10, 20, 25, 30 0, 40 και 50, 5 η κατηγγορία Μ τιςς ποιότητεςς 10, 20, 3 30 και 40 και κ η κατηγορία Κ τις τ ποιότηττες 01, 05 5, 10, 20, 30 3 και 40. Ελάττωση η του αριθ θμού ποιότητας σημαίνει αύξηση της σκληρότητα ας και της αντοχής α σεε φθορά λό όγω τριβ βής του σκκληρομετάλλλου και μεείωση της δυσθραυσ στότητάς το ου. Στο σχ χήμα 2.1 δίνονται οι κατη ηγορίες και κ ποιότητες τωνν σκληρομετάλλων με πλη ηροφορίες για τη σύννθεση, τις ιδιότητες και κ τη χρήση τους. Ε Εκτός από την τυπ ποποίηση αναφορικκά με τιςς χημικέςς και μηχανικές ιδιότητες των σκλληρομετάλλλων, τα κο οπτικά πλα ακίδια κωδικοποιούντται κατά ΙSO ανάλογα α με τη γεωμετρική γ ή τους μορ ρφή` 11

12 2.3 Μέθοδοι παρασκευής επικαλύψεων με εναπόθεση ατμών Η σκέψη για επιφανειακή βελτίωση των διάφορων αντικειμένων και σκευών μέσω ειδικών κατεργασιών εφαρμόστηκε ήδη από την αρχαιότητα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί ένα τσεκούρι που χρονολογείται περίπου το 900 π.χ. και είχε ενανθρακωθεί σκόπιμα στην ακμή του με αποτέλεσμα να αποκτήσει 444 σκληρότητα Brinell. Το παραπάνω γεγονός αποτελεί ένα προάγγελο των σύγχρονων τεχνικών ενανθράκωσης και εναζώτωσης, τα οποία συναντά κανείς στις διαδικασίες με χημική εναπόθεση ατμών. Αντίστοιχα τα σπαθιά των Ρωμαίων και των Βίκινγκς που κατασκευάζονταν κατά τη διάρκεια των τελευταίων αιώνων της πρώτης χιλιετίας αποτελούνταν από διαχωρισμένα στρώματα χάλυβα υψηλής και χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα τα όποια είχαν σφυρηλατηθεί ώστε να δημιουργηθούν περίπλοκα σχήματα. Οι διαδικασίες εναπόθεσης ατμών χωρίζονται κύρια σε δυο κατηγορίες: Φυσική εναπόθεση ατμών (PVD) Χημική εναπόθεση ατμών (CVD) Οι μέθοδοι φυσικής εναπόθεσης ατμών περιλαμβάνουν τη δημιουργία ατμών του υλικού μέσω εξάτμισης ή βομβαρδισμού ιόντων και ακολουθεί συμπύκνωση πάνω στο υπόστρωμα για να σχηματισθεί η στοιβάδα. Οι μέθοδοι χημικής εναπόθεσης ατμών καθορίζονται από την εναπόθεση ενός στερεού υλικού από τη φάση ατμών πάνω σε ένα συνήθως θερμασμένο υπόστρωμα ως αποτέλεσμα χημικών αντιδράσεων. Οι διαδικασίες με εναπόθεση ατμών μπορούν να μοντελοποιηθούν σε τρία στάδια. Στάδιο 1: Σχηματισμός της φάσης ατμών. Το υλικό μπορεί να μετατραπεί στη φάση ατμών μέσω εξάτμισης, με βομβαρδισμό ιόντων, κτλ. Στάδιο 2: Μεταφορά από την πηγή στο υπόστρωμα. Οι ατμοί μεταφέρονται από την πηγή στο υπόστρωμα με ή χωρίς συγκρούσεις μεταξύ ατόμων και μορίων. Κατά τη μεταφορά μέρος των ατμών μπορεί να ιονιστεί συνεπαγόμενο τη δημιουργία πλάσματος στο χώρο. 12

13 Στάδιο 3: Ανάπτυξη της στοιβάδας στο υπόστρωμα. Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει τη συμπύκνωση των ατμών πάνω στο υπόστρωμα και ακολούθως τη δημιουργία του στρώματος μέσω σχηματισμού και ανάπτυξης πυρήνων. Ο σχηματισμός των αρχικών πυρήνων και η διαδικασία ανάπτυξης μπορεί να επηρεαστεί σε μεγάλο βαθμό μέσω του βομβαρδισμού του αναπτυσσόμενου στρώματος με ιόντα, έχοντας ως αποτέλεσμα αλλαγές στη μικροδομή, στη σύνθεση, στις ατέλειες και στις εναπομένουσες τάσεις. Ο βαθμός να ελέγχεται ξεχωριστά καθένα από τα τρία στάδια προσδιορίζει την ευελιξία των διαδικασιών εναπόθεσης. Τα παραπάνω περιγραφόμενα τρία στάδια ελέγχονται καθένα μεμονωμένα με τις μεθόδους της φυσικής εναπόθεσης ατμών (PVD) σε αντίθεση της χημικής εναπόθεσης, όπου πραγματοποιούνται ταυτόχρονα. Κατά αυτόν τον τρόπο, οι μέθοδοι φυσικής εναπόθεσης προσφέρουν μεγαλύτερη ευελιξία στον έλεγχο της δομής, των ιδιοτήτων και στο ρυθμό εναπόθεσης. Επίσης οι μέθοδοι φυσικής εναπόθεσης πραγματοποιούνται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες ( ο C) παρέχοντας τη δυνατότητα να επικαλυφθούν υλικά που είναι ευάλωτα στη θερμοκρασία. Ωστόσο, κύριο πλεονεκτήματα των μεθόδων χημικής εναπόθεσης είναι ότι μπορούν να επικαλυφθούν υλικά που έχουν πολύπλοκη γεωμετρία. Σχήμα 2.2: Κύριες μέθοδοι επικάλυψης με φυσική εναπόθεση ατμών. Τέλος οι PVD επικαλύψεις έχουν καλύτερη απόδοση σε κατεργασίες με διακοπτόμενο απόβλιττο σε αντίθεση με την υπεροχή των CVD σε κατεργασίες με συνεχόμενο απόβλιττο. 13

14 2.3.1 Μέθοδοι παρασκευής επικαλύψεων με φυσική εναπόθεση ατμών (PVD). Οι κύριες μέθοδοι επικάλυψης με φυσική εναπόθεση ατμών είναι η εξάτμιση (evaporation) και η εναπόθεση με βομβαρδισμό ιόντων (ionization sputtering) και φαίνονται στο σχήμα 2.2. Οι όροι εξάτμιση και εναπόθεση με βομβαρδισμό ιόντων περιγράφουν τον τρόπο κατά τον όποιο τα συμπυκνωμένα σωματίδια μετατρέπονται στη φάση ατμών. Το πάχος των PVD επικαλύψεων μπορεί να διαφοροποιείται από μερικά angstroms μέχρι κάποια χιλιοστά. Πριν διεξαχθεί οποιαδήποτε διαδικασία εναπόθεσης, απαραίτητο θεωρείται ο καθαρισμός της επιφάνειας του υποστρώματος. Κατά τη διαδικασία αυτή ιονισμένα άτομα Ar χρησιμοποιούνται για το βομβαρδισμό και απομάκρυνση των ακαθαρσιών της επιφάνειας. Τα ιόντα Ar μεταβιβάζουν την ορμή τους στα άτομα (ακαθαρσίες) που βρίσκονται στην επιφάνεια του υποστρώματος, απομακρύνοντας τις ακαθαρσίες, συντελώντας έτσι στην καλύτερη επαφή των δυο σωμάτων. Στη μέθοδο της εξάτμισης το υλικό του υποστρώματος τοποθετείται σε ευθεία οπτική επαφή από την πηγή του τηγμένου υλικού μέσα σε θάλαμο κενού (<10-4 torr). Το προς επικάλυψη υλικό θερμαίνεται είτε από ηλεκτρικό τόξο (arc), είτε από θερμική αντίσταση, είτε από δέσμη ηλεκτρονίων (elecrton beam), είτε από λέιζερ, εξατμίζεται και επικάθεται στην επιφάνεια του υποστρώματος. Στην εναπόθεση με βομβαρδισμό ιόντων ο στόχος (η πηγή του υλικού της επικάλυψης) καθώς και το υπόστρωμα τοποθετούνται σε θάλαμο κενού (<10-4 torr). Ο στόχος (που επίσης αποκαλείται κάθοδος) συνδέεται με τον αρνητικό πόλο παροχής τάσης, ενώ το υπόστρωμα τοποθετείται απέναντι από το στόχο. Μετά την εισαγωγή κάποιου αδρανούς αέριου στο θάλαμο κενού (συνήθως Αργό) δημιουργείται ηλεκτρικό τόξο μέσω του όποιου παράγονται ιόντα. Τα ιονισμένα άτομα του αδρανούς αέριου λόγω της κινητικής ενέργειας που αποκτούν, προσκρούουν στους στόχους, μεταδίδοντας την κινητική τους ενέργεια στα προς επικάλυψη άτομα, έχοντας ως αποτέλεσμα την διαφυγή ατόμων ή μορίων από την επιφάνεια του στόχου και την εναπόθεση τους στο υπόστρωμα. Γενικά οι στόχοι εκπληρώνουν δύο λειτουργίες, από μια σαν πηγή του προς επικάλυψη υλικού και από την άλλη σαν πηγή δευτερογενών 14

15 ηλεκτρονίων ώστε να συντηρείται η ηλεκτρική εκκένωση. Η πιο απλή διάταξη σε ένα θάλαμο εναπόθεσης απεικονίζεται στο σχήμα 2.3 (διάταξη εναπόθεσης με βομβαρδισμό ιόντων ηλεκτρικής εκκένωσης επίπεδης διόδου-planar Diode Glow Discharge Sputter Deposition). Μια παραλλαγή της εναπόθεσης με βομβαρδισμό ιόντων είναι η εφαρμογή μαγνητικού πεδίου (Magnetron Sputter Deposition), ώστε να αυξηθεί σημαντικά η απόδοση ιονισμού κοντά στο στόχο. Το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο είναι παράλληλο με την επιφάνεια της καθόδου, έτσι ώστε να παγιδεύει τα ηλεκτρόνια και να εμποδίζει την κίνηση των πρωτογενών ηλεκτρονίων μακριά από την κάθοδο. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου είναι μερικές εκατοντάδες gauss και ως εκ τούτου επηρεάζει μόνο τα ηλεκτρόνια του πλάσματος και όχι τα ιόντα. Τα παγιδευμένα στο πεδίο ηλεκτρόνια, τα οποία συγκρούονται κυρίως με άτομα του αεριού, προωθούνται κατά μήκος του μαγνητικού πεδίου και μειώνονται έτσι οι πιθανότητες να χαθούν στα τοιχώματα του θαλάμου. Σχήμα 2.3: Διάταξη εναπόθεσης με βομβαρδισμό ιόντων ηλεκτρικής εκκένωσης επίπεδης διόδου. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι ότι λόγω της υψηλής αποδοτικότητας του μηχανισμού ιονισμού, η διαδικασία μπορεί να 15

16 λειτουργήσει σε πίεση γύρω στο 1 mtorr με υψηλή πυκνότητα ισχύος σε χαμηλή τάση πόλωσης και κατά συνέπεια να οδηγήσει σε μεγάλο ρυθμό εναπόθεσης. Ωστόσο, η χρησιμοποίηση της περιορίζεται τόσο από την δυνατότητα επιλογής των υλικών του στόχου όσο και από κατασκευαστικές προαπαιτήσεις του. Ανάλογα με το τρόπο εφαρμογής του μαγνητικού πεδίου υπάρχουν οι εξής παραλλαγές: Μαγνητική εναπόθεση unbalanced (unbalanced magnetrons depositions) Για να παραχθούν σκληρές επικαλύψεις είναι απαραίτητος ο βομβαρδισμός του αναπτυσσόμενου στρώματος από σωματίδια υψηλής ενέργειας. Για το λόγο αυτό η δημιουργία ενός δευτερεύοντος πλάσματος λαμβάνει χώρα κοντά στο υπόστρωμα σαν πηγή σωματιδίων υψηλής ενέργειας ή χρησιμοποιείται μια μεμονωμένη συσκευή πηγής ιόντων ή εναλλάσσονται κατάλληλα τα μαγνητικά πεδία μεταξύ των εσωτερικών και εξωτερικών μαγνητών της καθόδου, ώστε να επιτραπεί η επέκταση του πλάσματος στην περιοχή του υποστρώματος, συντελώντας στο βομβαρδισμό του θετικά πολωμένου υποστρώματος με ιόντα. Μαγνητική εναπόθεση balanced (balanced magnetrons depositions) Το μαγνητικό πεδίο είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια και το πλάσμα να βρίσκονται σε απόσταση από το υπόστρωμα. Αυτή η τεχνική αναπτύχθηκε για μικρό-ηλεκτρονικές εφαρμογές, όπου ο βομβαρδισμός του αναπτυσσομένου στρώματος από σωματίδια υψηλής ενέργειας πρέπει να αποφευχθεί. Η τεχνική εναπόθεσης με βομβαρδισμό ιόντων RF βρίσκει εφαρμογή σε μη αγώγιμα υλικά τα όποια είναι αδύνατον να επικαλυφθούν μέσω μεθόδων συνεχούς ρεύματος DC λόγω της συσσώρευσης του φορτίου στην επιφάνεια του στόχου. Ως εκ τούτο χρησιμοποιείται εναλλασσόμενο ρεύμα με συχνότητα 5-30 MHz. Στην τεχνική αυτή μπορεί να εφαρμοστεί μαγνητικό πεδίο. Στην περίπτωση εναπόθεσης με βομβαρδισμό του στόχου μέσω δέσμης ιόντων (ion beam sputter deposition) επιτυγχάνεται πολύ καλή συνάφεια, υψηλή καθαρότητα του εναποτεθέντος υλικού λόγω των χαμηλών πιέσεων λειτουργίας (0.1 mtorr) καθώς και αποφυγή θερμικών καταπονήσεων του 16

17 υποστρώματος εξαιτίας του γεγονότος ότι δεν βρίσκεται σε επαφή με το πλάσμα. Μια υψηλής ενέργειας δέσμη ιόντων εξάγεται από την πηγή ιόντων κατευθυνόμενη στο στόχο. Ένα αδρανές ή αντιδρών αέριο χρησιμοποιείται ως πηγή δέσμης ιόντων. Το υπόστρωμα τοποθετείται κατάλληλα ώστε να συλλέγονται όλα τα εκπεμπόμενα σωματίδια Μονάδα επικάλυψης μέσω φυσικής εναπόθεσης ατμών PVD Τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσης εργασίας, επικαλύφθηκαν στη μονάδα εναπόθεσης CC800/9 της εταιρίας CemeCon AG, που παρουσιάζεται στο σχήμα 2.4. Η μονάδα είναι πλήρως αυτοματοποιημένη και έχει τη δυνατότητα να κατασκευάσει μονοστρωματικές και πολυστρωματικές PVD επικαλύψεις με ποίκιλες χημικές συστάσεις. Η συσκευή αυτή εφαρμόζει την τεχνική HIS (High Ion Sputtering) σε κοπτικά εργαλεία,η οποία βασίζεται στην τεχνική της Μαγνητικής επιμετάλλωσης με επίθεση ιόντων ΜSIP (Magnetron Sputter Ion Plating). Μέσω αυτής της τεχνικής, παρασκευάζονται επικαλύψεις με μεγάλη σκληρότητα και καλές μηχανικές ιδιότητες, απαραίτητες σε κατεργασίες μορφοποιήσεως. Η συμπεριφορά της στοιβάδας (Τi 46 Al 54 )N και εργαλείων σκληρομετάλλου διερευνάται, στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Προκείμενου να γίνει η συγκράτηση των ακάλυπτων κοπτικών πλακιδίων μέσα στο θάλαμο εναπόθεσης έχουν κατασκευαστεί διαφορές ιδιοσυσκευές. Η επιλογή της συγκράτησης που θα προτιμηθεί διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην απόδοση κοπής λόγω του γεγονότος ότι το προκύπτων πάχος της επικάλυψης στην επιφάνεια αποβλίττου και ελευθερίας επηρεάζεται από τη γωνία που σχηματίζει το κοπτικό πλακίδιο με τη ροή του πλάσματος. Παράλληλα συστηματικές έρευνες που έχουν διεξαχθεί όσον αφορά τις μηχανικές κατεργασίες που δύναται να λάβουν χώρα στο εργαλείο σκληρομετάλλου πριν την εναπόθεση της στοιβάδας,έχουν αναδείξει τη σημαντική συνεισφορά της μικροκοκκοβολής στη βελτίωση της συνάφειας της επικάλυψης και της απόδοσης κοπής του επικαλυμμένου πλακιδίου. 17

18 Σχήμα 2.4: Μονάδα εναπόθεσης CC800/9 της εταιρίας CemeCon AG. 2.4 Προσδιορισμός ιδιοτήτων των επικαλύψεων Δοκιμασία νανοδιείσδυσης (nanoindendation tests) Με την τεχνική της νανοδιείσδυσης χαρακτηρίζονται οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών, υπολογίζοντας την σκληρότητα ενός υλικού (αντίσταση που προβάλλει σε φορτία που τείνουν να το παραμορφώσουν). Με τη βοήθεια τέτοιων μετρήσεων και με κατάλληλη εφαρμογή μιας FEM υπολογιστικής διαδικασίας ( SSCUBONI ) μπορούν να καθοριστούν οι καμπύλες τάσης παραμόρφωσης των υλικών όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 2.5. Πιο συγκεκριμένα υπολογίζεται το μέτρο ελαστικότητας το οποίο χαρακτηρίζει την ιδιότητα του υλικού να παραμορφώνεται ελαστικά όταν πάνω του ασκείται φορτίο, καθώς και το όριο διαρροής της επικάλυψης το οποίο χαρακτηρίζει το όριο στο οποίο το υλικό αρχίζει να παραμορφώνεται πλαστικά. Η νανοδιείσδυση βασίζεται στην ίδια ιδέα με εκείνη της συμβατικής σκληρομέτρησης, με τη διαφορά ότι χρησιμοποιούνται ακίδες με ακτίνα καμπυλότητας του άκρου της (R) λίγων δεκάδων νανομέτρων, των οποίων το αποτύπωμα είναι αδύνατο να καταγραφεί από οπτικό μικροσκόπιο, και το κυριότερο καταγράφεται συνεχώς, εκτός από το φορτίο (F) που ασκεί, και η 18

19 κάθ θετη προς το επίπεδ δο του δείγγματος μετατόπιση (h) της ακκίδας, η οπ ποία μπο ορεί να είνα αι λίγες δεκάδες νανό όμετρα. χήμα 2.5: Τυπικό διιάγραμμα νανοδιείσδ ν χ στικές μορφ φές Σχ υσης και χαρακτηρισ απο οκλίσεων αιχμών α εισβ βολέων. Πρω ωταρχική απαίτηση η κατά τη ην αξιολό όγηση τωνν αποτελλεσμάτων της ναννοδιείσδυσης είναι η γνώση της ακριβ βούς γεωμ μετρίας της αιχμής του μια απόκκλιση από την εισβ βολέα, δεδ δομένου ότι ό σε μικρ ρά βάθη διείσδυσης δ ιδαννική γεω ωμετρία της αιχμή ής επηρεάζει σημαντικά τα α εξαγόμ μενα απο οτελέσματα α. Οι ακίδεες των εντυ υπωτών κα ατασκευάζζονται από πολύ σκλ ληρά υλικκά όπως διαμάντι, δ κ καρβίδια το ου βολφρα αμίου κ.λπ π. και η γεεωμετρία τους τ διαφ φέρει ανάλλογα με το προς μελέέτη υλικό. Καττά την δια αδικασία της τ νανοδ διείσδυσης η ακίδα με γνωσττές μηχαν νικές ιδιό ότητες διεισ σδύει στο δείγμα μέσ σω ελεγχό όμενου φορ ρτίου ή μεετατόπισηςς και καταγράφεται η πορεία της εφαρμ μοζόμενηςς δύναμης συναρτήσ σει του βάθ θους διείσδυσης δίνοντας δ διαγράμμα ατα φορτίίου-μετατόπ πισης. Το ο ελεγχόμ μενο φορ ρτίο εφαρμ μόζεται βαθ θμιαία αυξα ανόμενο καθώς η ακκίδα διεισδύει στο δείίγμα 19

20 μέχρι να φτάσει σε μία καθορισμένη από τον χρήστη μέγιστη τιμή φορτίου ή βάθους διείσδυσης. Παράλληλα πραγματοποιείται η καταγραφή του βάθους διείσδυσης σε δύο στάδια, στο στάδιο της φόρτισης αλλά και της αποφόρτισης. Σχήμα 2.6: Σχηματική παράσταση της διαδικασίας νανοδιείσδυσης και ένα τυπικό αποτέλεσμα αυτής. Στο σχήμα 2.6 παριστάνεται σχηματικά η διαδικασία καθώς και ένα ποιοτικό διάγραμμα του εφαρμοζόμενου φορτίου σε συνάρτηση με το βάθος διείσδυσης. Κατά την αποφόρτιση, ένα εναπομένον βάθος h p παραμένει λόγω πλαστικής παραμόρφωσης. Το εναπομένον βάθος εξαρτάται από τις ιδιότητες του υλικού, το μέγεθος της εφαρμοζόμενης δύναμης και τη γεωμετρία του εισβολέα. Κατά τις δοκιμές νανοδιεισδύσεων, δίδεται ιδιαίτερη προσοχή στην τραχύτητα των εξεταζόμενων επιφανειών. Επαφή του εισβολέα με κοίλες επιφανειακές διαμορφώσεις λόγω τραχύτητας, οδηγούν σε μικρότερο βάθος διείσδυσης, ενώ επαφή του εισβολέα με κυρτά διαμορφωμένες τραχύτητες, επιτρέπει τη διείσδυσή του σε μεγαλύτερο βάθος για την ίδια δύναμη F, μέχρι την επίτευξη της ίδιας οριζόντιας επιφάνειας επαφής. Για την υπερνίκηση του προβλήματος αυτού είναι απαραίτητος ένας μεγάλος αριθμός μετρήσεων Δοκιμασία νανοκρούσης (nanoimpact tests) Η ακριβής γνώση των ιδιοτήτων κόπωσης για διάφορες περιπτώσεις συστημάτων επικάλυψης -υποστρώματος είναι εξαιρετικής σημασίας για τη μελέτη της αστοχίας επικαλύψεων σε στοιχεία τα οποία καταπονούνται από δυναμικά φορτία, όπως για παράδειγμα επικαλυμμένα κοπτικά εργαλεία σε κατεργασίες διακοπτόμενης κοπής. Μεταξύ των διάφορων τεχνικών που 20

21 χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων της επικάλυψης, η δοκιμή σε κρούση θεωρείται ως μια αξιόπιστη διαδικασία μακρο-κλίμακας για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων κόπωσης για διάφορες περιπτώσεις συστημάτων επικάλυψης - υποστρώματος. Αντίθετα, οι επαναλαμβανόμενες κρούσεις σε μικρο-κλίμακα είναι μια διαδικασία έλεγχου που πρόσφατα άρχισε να αναπτύσσεται, παρέχοντας μια εικόνα για τις μηχανικές ιδιότητες της επικάλυψης και την ευθραυστότητα του υλικού καθώς και για τη δημιουργίας της ρωγμής στην επιφάνεια της επικάλυψης και τη διάδοσή της. Τα πειράματα νανοκρούσεων πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια ενός αιχμηρού κυβικού νανοδιεισδυτή κατασκευασμένο από διαμάντι. Στα πειράματα νανοκρούσεων ένας ηλεκτρομαγνήτης έλκει το εκκρεμές πάνω στο οποίο βρίσκεται ο διεισδυτής μακριά από την επιφάνεια της επικάλυψης και το απελευθερώνει σε απόσταση τόση ώστε η επιτάχυνση του διεισδυτή να είναι αρκετή όσο το ρυθμισμένο φορτίο. Μέσω μιας αυτοματοποιημένης διαδικασίας επιτυγχάνονται οι διαδοχικές κρούσεις του διεισδυτή στο ίδιο σημείο της επικάλυψης με σταθερή συχνότητα. Η εξέλιξη του βάθους διείσδυσης στην επικάλυψη κατά τις διαδοχικές κρούσεις και συνεπώς και η πραγματική παραμόρφωση καθώς και η θραύση της επικάλυψης συνεχώς καταγράφονται από το λογισμικό. Ένα χαρακτηριστικό διάγραμμα του βάθους διείσδυσης συναρτήσει του χρόνου φαίνεται στο σχήμα 2.7. Σχήμα 2. 7: Αρχή της δοκιμασίας νανοκρούσης των επικαλύψεων και χαρακτηριστικά αποτελέσματα. 21

22 2.5 Προσομοίωση νανοκρούσεων με τη βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων Για τη διερεύνηση του μηχανισμού θραύσης και την επεξήγηση των πειραματικών αποτελεσμάτων, αναπτύχθηκε ένα 3-διάστατο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων για την προσομοίωση των νανοκρούσεων, χρησιμοποιώντας το λογισμικό LS-DYNA. Τα επιµέρους στάδια που ακολουθούνται είναι τα παρακάτω : Με τη βοήθεια του σχεδιαστικού μέρους που προσφέρει το LS-DYNA στο pre-preprocessor, κατασκευάζουµε τη βασική γεωμετρία του μοντέλου, δίνοντάς του πραγματικές διαστάσεις. Προχωρούµε µε τη διακριτοποίηση και δημιουργία πλέγματος πεπερασμένων στοιχείων µε βάση την αρχική γεωμετρία. Καθορίζουµε τα υλικά και τις φυσικές ιδιότητες των επιµέρους στοιχείων του μοντέλου µας (τύπος πεπερασμένων στοιχείων, πάχη, κ.λπ.). Ορίζουµε διεπιφάνειες (contact interfaces) µεταξύ σωµάτων που έρχονται σε επαφή. Καθορίζουµε αρχικούς περιορισμούς (μετατοπίσεις, περιστροφές, κ.λπ.), φορτίσεις (δυνάµεις, ροπές, κ.λπ.) και ταχύτητες. Το πάχος της επικάλυψης στο μοντέλο περιγράφεται από πολλαπλά στρώματα στοιχείων, των οποίων οι μηχανικές ιδιότητες είναι σταθερές και όμοια κατανεμημένες σε όλο το πάχος της επικάλυψης, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.8. Οι ζώνες στις οποίες αναμένεται απότομη μεταβολή στη συμπεριφορά των προς επίλυση αγνώστων (όπως στο κέντρο, σημείο 0) πρέπει να διακριτοποιηθούν με στοιχεία μεγαλύτερης πυκνότητας πλέγματος από εκείνες που εμφανίζουν προοδευτική μεταβολή. Στους υπολογισμούς οι διαστάσεις που χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση του διεισδυτή είναι ίδιες με τις πραγματικές διαστάσεις αυτού που χρησιμοποιήθηκε και στα πειράματα. 22

23 Σχήμα 2.8: Το 3D μοντέλο πεπερασμένωνν στοιχείων για την προσομοίωση νανοκρούσεων. Αφού επιλεγεί η διάταξη των στοιχείων, καθορίζονται οι οριακές συνθήκες, όπως μετατοπίσεις και δυνάμεις (σχήμα 2.8). Οι οριακές συνθήκες που χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο φαίνονται στο σχήμα 2.8, ενώ οι φυσικές ιδιότητες περιγράφονται από ένα καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων x, y, z. Το επιβαλλόμενο φορτίοο μεταβάλλεται χρονικά : F = F(t) Καθορίζονται επίσης, οι άγνωστοι, ή αλλιώς οι βαθμοί ελευθερίας, που συσχετίζονται με τους κόμβους. Οι άγνωστοι περιέχουν μετατοπίσεις, περιστροφές, κ.ο.κ. Η ιδιαιτερότητα του συγκεκριμένου μοντέλου έγκειται στην ικανότητα τον κόμβων που υπερφορτίζονται, να αποχωρίζονται ο ένας από τον άλλο. Για την ορθή απόδοση της δημιουργίας και μετάδοσης της ρωγμής θεωρείται ότι οι ιδιότητες του υλικού γύρω από την περιοχή των κόμβων 23

24 μπορεί να παραλάβουν μέχρι ένα ορισμένο μέγιστο φορτίο, που αντιστοιχεί στο φορτίο εκείνο για το οποίο η πλαστική παραμόρφωση του υλικού οδηγεί στο όριο θραύσης. Πάνω από ενα όριο πλαστικής παραμόρφωσης τα αντίστοιχα στοιχεία αποχωρίζονται. Τότε το στοιχείο θεωρείται ανενεργό και δεν παραλαμβάνει φορτία, δημιουργώντας διαδοχικά τη ρωγμή. Με αυτόν τον τρόπο, η ανάπτυξη του πεδίου τάσεων μέσα στην επικάλυψη οδηγεί στη διάσπαση των κόμβων και στην ανάπτυξη της ρωγμής συναρτήσει του πλήθους κρούσεων. 24

25 3. ΣΚΟΠΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Το κύριο πρόβλημα μέχρι και σήμερα στον τομέα της ανάπτυξης και τεχνολογίας των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων είναι ότι οι περισσότερες από τις εταιρείες επικαλύψεων μολονότι είχαν πολλά χρόνια εμπειρίας στον τομέα της τεχνολογίας επικαλύψεων είχαν έλλειψη βασικών πληροφοριών και γνώσεων σχετικά με τους μηχανισμούς φθοράς του υποστρώματος και της επικάλυψης κατά τη διάρκεια της αφαίρεσης υλικού. Αυτό σημαίνει, ότι για νέα συστήματα επικάλυψης-υποστρώματος έπρεπε συνεχώς να διεξάγονται δαπανηρά πειράματα για να βρεθούν κατάλληλοι συνδυασμοί επικαλύψεων υποστρώματος. Η βελτιστοποίηση των επικαλύψεων παραμένει σε μεγάλο βαθμό μια διαδικασία εμπειρικής προσέγγισης δοκιμής και λάθους.η «σταθερότητα» των επικαλύψεων κατά την κοπή σε διαφορετικά υποστρώματα και η αυξημένη διάρκεια ζωής του κοπτικού εργαλείου εξαρτάται από ένα πλήθος παραγόντων, όπως η εντατική κατάσταση που δημιουργείται στο κοπτικό κατά την διάρκεια της κατεργασίας και η θερμική καταπόνηση, από γεωμετρικούς παράγοντες, καθώς και από την ύπαρξη ή όχι πολυστροματικών επικαλύψεων. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες σε συνδυασμό με τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών πρέπει να λαμβάνονται υπόψη για την βελτιστοποίηση των συστημάτων επικάλυψης-υποστρώματος. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η πειραματική και αναλυτική διερεύνηση της επίδρασης που έχει στη συμπεριφορά των κοπτικών εργαλείων και στη διάδοση της φθοράς, η ύπαρξη παραπάνω από ενός στρώματος επικάλυψης πάνω στο εργαλείο. Αποτελεί ένα πεδίο που μέχρις στιγμής δεν εχει μελετηθεί σε πολύ βάθος για αυτό το λόγο στη παρούσα εργασία υπάρχει μια αρκετά καλή διεύρυνση αυτού του παράγοντα, δηλαδη η ύπαρξη πολυστρωματικών επικαλύψεων σε κοπτικά εργαλεία. Εν κατακλείδι, ενδέχεται η απόδοση της κοπής επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων να μπορεί να αυξηθεί σημαντικά εάν δημιουργηθούν πολλές στρώσης της ίδιας επικάλυψης πάνω στο υπόστρωμα. Για αυτό το λόγο, η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται ένα πλήθος πειραματικών και αναλυτικών μεθοδολογιών, με σκοπό τον προσδιορισμό και τη μελέτη της επίδρασης που επιφέρει στην απόδοση του κοπτικού εργαλείου και στο ρυθμό της διάδοσης της ρωγμής προς το υπόστρωμα, η ύπαρξη πολλαπλών επικαλύψεων 25

26 4.ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ 4.1.Συσκευή νανοσκληρομέτρησης Σημαντική παράμετρος για την εξέλιξη των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων αποτελεί η γνώση των μηχανικών ιδιοτήτων αντοχής και της σκληρότητας των επικαλύψεων. Οι σύγχρονες συσκευές νανοδιείσδυσης παρέχουν τη δυνατότητα εκτίμησης των ιδιοτήτων αντοχής των υλικών. Για τον προσδιορισμό τους χρησιμοποιήθηκε το νανοσκληρόμετρο FISCHERSCOPE H100 της εταιρίας Helmut FISCHER GmbH & Co που παρουσιάζεται στο σχήμα 4.1. Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στη διείσδυση κατάλληλου εισβολέα στην επικάλυψη και τον έμμεσο προσδιορισμό των διαστάσεων του αποτυπώματος, μέσω της μέτρησης του βάθους διείσδυσης. Ο εισβολέας μπορεί να είναι αδαμάντινος τύπου Berkovich, Vickers ή μεταλλική σφαίρα διαμέτρου mm. Η συσκευή είναι πλήρως αυτοματοποιημένη μέσω του ειδικού λογισμικού WIN-HCU ver.3.1. Η τράπεζα εργασίας μπορεί να μετακινηθεί σε περιοχή 50x50 mm, ενώ η καθοδήγηση της γίνεται είτε μέσω υπολογιστή είτε με ειδικό χειριστήριο. Η ακρίβεια στην κατεύθυνση XY είναι της τάξεως των 10 μm. Το εφαρμοζόμενο φορτίο μπορεί να ποικίλει από 1 μέχρι 1000 mn με διακριτοποίηση 0.1 mn. Ορισμένες από τις δυνατότητες της συσκευής είναι η εύρεση της Γενικευμένης Σκληρότητας (Universal Hardness HU), η οποία δύναται να μετατραπεί σε σκληρότητα Vickers σύμφωνα με τη διαδικασία που προδιαγράφεται από το DIN 50359, και η απευθείας μέτρηση της σκληρότητας Vickers με βάση το DIN Σχήμα 4.1: Νανοσκληρόμετρο FISCHERSCOPE H100 της εταιρείας FISCHER GmbH & Co. 26

27 4.2 Συσκευή μέτρησης ς πάχους επικάλυψη ε ης Η κατανομή κ του πάχο ους της επ πικάλυψηςς στις επιφ φάνειες απ ποβλίττου και ελευθερίας, επ πηρεάζει σημαντικά σ τ εξάπλω την ωση της φθ θοράς κατά ά την κοπή ή. ο παχύ στρ ρώμα επικκάλυψης σττην επιφάν νεια αποβλλίττου του εργαλείου υ σε Πιο σχέέση με τη ην επιφάνεεια ελευθεερίας και επιπλέον παχύ και ομοιόμορφα κατανεμημένο ο στην κο οπτική ακκμή, βελτιώ ώνει την συμπεριφ φορά κατά ά το αιζάρισμα. Η αποτίμηση του πραγματικο π ού πάχουςς της επικά άλυψης κο οντά φρα στη ην κοπτική ακμή έγιννε μέσω δο οκιμών κρα ατεροποίησ σης. Με τη η βοήθεια μιας συσ σκευής εσ στιακής αννίχνευσης, το πάχοςς της επικάλυψης στις περιο οχές απο οβλίττου κα αι ελευθερίας μπορείί να προσδ διοριστεί όπ πως φαίνεεται στο σχ χήμα 4.2. Η μέτρη ηση του πάχους π επ πικάλυψηςς γίνεται μέσω από όξεσης μεε τη συσ σκευή κραττεροποίησης της εταιιρίας Ceme econ AG (βλέπε ( σχή ήμα 4.2). Κατά Κ τη μέτρηση, μ σ σφαίρα σκλληρομετάλλλου περισττρέφεται πάνω π στην προς εξέτταση επικκάλυψη είτε ε ωρολο ογιακά είττε αντιωρ ρολογιακά. Μεταξύ σφαίρας και επικκάλυψης παρεμβάλλλεται διά άλυμα δια αμαντόσκονης που φθείρει την επικκάλυψη, με μ αποτέλεσμα να εμφανίζετα αι μετά το ο τέλος τη ης δοκιμασ σίας σφα αιρικό απο οτύπωμα παρόμοιο π με αυτό που π απεικκονίζεται σ στο δεξί πά άνω μέρ ρος του σχ χήματος 4.2. Η χρονική διάρκεεια της όλη ης διαδικασ σίας εξαρτάται από ό το πάχο ος της εξετταζόμενης επικάλυψη ης. Ενδεικκτικά, αναφ φέρεται ότι για επικκάλυψη 3 μm απαιτείται περίπ που 1 με 1,5 1 λεπτά. Αυτά τα α αποτυπώμ ματα απο οτιμήθηκανν με τη βοή ήθεια διαγρ ραμμάτων που προκκύπτουν απ πό ομοεστιιακό μικρ ροσκόπιο, περιγράφ φοντας τιις μεταβο ολές του βάθους του κραττήρα συνναρτήσει το ου πλάτουςς του. Σχήμα 4.2: Συσκεευή προσδ διορισμού πάχους π επ πικάλυψης μ με χρήση ο ομοεστιακό ό μικροσκό όπιο. 27

28 Μέσω ακτινικών μετρήσεων στην περιφέρεια του αποτυπώματος προκύπτει η μέση τιμή για το πάχος της επικάλυψης. Επίσης ένας άλλος τρόπος υπολογισμού του πάχους της επικάλυψης είναι και με μικροσκόπιο με μεγάλη ακρίβεια. Η διαδικασία υπολογισμού του πάχους της επικάλυψης με αυτή τη μέθοδο δίνεται στο σχήμα 4.3 Σχήμα 4.3: προσδιορισμός πάχους επικάλυψης με χρήση μικροσκοπίου. 4.3 Δισδιάστατο σαρωτικό μικροσκόπιο Ο έλεγχος της φθοράς της επικάλυψης, καθώς και όλων των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τις διεργασίες που περιγράφηκαν, απαιτεί τη χρήση μικροσκοπίων. Κατά τη διάρκεια της παρούσας εργασίας χρησιμοποιήθηκαν διαφόρων τύπων μικροσκόπια. Σε αυτήν την παράγραφο παρουσιάζεται το ομοεστιακό μικροσκόπιο μsurf της εταιρίας NanoFocus AG, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.3. Πρόκειται για ένα μικροσκόπιο ιδιαίτερα εξελιγμένο που παρέχει τη δυνατότητα τρισδιάστατης απεικόνισης του αποτυπώματος και οπτικής αξιολόγησης της αστοχίας ή όχι, της επικάλυψης. Ένας φακός υψηλής εστίασης χρησιμοποιείται για την απεικόνιση και την καταγραφή μέσω φωτογραφίας ενός επιπέδου μέσω της αντανάκλασης του φωτός, που προσπίπτει στην προς καταγραφή επιφάνεια. Ο χειριστής ορίζει μία περιοχή ύψους ανάμεσα στην οποία γίνεται βηματική καταγραφή των περιοχών της επιφάνειας. Μέσω κατάλληλου λογισμικού γίνεται η σύνθεση των 28

29 πλη ηροφοριώνν και η παρ ρουσίαση τους σαν μια ενιαία τρισδιάστα ατη επιφάν νεια. Ο χειριστής χ μ μπορεί να ρυθμίσει ρ τό όσο την ακ κρίβεια τηςς διαίρεσηςς της περιο οχής μέτρησης, όσ σο και την ένταση έ του υ φωτός που προσπ πίπτει στην επιφάνεια α και ησιμοποιείτται για τη μέτρηση. μ Π Πριν τη δια αδικασία της μέτρησης, τα δοκ κίμια χρη πρέέπει να κα αθαριστούνν με αλκοό όλη για καλ λύτερα απο οτελέσματα α, ενώ για την τοπ ποθέτηση των τ πλακιδ δίων κάτω ω από το φακό φ χρησ σιμοποιείτα αι ιδιοσυσκ κευή που υ εξασφάλλιζε την ακριβή α θέέση του δοκιμίου δ κ κάθε φορά ά πάνω στην σ τρά άπεζα. Σχήμα 4.4: Ομοεσ στιακό μικρ ροσκόπιο μsurf μ και αρ ρχή λειτουρ ργίας του. 4.4 Συσκευή νανοκρο ούσεων Ναν νοκρούσεις ς-ψαθυρότητα Η δοκιμασία α της ναννοκρούσηςς πάνω σε PVD επικαλύψ ψεις είναι μια απο οτελεσματική μέθοδ δος να διερευνηθ θούν μηχα ανισμοί α αστοχίας της στο οιβάδας κα αι να αποττιμηθούν οι ο αντοχέςς των επικκαλύψεων καθώς κα αι η ψαθ θυρότητα τους τ. Τα πειράματα α νανοκρούσεων πρ ραγματοποιήθηκαν με τη χρή ήση αιχμηρ ρού κυβικο ού διεισδυ υτή από διαμάντι δ σττη μηχανή ή της εταιρίας MiccroMaterial Ltd, σε διάφορα φορτία, αλλά με σταθερ ρή συχνότη ητα κρούση ης 1 Hz, όπως φαίίνεται στο σχήμα σ

30 . Στα πειράματα νανοκρούσεων ένας ηλεκτρομαγνήτης έλκει το εκκρεμές πάνω στο οποίο βρίσκεται ο διεισδυτής μακριά από την επιφάνεια της επικάλυψης και το απελευθερώνει σε απόσταση τόση, ώστε η επιτάχυνση του διεισδυτή να είναι αρκετή όσο το ρυθμισμένο φορτίο. Μέσω μιας αυτοματοποιημένης διαδικασίας επιτυγχάνονται οι διαδοχικές κρούσεις του διεισδυτή, στο ίδιο σημείο της επικάλυψης, με σταθερή συχνότητα. Σχήμα 4.5: Μηχανή νανοκρούσεων και χαρακτηριστικά αποτελέσματα. Η εξέλιξη του βάθους διείσδυσης στην επικάλυψη κατά τις διαδοχικές κρούσεις και συνεπώς η πραγματική παραμόρφωση, καθώς και η θραύση της επικάλυψης, καταγράφονται συνεχώς από το λογισμικό. Ένα χαρακτηριστικό διάγραμμα του βάθους διείσδυσης συναρτήσει του χρόνου φαίνεται στο δεξί μέρος του σχήματος Ψηφιακό κέντρο κατεργασίας CNC τριών αξόνων Για την μελέτη της απόδοσης κατά την κοπή των διαφόρων επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων που εξετάστηκαν, διεξήχθησαν πειράματα φραιζαρίσματος. Στο Σχήμα 4.6 φαίνεται το ψηφιακά καθοδηγούμενο τριαξονικό κέντρο κατεργασίας της εταιρείας JOHNFORD με καθοδήγηση FANUC Series O-M, το οποίο βρίσκεται στο ΕΕΔΜ. Διαθέτει σειριακή θύρα και υπάρχει η δυνατότητα επικοινωνίας με ηλεκτρονικό υπολογιστή. Για τον 30

31 προγραμματισμό του κέντρου κατεργασίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν κάποιες από τις έτοιμες υπορουτίνες που διαθέτει η μηχανή. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα πλήρους ελέγχου των παραμέτρων κοπής. Η τράπεζα της μηχανής κινείται στους άξονες Χ,Υ, ενώ το εργαλείο κινείται στον άξονα Ζ. Σε αυτό το κέντρο κατεργασίας διεξήχθησαν τα πειράματα με αφαίρεση υλικού για την εξακρίβωση της απόδοσης κοπής των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων. Σχήμα 4.6: Πολυαξονικό ψηφιακό κέντρο κατεργασίας. 31

32 5.Υπολογισμός πάχους επικάλυψης και επιφανειακών ιδιοτήτων 5.1 Καθορισμός του πάχους της επικάλυψης Για την διεξαγωγή των πειραμάτων και την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας το εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας(ΕΕΔΜ) παρέλαβε μια σειρά από κοπτικά πλακίδια με διαφορετικά πάχη επικάλυψης και διαφορετικό αριθμό στρώσεων επικαλύψεων. Πιο συγκεκριμένα παραλάβαμε 5 σετ κοπτικών εργαλείων, αναλυτικά : Κοπτικά πλακίδια με μία στρώση επικάλυψης πάχους 8μm (1x8) Κοπτικά πλακίδια με μία στρώση επικάλυψης πάχους 4μm (1x4) Κοπτικά πλακίδια με μία στρώση επικάλυψης πάχους 2μm (1x2) Κοπτικά πλακίδια με δύο στρώσεις επικάλυψης πάχους 4μm εκάστοτε(2x4) Κοπτικά πλακίδια με τέσσερεις εκάστοτε(4x2) στρώσεις επικάλυψης πάχους 2μm Η αποτίμηση του πραγματικού πάχους της επικάλυψης κοντά στην κοπτική ακμή έγινε μέσω δοκιμών κρατεροποίησης(όπως δείξαμε στη παράγραφο 4.2). Με τη βοήθεια μιας συσκευής εστιακής ανίχνευσης, μπορεί να προσδιοριστεί το πάχος της επικάλυψης στις περιοχές αποβλίττου και ελευθερίας. Τα αποτυπώματα της σφαίρας με την οποία γίνονται τα πειράματα κρατεροποίησης, έγιναν πολύ κοντά στις κοπτικές ακμές, προκειμένου να πετύχουμε την ακριβή μορφολογία της περιοχής και να βρούμε το πάχος της επικάλυψης. Η αξιολόγηση του πραγματικού πάχους της επικάλυψης έγινε και με τη χρήση μικροσκοπίου όπως και με το ομοεστιακό μικροσκόπιο Nano Focus.Στα παρακάτω σχήματα δίνονται ενδεικτικά κάποια αποτελέσματα για τα εκάστοτε σετ πλακιδίων. Παρατηρούμε ότι τα πάχη επικάλυψης και με τις δύο μεθοδολογίες συγκλίνουν αρκετά, στοιχείο που μας δείχνει ότι έχουμε υπολογίσει σωστά και με ακρίβεια τα πάχη των εκάστοτε επικαλύψεων. 32

33 Επικάλυψη μίας στρώσης 8μm (σε οπτικό μικροσκόπιο και ομοεστιακό μικροσκόπιο) : Σχήμα 5.1: Υπολογισμός πάχους στο πλακίδιο 1Χ8 Επικάλυψη δύο στρώσεων 4μm εκάστοτε (σε οπτικό μικροσκόπιο και ομοεστιακό μικροσκόπιο): Σχήμα 5.2: Υπολογισμός πάχους στο πλακίδιο 2Χ4 33

34 Επικάλυψη μίας στρώσης 4μm (σε οπτικό μικροσκόπιο και ομοεστιακό μικροσκόπιο): Σχήμα 5.3: Υπολογισμός πάχους στο πλακίδιο 1Χ4 Επικάλυψη τεσσάρων στρώσεων 2μm εκάστοτε (σε οπτικό μικροσκόπιο και 3D απεικόνιση από το ομοεστιακό μικροσκόπιο): Σχήμα 5.4: Υπολογισμός πάχους στο πλακίδιο 4Χ2 34

35 5.2 Υπολογισμός επιφανειακών ιδιοτήτων κοπτικών πλακιδίων Για τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων του υποστρώματος και της επικάλυψης πραγματοποιήθηκαν πειράματα νανοδιείσδυσης σε μέγιστο φορτίο 15 mn. Οι καμπύλες νανοδιείσδυσης των εξεταζόμενων επικαλύψεων παρουσιάζονται στο σχήμα 5.5. Κάθε καμπύλη αποτελεί ένα μέσο όρο 80 μετρήσεων. Άρα ο αριθμός των 80 μετρήσεων που επιλέχθηκαν να γίνουν σε κάθε επικάλυψη θεωρείται ικανοποιητικός ώστε να εξαχθούν σωστά αποτελέσματα για τις μηχανικές ιδιότητες της εκάστοτε επικάλυψης. Στα σχήματα 5.5 μέχρι 5.7 δίνονται τα βάθη διείσδυσης για τις μονοστρωματικές επικαλύψεις με πάχος επικάλυψης 2μm,4μm και 8μm,αντίστοιχα. Παρατηρώντας τις καμπύλες βάθους διείσδυσης η επικάλυψη των 8μm παρουσιάζει το μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης(182nm) από τις εξεταζόμενες επικαλύψεις. Μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης συνεπάγεται μικρότερη σκληρότητα. Συνεπώς η επικάλυψη με πάχος 8μm παρουσιάζει τη μικρότερη σκληρότητα διείσδυσης ενώ η επικάλυψη των 2 μm τη μεγαλύτερη καθώς το μέγιστο βάθος διείσδυσης φτάνει τα 152 nm. Τα μέγιστα βάθη διείσδυσης για την επικάλυψη 4μm είναι 165 nm. Σχήμα 5.5: Καμπύλη νανοδιείσδυσης της εξεταζόμενης επικάλυψης με πάχος 2μm Σχήμα 5.6: Καμπύλη νανοδιείσδυσης της εξεταζόμενης επικάλυψης με πάχος 4μm 35

36 Σχήμα 5.7: Καμπύλη νανοδιείσδυσης της εξεταζόμενης επικάλυψης με πάχος 8μm Συνοπτικά στο σχήμα βάθη διείσδυσης. 5.8 δίνονται για την εκάστοτεε επικάλυψη τα μέγιστα Σχήμα 5.8: Μέγιστα βάθη διείσδυσης για όλες τις εξεταζόμενες επικαλύψεις Οι καμπύλες τάσης παραμόρφωσης των επικαλύψεων μπορούν να προσδιοριστούν μέσω μιας συνεχούς προσομοίωσης της διαδικασίας διείσδυσης με χρησιμοποίηση της Μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων (FEM) (αλγόριθμος SSCUBONI (Stress Strain CUrves Based On NanoIndentations). Το εφαρμοζόμενο μοντέλο FEM παρουσιάζεται ποιοτικά στο σχήμα 5. 8.β. Η πραγματική μορφή της αιχμής του εισβολέα διαφέρει από την ιδανική αιχμηρή μορφή. Γενικά η πραγματική γεωμετρία αιχμής του εισβολέα θεωρείται ως μία σφαιρική περιοχή με σχετικά μεγάλη ακτίνα 36

37 καμπυλότητας. Μια ικανοποιητική προσέγγιση αυτής της καμπύλης είναι η αντικατάσταση της από μια ευθεία γραμμή. Έτσι, η σφαιρική περιοχή της αιχμής του εισβολέα αντικαθίσταται μέσω μιας κωνικής, μέσω των μεγεθών b και t h, όπου b είναι το πλάτος της περιοχής της αιχμής του εισβολέα και t h είναι το ύψος του αντίστοιχου ισοδυνάμου κώνου. Σχήμα 5.8: Συνεχή FEM προσομοίωση της διαδικασίας νανοδιείσδυσης για την εξαγωγή των καμπύλων τάσης παραμόρφωσης καθώς και περιγραφή της πραγματικής γεωμετρίας της αιχμής του εισβολέα. Μετά τη διαδικασία FEM προσομοίωση της νανοδιείσδυσης είμαστε σε θέση να εξάγουμε τις καμπύλες τάσεις παραμόρφωσης για μονοστρωματικά πλακίδια με πάχος επικάλυψης 2μm,4μm και 8μm,όπως φαίνεται στο σχήμα

38 Σχήμα 5.9: Καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης για τις εξεταζόμενες επικαλύψεις. Μπορεί να διαπιστωθεί ότι όλες οι επικαλύψεις έχουν το ίδιο μέτρο ελαστικότητας (620 GPa),αφού όλες είναι από την ίδια σύσταση TiAlN. Από την άλλη μεριά δεν παρατηρείται κάτι αντίστοιχο και στην περίπτωση του ορίου διαρροής όπου η επικαλύψεις με πάχος 2μm έχει όριο διαρροής που ανέρχεται στην τιμή των 6 GPa σε σχέση,το οποίο είναι το μεγαλύτερο από όλες τις εξεταζόμενες επικαλύψεις. Η επικάλυψη με πάχος 4μm έχει το δεύτερο μεγαλύτερο όριο διαρροής (4.8 GPa),ενώ το μικρότερο όριο διαρροής το παρουσιάζει η επικάλυψη με πάχος 8μm(3.5 GPa). Τέλος, για το όριο θραύσης παρατηρείται ότι και στο όριο διαρροής, καθώς για την επικάλυψη 2μm φτάνει τα 9.95 GPa, για την επικάλυψη 4μm τα 7.1 GPa ενώ για την επικάλυψη 8μm τα 5.2 GPa. Συγκριτικά η επικάλυψη 2μm παρουσιάζει το μεγαλύτερο μέτρο ελαστικότητας, όριο διαρροής καθώς και όριο θραύσεως, ενώ η επικάλυψη των 8μm παρουσιάζει τις χειρότερες μηχανικές ιδιότητες. Τα δεδομένα αυτά 38

39 χρησιμοποιούνται για τους υπολογισμούς με πεπερασμένα στοιχεία στις προσομοιώσεις νανοδιείσδυσης. 5.3 Προσδιορισμός των ελαστοπλαστικών νόμων παραμόρφωσης της επικάλυψης (Ti 46 Al 54 )N για πάχη 2,4,8,10μm σε διάφορους χρόνους ανόπτησης. Η ανόπτηση των επικαλύψεων συνεισφέρει σε σημαντική βελτίωση της απόδοσης κοπής,ενώ η διάρκεια και η θερμοκρασία ανόπτησης επηρεάζουν τις ιδιότητες αντοχής της επικάλυψης. Για να προσδιοριστούν οι επιφανειακές μεταβολές των μηχανικών ιδιοτήτων διεξήχθησαν νανοσκληρομετρήσεις. Σχήμα 5.10: Διαγράμματα νανοσκληρότητας για την επικάλυψη (TI 46 Al 54 )N πάχους 10 μm για διάφορες διάρκειες ανόπτησης. Όπως παρατηρείται, το μέγιστο βάθος διείσδυσης μειώνεται μέχρι 60 λεπτά χρόνο ανόπτησης, έχοντας ως αποτέλεσμα να αυξάνεται η επιφανειακή σκληρότητα της επικάλυψης, ενώ περαιτέρω συνέχιση του χρόνου ανόπτησης ελαττώνει τη σκληρότητα. Ο αλγόριθμος SSCUBONI εφαρμόστηκε για να προσδιοριστούν οι μεταβολές των ιδιοτήτων αντοχής της επικάλυψης προκαλούμενες από θερμικές κατεργασίες. Οι εξαγόμενες καμπύλες τάσης παραμόρφωσης της επικάλυψης (Ti 46 Al 54 )N για πάχος 10 μm σε διάφορους χρόνους ανόπτησης παρουσιάζονται στο σχήμα 5.11;. Μια σύγκριση ανάμεσα στις μηχανικές ιδιότητες της επικάλυψης όπως εναποτέθηκε και της ανοπτημένης στους 450 ο C και για 60 λεπτά δείχνει μια σημαντική αύξηση του ορίου ροής, ενώ τα μέτρα ελαστικότητας και πλαστικότητας παραμένουν σταθερά. Περαιτέρω αύξηση του χρόνου ανόπτησης, πάνω από 60 λεπτά, οδηγεί σε χειροτέρευση 39

40 του ορίου διαρροής, όπως αναμενόταν σύμφωνα με τα αποτελέσματα νανοδιείσδυσης. Σχήμα 5.11: Επιφανειακές καμπύλες τάσης παραμόρφωσης για την επικάλυψη (TI 46 Al 54 )N πάχους 10 μm για διάφορες διάρκειες ανόπτησης. Συγκεντρωτικά αποτελέσματα όσον αφορά τη μεταβολή της επιφανειακής σκληρότητας της επικάλυψης (Ti 46 Al 54 )N πάχους 2,4,8 και 10 μm παρουσιάζονται στο σχήμα Λαμβάνοντας υπόψη τα επιτευχθέντα αποτελέσματα, η επικάλυψη πάχους 2 και 4 μm αποκτά τη μέγιστη επιφανειακή σκληρότητα μετά από ανόπτηση διάρκειας λίγων λεπτών ( 5 λεπτά). Σχήμα 5.12: Μέγιστο βάθος διείσδυσης συναρτήσει των διάφορων χρόνων ανόπτησης σε θερμοκρασία εναπόθεσης για διάφορα πάχη επικαλύψεων. 40

41 Επιπλέον η σκληρότητα παραμένει πρακτικά σταθερή πάνω από 15 λεπτά χρόνο θερμικής κατεργασίας. Περαιτέρω έρευνες σε παχύτερες επικαλύψεις, 8 και 10 μm αντίστοιχα, αναδεικνύει μια διαφορετική συμπεριφορά. Και στις δυο περιπτώσεις ο κατάλληλος χρόνος ανόπτησης για να επιτευχθεί η μέγιστη επιφανειακή σκληρότητα βρέθηκε να είναι περίπου 60 λεπτά, ενώ μέχρι και τα 120 λεπτά καταγράφηκε μια συνεχή μείωση της σκληρότητας. Πάνω από αυτόν τον χρόνο δεν προκλήθηκε καμία περαιτέρω μεταβολή. Οι εξαγόμενες επιφανειακές καμπύλες τάσης παραμόρφωσης για όλες τις εξεταζόμενες περιπτώσεις πάχους και διαφορετικά χρονικά θερμικά κατεργασμένων επικαλύψεων, μέσω του αλγορίθμου SSCUBONI, παρουσιάζονται στο σχήμα Τα αποτελέσματα δίνουν παρόμοιες πληροφορίες σχετικά με την επίδραση της ανόπτησης στις διαφορετικού πάχους επικαλύψεις με τις αντίστοιχες νανοσκληρομετρήσεις. Σχήμα 5.13 Καμπύλες τάσης παραμόρφωσης συναρτήσει των διάφορων χρόνων ανόπτησης σε θερμοκρασία εναπόθεσης για διάφορα πάχη επικαλύψεων. 41

42 5.4 Προσδιορισμός του βάθους της επίδρασης της πλαστικής παραμόρφωσης κατά τη νανοδιέισδυση. Κατά τη διάρκεια της νανοδιείσδυσης η περιοχή της επικάλυψης κάτω από τον εισβολέα αρχίζει προοδευτικά να παραμορφώνεται πλαστικά. Στη παράγραφο 5.2 όπου προσδιορίστηκαν οι επιφανειακές ιδιότητες των επικαλύψεων, αυτές ισχύουν μέχρι το βάθος που επηρεάζεται πλαστικά η επικάλυψη. Για το υπόλοιπο μέρος της επικάλυψης,όπως αναφέρθηκε και πριν, οι ιδιότητες θα προσδιοριστούν λαμβάνοντας υπόψιν το χρόνο και τη θερμοκρασία ανόπτησης κατά την επίστρωση της επικάλυψης, Στην περίπτωση επικάλυψης (Τι 46 Al 54 )N πάχους 8 μm χωρίς οποιαδήποτε θερμική κατεργασία, η μετάβαση στην πλαστική περιοχή γίνεται σε βάθος 1,5 μm,όπως φαίνεται και στο σχήμα 5.14 όπου μπορεί να παρατηρηθεί το υφιστάμενο πεδίο τάσεων. Το όριο διαρροής όπως υπολογίστηκε είναι 3.5 GPa.Αυτή τη τάση την βρίσκουμε σε βάθος 1,5 μm. Σχήμα 5.14 Υπολογισμός του βάθους πλαστικής παραμόρφωσης κατα τη διαδικασία της νανοδιείσδυσης σε μονοστρωματική επικάλυψη 8μm. 42

43 Με το ίδιο σκεπτικό υπολογίζεται και το βάθος στις υπόλοιπες προς εξέταση επικαλύψεις. Στη δυστρωματική το όριο διαρροής είναι 4.8 GPa(σχήμα 5.9),το οποίο το έχουμε σε βάθος 1,3 μm ενώ στην επικάλυψη των 4 στρώσεων με όριο διαρροής 6 GPa το βάθος πλαστικής παραμόρφωσης είναι 1 μm(σχήμα 5.16).Λογικό όσο μεγαλύτερο το όριο διαρροής τόσο μικρότερο να είναι το βάθος πλαστικής παραμόρφωσης που υπόκειται η επικάλυψη. Σχήμα 5.15 Υπολογισμός του βάθους πλαστικής παραμόρφωσης κατά τη διαδικασία της νανοδιείσδυσης σε δυστρωματική επικάλυψη 4μm εκάστοτε. 43

44 Σχήμα 5.16 Υπολογισμός του βάθους πλαστικής παραμόρφωσης κατά τη διαδικασία της νανοδιείσδυσης σε 4-στρωματική επικάλυψη 2μm εκάστοτε. Πλέον είμαστε σε θέση να προσδιορίσουμε τις ιδιότητες των επικαλύψεων για όλο το πάχος, λαμβάνοντας υπόψιν τις επιφανειακές ιδιότητες, τη θερμοκρασία και χρόνο ανόπτησης. Στη μονοστρωματική επικάλυψη των 8μm, τα πρώτα 2μm έχουν τις ιδιότητες επικάλυψης 2μm για χρόνο ανόπτησης 15 λεπτά(σχήμα 5.13),τα επόμενα 2μm έχουν ιδιότητες 4μm για χρόνο ανόπτησης 15 λεπτά, τα επόμενα 2,5 μm θα έχουν ιδιότητες επικάλυψης 8μm και για χρόνο ανόπτησης 120 λεπτά. Τέλος τα τελευταία 1,5 μm όπως αναφέρθηκε στη προηγούμενη παράγραφο θα έχουν τις επιφανειακές ιδιότητες των 8μm χωρίς ανόπτηση. Με το ίδιο σκεπτικό και λογική υπολογίζονται οι ιδιότητες και για τη δυστρωματική και 4-στρωματική 44

45 επικάλυψη όπως φαίνεται στο σχήμα 5.17,όπου δίνεται το όριο διαρροής της επικάλυψης συναρτήσει του ύψους επικάλυψης. Σχήμα 5.17 Όριο διαρροής επικαλύψεων συναρτήσει του ύψους επικάλυψης. 45

46 6. Πειραματικά-αναλυτικά αποτελέσματα νανοκρούσεων 6.1 Πειράματα νανοκρούσεων σε PVD επικαλυμμένα δοκίμια Τα πειράματα νανοκρούσεων πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ενός αιχμηρού κυβικού διεισδυτή από διαμάντι στη μηχανή της εταιρίας MicroMaterial Ltd, σε φορτίο 100mN, αλλά με σταθερή συχνότητα κρούσης 1 Hz. Στα πειράματα νανοκρούσεων, ένας ηλεκτρομαγνήτης έλκει το εκκρεμές πάνω στο οποίο βρίσκεται ο διεισδυτής μακριά από την επιφάνεια της επικάλυψης και το απελευθερώνει σε απόσταση τόση, ώστε η επιτάχυνση του διεισδυτή να είναι αρκετή όσο το ρυθμισμένο φορτίο. Μέσω μιας αυτοματοποιημένης διαδικασίας επιτυγχάνονται οι διαδοχικές κρούσεις του διεισδυτή στο ίδιο σημείο της επικάλυψης με σταθερή συχνότητα. Η εξέλιξη του βάθους διείσδυσης στην επικάλυψη κατά τις διαδοχικές κρούσεις, συνεπώς και η πραγματική παραμόρφωση καθώς και η θραύση της επικάλυψης, συνεχώς καταγράφονται από το λογισμικό. Ένα χαρακτηριστικό διάγραμμα του βάθους διείσδυσης συναρτήσει του χρόνου φαίνεται στο σχήμα 6.1. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του διεισδυτή φαίνονται στο κάτω μέρος του σχήματος. Το εφαρμοζόμενο φορτίο των 50 mn οδηγεί σε διαδοχικές θραύσεις της επικάλυψης, όπως φαίνεται από την καταγραφή της συνεχούς αύξησης του βάθους διείσδυσης συναρτήσει των διαδοχικών κρούσεων. Η εξέλιξη της θραύσης της επικάλυψης περιγράφεται με τη βοήθεια του αναπτυχθέντος μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων, για την επίλυση του οποίου είναι απαραίτητες οι ελαστοπλαστικές ιδιότητες της επικάλυψης. Για τον προσδιορισμό των ελαστο-πλαστικών ιδιοτήτων του υλικού πραγματοποιήθηκε νανοδιείσδυση με διεισδυτή Berkovich σε μέγιστο φορτίο 15 mn, τα αποτελέσματα των οποίων παρουσιάστηκαν στο σχήμα

47 Σχήμα 6.1: Χαρακτηριστικά αποτελέσματα νανοκρούσεων Στο σχήμα 6.2 παρουσιάζονται τα αποτελέσμ ατα των πειραμάτων νανοκρούσεων για τη μονοστρωματική επικάλυψη των 8μm. Η μορφή του διαγράμματος είναι από το ίδιο το λογισμικό της συσκευής των νανοκρούσεων (nano impact-tester).αυτό που παρατηρούμε είναι ότι στις πρώτες κρούσεις έχουμε μια απότομη αύξηση του βάθους διείσδυσης ς(κοντά στα 580nm), ενώ στη συνέχεια έχουμε μια τμηματικά γραμμική αύξηση του βάθους διείσδυσης σε σχέση με τον αριθμό κρούσεων. Η δύναμη κρούσης είναι 100mN και η συχνότητα κρούσης είναι σταθερή και ίση με 1 Hz.Στοο τέλος του πειράματος, δηλαδή μετά από μία ώρα(3600 sec) και 1800 κρούσεις το βάθος του αποτυπώματος είναι 1750 nm. 47

48 Σχήμα 6.2: Αποτελέσματα νανοκρούσεων στη μονοστρωματική επικάλυψη των 8 μm. Στο σχήμα 6.3 φαίνονται τα αποτελέσματα νανοκρούσεων για 3600 δευτερόλεπτα(1800 κρούσεις) με φόρτιση 100mN στη δυστρωματική επικάλυψη των 4μm εκάστοτε. Η συχνότητα είναι ίδια όπως και στη μονοστρωματική, δηλαδή 1 Ηz.Σε σχέση με τη μονοστρωματική επικάλυψη στις πρώτες κρούσεις το βάθος αποτυπώματος είναι κοντά στα 500nm.Βλέπουμε ότι σε σχέση με τη μονοστρωματική επικάλυψη που στον αντίστοιχο αριθμό κρούσεων το βάθος αποτυπώματος είναι 580nm.Η σχέση μεταξύ βάθους διείσδυσης και αριθμό κρούσεων είναι αύξουσα γραμμική αλλά η κλίση της ευθείας είναι αρκετά πιο μικρή σε σχέση με τη μονοστρωματική. Αυτό μας δείχνει μια πιο ήπια διάδοση της ρωγμής σε σχέση με τη μονοστρωματική. Αυτό επίσης μπορεί να φανεί και απο το μέγιστο βάθος που το έχουμε στο τέλος του πειράματος, δηλαδή στις 1800 κρούσεις. Στη δυστρωματική το μέγιστο αποτύπωμα είναι 1150 nm ενώ στη μονοστρωματική το μέγιστο βάθος ηταν 600nm μεγαλύτερο, παρόλο που το συνολικό βάθος επικάλυψης είναι ίδιο. Αυτή η συμπεριφορά αποδεικνύει την πιο ήπια αύξηση του βάθους διείσδυσης σε σχέση με τη μονοστρωματική επικάλυψη των 8μm. 48

49 Σχήμα 6.3: Αποτελέσματα νανοκρούσεων στη δυστρωματική επικάλυψη των 4μm εκάστοτε. Στο σχήμα 6.4 απεικονίζονται τα αποτελέσματα νανοκρούσεων για 3600 δευτερόλεπτα(1800 κρούσεις) με φόρτιση 100mN στη 4-στροστρωματική επικάλυψη των 2μm εκάστοτε. Όπως είναι φανερό η αύξηση του βάθους διείσδυσης είναι αρκετά πιο ήπια σε σχέση με τη μονοστρωματική και δυστρωματική επικάλυψη παρόλο που έχουν συνολικό πάχος επικάλυψης ίδιο και ίσο περίπου με 8μm.Χαρακτηριστικό του διαγράμματος είναι η απότομη μείωση του βάθος σε σχέση με των αριθμών κρούσεων, όπως φαίνεται και στη λεπτομέρεια του διαγράμματος στο σχήμα 6.4.Αυτό συμβαίνει στα 1200 δευτερόλεπτα δηλαδή στις 600 κρούσεις. Είναι ενα σημάδι ότι με τη χρήση πολυστρωματικών επικαλύψεων η ρωγμή δεν διαδίδεται τόσο απότομα όπως σε μονοστρωματικές, ακόμα και στις δυστρωματικές. Το μέγιστο βάθος αποτυπώματος είναι αρκετά πιο μικρό σε σχέση με τις άλλες δύο περιπτώσεις(περίπου 600nm).Αυτό αποτελεί ακόμα ένα στοιχείο της υπερισχύον των πολυστρωματικών επικαλύψεων σε σχέση με τις μονοστρωματικές. 49

50 Σχήμα 6.4: Αποτελέσματα νανοκρούσεων στη πολυστρωματική επικάλυψη των 2μm εκάστοτε. Στο σχήμα 6.5 καταγράφονται οι καμπύλες και των τριών επικαλύψεων. Στο παρακάτω σχήμα είναι φανερό αυτά που ειπώθηκαν προηγουμένως, δηλαδή η πιο ήπια αύξηση του βάθους διείσδυσης συναρτήσει των αριθμών κρούσεων και το μικρότερο συνολικό βάθος αποτυπώματος. Σχήμα 6.5: Αποτελέσματα νανοκρούσεων σε όλες τις επικαλύψεις 50

51 6.2 FEM Προσομοίωση πειραμάτων νανοκρούσεων Για τη διερεύνηση του μηχανισμού θραύσης και την επεξήγηση των πειραματικών αποτελεσμάτων, αναπτύχθηκε ένα 2-διάστατο αξισυμμετρικό μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων για την προσομοίωση των νανοκρούσεων. Το λογισμικό πακέτο που χρησιμοποιήθηκε για τις προσομοιώσεις είναι το LS-Dyna. Στους υπολογισμούς οι διαστάσεις που χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση του διεισδυτή είναι ίδιες με τις πραγματικές διαστάσεις αυτού που χρησιμοποιήθηκε και στα πειράματα. Η διακριτοποίηση των ιδιοτήτων της επικάλυψης είναι ίδια με αυτή που υπολογίστηκε στη παράγραφο 5.3,δηλαδή λήφθηκε υπόψιν η επίδραση της διάρκειας και θερμοκρασίας ανόπτησης στις χαμηλότερες στιβάδες επικάλυψης. Στο σχήμα 6.6 φαίνονται τα τρία μοντέλα που δημιουργήθηκαν, ένα για κάθε είδος επικάλυψης. Η διακριτοποίηση του πλέγματος είναι αρκετά πυκνή, έχοντας τα στοιχεία της πρώτης στοιβάδας σταθερό μήκος και ίσο με 25nm. Σχήμα 6.6:μοντέλα FEM για α)4χ2 β)2χ4 γ)1χ8 και λεπτομέρεια πεπερασμένων στοιχείων κοντά στο διεισδυτή και επικάλυψη Αφού προσδιορίστηκε η γεωμετρία του διεισδυτή και του κοπτικού εργαλείου με τη βοήθεια του σχεδιαστικού πακέτου που προσφέρει το LS DYNA στο pre-processor,το επόμενο βήμα είναι ο καθορισμός των οριακών συνθηκών. 51

52 Σχήμα 6.6: καθορισμός οριακών συνθηκών Όπως φαίνεται και στο σχήμα 6.6 δημιουργήθηκαν δύο SET_NODES και μηδενίσαμε τις μετατοπίσεις και περιστροφές σε όλες τις κατευθύνσεις (Χ,Υ,Ζ) στους επιλεγμένους κόμβους όπως φαίνεται στο σχήμα. Επόμενο βήμα για την υλοποίηση είναι ο προσδιορισμός τον μηχανικών ιδιοτήτων του υποστρώματος και των επικαλύψεων. Για το διεισδυτή επιλέξαμε να χρησιμοποιήσουμε για MAT το 020-RIGID (απαραμόρφωτο).θα πρέπει να τονιστεί οτι οι μονάδες που χτίσαμε το μοντέλο μας είναι : Χρόνος : sec Μήκος : μm Δύναμη: mn Μάζα : Kg Με βάση τις μονάδες μέτρησης δώσαμε τις εξής ιδιότητες στο διεισδυτή. Πυκνότητα :3,45 Κg/cm 3 =3.45*e-15 Kg/μm 3,μέτρο ελαστικότητας :8*e+5 GPa=8000mN/μm 2 και συντελεστή poisson ίσο με Επίσης δώσαμε και κάποιους βαθμούς ελευθερίας. Περιορίσαμε τις περιστροφικές κινήσεις προς όλες τις κατευθύνσεις και όλες τις μετατοπίσεις εκτός από τη διεύθυνση του άξονα Υ(κατακόρυφος όπως βλέπουμε το μοντέλο).αυτό το επιτύχαμε βάζοντας στο συντελεστή CMO=1,CON1=6 και C0N2=7.Έτσι ο διεισδυτής μπορεί να εκτελέσει μόνο μεταφορική κίνηση στον άξονα Υ. 52

53 Στη συνέχεια πρέπει να προσδιορίσουμε το είδος του νόμου που θα διέπει το υλικό της επικάλυψης και τους υποστρώματος καθώς και τις ιδιότητες τους. Για τα υλικά της επικάλυψης και του υποστρώματος ισχύει ένας τμηματικά γραμμικός νόμος(024-piecewise_linear_plasticity).αυτό ισχύει για όλες τις ιδιότητες της επικάλυψης(και για αυτές που επηρεάζονται από ανόπτηση) και για το υπόστρωμα που είναι σκληρομέταλλο της ομάδας Κ05- Κ20.Για να αναληφθεί το λογισμικό το πολυγραμμικό νόμο που διέπει το υλικό θα πρέπει να δώσουμε τις τιμές που αντιστοιχούν στην αλλαγή κλίσης της καμπύλης τάσης παραμόρφωσης που τα υπολογίσαμε στη παράγραφο 5.3.Σε αυτό το σημείο δηλώνουμε και τη μέγιστη παραμόρφωση που μπορεί να παραλάβει ενα στοιχείο. Όπως φαίνεται και στο σχήμα δίνουμε μια μέγιστη τιμή πλαστικής παραμόρφωσης(στη περίπτωση της επικάλυψης 0.02)που όταν την αποκτήσει το στοιχείο θα καταστραφεί και με αυτό το τρόπο θα έχουμε διάδοση της ρωγμής και θα μπορέσουμε να κάνουμε σύγκριση με τα πειραματικά αποτελέσματα των νανοκρούσεων που αναφέρθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο(6.1). Στη συνέχεια πρέπει να οριστεί το είδος των πεπερασμένων στοιχείων. Όπως αναφέρθηκε και πριν το πρόβλημα της νανοδιεισδυσης μπορεί να θεωρηθεί αξισυμμετρικό, οπότε στο μοντέλο μας χρησιμοποιήσαμε 2-διάστατα αξισυμμετρικά στοιχεία. Αυτό το πετύχαμε επιλέγοντας SHELL ELEMENTS και ορίσαμε τη παράμετρο ELFORM 14 στην αντίστοιχη κάρτα SECTION του preprocessor του LS DYNA.Επόμενο βήμα για την επίλυση του προβλήματος ήταν ο προσδιορισμός της επαφής μεταξύ του διεισδυτή και του κοπτικού εργαλείου. Επιλέχθηκαν δύο είδη επαφών μεταξύ διεισδυτή και του κοπτικού εργαλείου: η πρώτη ήταν ERODING_SURFACE_TO_SURFACE με την οποία το πρόγραμμα αντιλαμβάνεται ότι όταν ξεπεραστεί το μέγιστο όριο πλαστικής παραμόρφωσης που δόθηκε στο προσδιορισμό των ιδιοτήτων των υλικών να καταστρέψει το αντίστοιχο στοιχείο και με αυτό το τρόπο να έχουμε τη διείσδυση στην επικάλυψη. Έτσι προσδιορίστηκε η διασύνδεση των επαφών (interface) η οποία είναι τύπου Eroding Surface to Surface (Διάβρωση Επιφάνειας προς Επιφάνεια). Ο τύπος αυτός απαιτεί το προσδιορισμό του κύριου και του δευτερεύοντος τμήματος. Στην περίπτωση της προσομοίωσης που μοντελοποιήθηκε, το κύριο(master)εξάρτημα ήταν ο διεισδυτής ενώ το δευτερεύον (slave) το κοπτικό εργαλείο. Στο LS-DYNA, μια επαφή καθορίζεται με τον προσδιορισμό (μέσω των εξαρτημάτων, ομάδας εξαρτημάτων, ομάδας τεμαχίων ή ομάδας κόμβων)και έλεγχο των δευτερευόντων τμημάτων (slave segment or nodes) που είναι ικανά ή έχουν τη δυνατότητα να διεισδύσουν σε ένα κύριο τμήμα (master segment). Κάθε χρονικό βήμα (time step) αναζητούνται διεισδύσεις μέσω αλγορίθμων. Με σκοπό ο χρήστης να έχει ευελιξία κατά τη μοντελοποίηση, το LS-DYNA κατέχει αρκετούς τύπους επαφών και αρκετές παραμέτρους που ελέγχουν διαφορετικά είδη και καταστάσεις των επαφών(π.χ το συντελεστή στατικής και δυναμικής τριβής).επίσης για την αντίληψη της ίδιας της επαφής 53

54 μεταξύ διευσδυτή και εργαλείου και για τη 2-διάστατη φύση του προβλήματος ήταν αναγκαίο η χρησημοποίηση 2D_AUTOMATIC_NODE_TO_SURFACE επαφής.όπως και στην Eroding Surface to Surface και εδώ ήταν αναγκαίο ο ορισμός του master και του slave ομάδας.και σε αυτή τη περίπτωση το κύριο(master)εξάρτημα ήταν ο διεισδυτής ενώ το δευτερεύον (slave) το κοπτικό εργαλείο. Στη συνέχεια οριστικέ η καμπύλη της φόρτισης της επικάλυψης απο το το διεισδυτή. Πρώτα ορίσαμε μια καμπύλη φόρτισης από την επιλογή που υπάρχει στο LS DYNA, DEFINE_CURVE.Η μορφή της συνάρτησης δύναμηςχρόνου φαίνεται στο σχήμα Όπως είναι φανερό από το σχήμα 6.10 προσομοιώνουμε το φαινόμενο της κρούσης με ένα επαναλαμβανόμενο φορτίο της τάξης των -100mN το οποίο έχει σταθερή περίοδο και ίση με δύο δευτερόλεπτα. Οπότε σε μία ώρα(3600 δευτερόλεπτα θα έχουμε 1800 κρούσης).για λόγους υπολογιστικής ισχύς το φαινόμενο προσομοιώθηκε για τις πρώτες 75 κρούσεις καθώς σε η προσομοίωση ολόκληρης της διαδικασίας θα διαρκούσε αρκετές μέρες ίσως και μήνες. Παρόλο που οι κρούσεις είναι σχετικά λίγες, όπως είδαμε και στα πειραματικά αποτελέσματα η συνεισφορά των πρώτον κρούσεων είναι πολύ μεγάλη και σε μερικές περιπτώσεις είναι η μόνη που επηρεάζει όπως θα φανεί και στη επόμενη παράγραφο αποτελέσματα της επίλυσης του μοντέλου. Σχήμα 6.9: μορφή καμπύλης φόρτισης συναρτήσει του χρόνου Επόμενο βήμα για την επίλυση είναι η κατεύθυνση αυτού το φορτίου και από ποιο τμήμα του μοντέλου μας θα πραγματοποιηθεί. Αυτό επιτυγχάνεται με την εντολή LOAD_RIGID_BODY.Στις παραμέτρους συμπληρώνουμε σε ποιον άξονα θα εξασκείται το φορτίο. Βάζοντας στην επιλογή DOF τη τιμή 2,το φορτίο θα εξασκείται στον Υ άξονα. Στην επιλογή PID επιλέγουμε τον αριθμό 54

55 του PART του RIGID_BODY,με αυτό το ουσιαστικά έχουμε το διεισδυτή που τον θεωρούμε απαραμόρφωτο(rigid) να εξασκεί ένα επαναλαμβανόμενο φορτίο τις τάξης των 100mN στην επικάλυψη. Για να είναι έτοιμο το μοντέλο να λυθεί απο το SOVER του LS DYNA ορίστηκαν ακόμα κάποιες παράμετροι όπως στο CONTROL που ορίσαμε το CONTROL_CONTACT,ρυθμίζοντας κάποιες παράμετροι για την επαφή μεταξύ διεισδυτή και κοπτικού εργαλείου, επίσης ρυθμίσαμε μέθοδο επίλυσης, ελάχιστα και μέγιστα χρονικά βήματα για την επίλυση απο το CONTROL_IMPLICIT_AUTO, CONTROL_GENERAL,CONTROL_TIMESTEPκαιCONTROL_TERMINATION Με αυτό το τρόπο το μοντέλο των πεπερασμένων είναι έτοιμο για να λυθεί από το SOLVER που προσφέρει το ίδιο το LS DYNA.Για την επίλυση του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν 4 πυρήνες για την πιο γρήγορη επίλυση του προβλήματος. 55

56 6.3 FEM αποτελέσματα πειραμάτων νανοκρούσεων Μετά την επίλυση του προβλήματος.είμαστε στη θέση να χρησιμοποιήσουμε το post-processor που προσφέρει το LS DYNA για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων.όσο πιο κοντά συγκλίνουν τα υπολογισμένα αποτελέσματα από την επίλυση του προβλήματος με τα πειραματικά αποτελέσματα που έγιναν και αναλύθηκαν στη παράγραφο 6.1 τόσο πιο κοντά στη πραγματικότητα θα είναι το μοντέλο που στήθηκε. Θα πρέπει να τονιστεί σε αυτό το σημείο ότι δεν γίνεται να υπάρχει πλήρης σύγκλιση των πειραματικών και υπολογισμένων αποτελεσμάτων καθώς στα προγράμματα πεπερασμένων στοιχείων τρέχουν προσεγγιστικές λύσεις(αφού είναι αδύνατο να βρεθεί αναλυτική λύση),οπότε εξαιτίας της φύσης αυτών των προγραμμάτων θα υπάρχουν αποκλίσεις Αποτελέσματα για μονοστρωματική επικάλυψη 8 μm Η πρώτη περίπτωση που θα μελετηθεί τα αποτελέσματα της είναι η μονοστρωματική επικάλυψη των 8μm.Στο σχήμα 6.10 δίνεται η κατανομή των ισοδύναμων τάσεων Von Misses για διάφορους αριθμούς κρούσεων. Όπως είναι φανερό απο το σχήμα βλέπουμε οτι με την αύξηση των αριθμών κρούσεων έχουμε και αύξηση του βάθους που εισχωρεί ο διεισδυτής και επίσης έχουμε και αύξηση των τάσεων που προκαλούνται. Όσο αφορά τις τάσεις, όπως είδαμε και στο κεφάλαιο 5.2 το όριο θραύσεις της εξωτερικής στοιβάδας(δηλαδή οι επιφανειακές ιδιότητες που υπολογίσαμε για την επικάλυψη πάχους 8μm χωρίς ανόπτηση είναι κοντά στα 4 GPa,όπως φαίνεται στο σχήμα η μέγιστη τάση που αναπτύσσεται είναι 4.3 GPa δηλαδή μεγαλύτερη από το όριο θραύσης και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη διάδοση της ρωγμής. Όταν η επικάλυψη επαναφορτίζεται στην επόμενη κρούση από το διεισδυτή, νέοι κόμβοι υπερφορτίζονται. Αυτοί οι κόμβοι αποχωρίζονται από τη δομή της επικάλυψης και με αυτόν τον τρόπο περιγράφεται η εξέλιξη της φθοράς στην επικάλυψη. Επίσης στο σχήμα 6.10 στο δεξιά μέρος απεικονίζεται το τασικό πεδίο όταν ο διεισδυτής δεν βρίσκεται σε επαφή με το κοπτικό εργαλείο, δηλαδή κατά την αποφόρτιση. Είναι φανερό ότι στη περίπτωση της αποφόρτισης οι τιμές των μέγιστων τάσεων σε σχέση με τη φάση της φόρτισης είναι μικρότερες όπως και η περιοχή που έχουμε αυξημένες τάσεις. 56

57 Σχήμα 6.10 : κατανομή ισοδύναμων τάσεων Von Μisses σε διαφόρους αριθμούς κρούσεων Όσο αφορά το βάθος διείσδυσης στο στο σχήμα 6.11 απεικονίζεται το πλέγμα γύρο από το αποτύπωμα του διεισδυτή συναρτήσει των αριθμών κρούσεων. Τα αποτυπώματα των κρούσεων, για διαφορετικό αριθμό κρούσεων όπως υπολογίστηκαν από το μοντέλο της προσομοίωσης, παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήμα. Καθώς το πλήθος των κρούσεων αυξάνει, υπάρχει αντίστοιχη αύξηση και στο βάθος διείσδυσης αντίστοιχα. Χαρακτηριστικά, για δύναμη κρούσης 100 mn από την 1η κρούση η επικάλυψη έχει υποχωρήσει κατά 580 nm, έπειτα από 25 κρούσεις το βάθος διείσδυσης είναι 625 nm,για 50 κρούσεις το βάθος είναι 647 nm ενώ για πλήθος κρούσεων ίσο με 75 το αντίστοιχο βάθος είναι 679 nm. Γίνεται φανερό λοιπόν ότι ακολουθείται αρχικά ένας λογαριθμικός νόμος με γρήγορο ρυθμό αφαίρεσης της επικάλυψης για τα πρώτα στάδια των κρούσεων, ενώ στη συνέχεια παρατηρείται μια λιγότερη έντονη αύξηση. 57

58 Σχήμα 6.11 : Παραμόρφωση της επικάλυψης για διάφορα πλήθη κρούσεων. Για τη καλύτερη παρουσίαση των αποτελεσμάτων δίνεται το σχήμα 6.12 που δείχνει τη διάδοση της ρωγμής συναρτήσει των αριθμών κρούσεων σε ένα σχήμα. Όπως είπαμε και προηγουμένως έχουμε μια πολύ έντονη διείσδυση στις πρώτες κρούσεις ενώ στη συνέχεια αυτός ο ρυθμός είναι λιγότερα έντονος. Σχήμα 6.12 : Διάδοση της ρωγμής συναρτήσει των αριθμών κρούσεων. 58

59 Σε αυτό το σημείο πρέπει να τονιστεί η ιδιαιτερότητα του εν λόγω μοντέλου, που λαμβάνει υπόψη με ακρίβεια τη διαφοροποίηση των μηχανικών ιδιοτήτων και πιο συγκεκριμένα του ορίου διαρροής, καθώς κινούμαστε σε βαθύτερα τμήματα της επικάλυψης(λόγω της ανόπτησης που έχουν υποστεί τα κατώτερα στρώματα). Στο σχήμα 6.13δίνεται η μετατόπιση του διεισδυτή(rigid Body) συναρτήσει του χρόνου όπως δίνεται από το post-prosessor του LS DYNA.Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως είναι φανερό η απότομη αύξηση βάθους διείσδυσης και στη συνέχεια η λιγότερη έντονη αύξηση. Όπως φαίνεται και στο σχήμα ο διεισδυτής εισχωρεί στο τεμάχιο κατά τη φάση της φόρτισης και στη συνέχεια στη φάση της αποφόρτισης επανέρχεται στην αρχική θέση για να επαναφορτίσει την επικάλυψη. Σχήμα 6.13 : Μετατόπιση του διεισδυτή συναρτήσει των αριθμών κρούσεων. Στο σχήμα 6.14 φαίνεται και η σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τα αντίστοιχα αναλυτικά. Η σύγκλιση των αποτελεσμάτων είναι αρκετά ικανοποιητική, με τις δυο καμπύλες να έχουν την ίδια κλίση. Η μόνη διαφοροποίηση εμφανίζεται σε μια μικρή μετατόπιση των αναλυτικών αποτελεσμάτων προς τα πάνω κατά 15 nm περίπου, σε σχέση με τα αντίστοιχα πειραματικά, γεγονός που έχει να κάνει με το μέγεθος των στοιχείων που επιλέχτηκαν για την επίλυση μοντέλου και την πυκνότητα της διακριτοποίησης τους. 59

60 Σχήμα 6.14 : Σύγκριση μεταξύ πειραματικών και FEM-υπολογισμένων αποτελεσμάτων για την περίπτωση της μονοστρωματικής επικάλυψης των 8 μm Αποτελέσματα για δυστρωματική επικάλυψη. Στο σχήμα 6.14 δίνεται η κατανομή των ισοδύναμων τάσεων Von Misses για διάφορυς αριθμούς κρούσεων στη δυστρωματική επικάλυψη. Όπως είναι φανερό από το σχήμα βλέπουμε ότι με την αύξηση των αριθμών κρούσεων έχουμε και αύξηση του βάθους που εισχωρεί ο διεισδυτής και επίσης έχουμε και αύξηση των τάσεων που προκαλούνται.όσο αφορά τις τάσεις, όπως είδαμε και στο κεφάλαιο 5.2 το όριο θραύσεις της εξωτερικής στοιβάδας(δηλαδή οι επιφανειακές ιδιότητες που υπολογίσαμε για την δυστρωματική επικάλυψη πάχους 4μm εκάστοτε χωρίς ανόπτηση είναι κοντά στα 7.1 GPa,όπως φαίνεται στο σχήμα η μέγιστη τάση που αναπτύσσεται είναι 8 GPa δηλαδή μεγαλύτερη από το όριο θραύσης και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη διάδοση της ρωγμής. Όταν η επικάλυψη επαναφορτίζεται στην επόμενη κρούση από το διεισδυτή, νέοι κόμβοι υπερφορτίζονται. Αυτοί οι κόμβοι αποχωρίζονται από τη δομή της επικάλυψης και με αυτόν τον τρόπο περιγράφεται η εξέλιξη της φθοράς στην επικάλυψη. Επίσης στο σχήμα 6.14 στο δεξιά μέρος απεικονίζεται το τασικό πεδίο όταν ο διεισδυτής δεν βρίσκεται σε επαφή με το κοπτικό εργαλείο, δηλαδή κατα την αποφόρτιση. Είναι φανερό ότι στη περίπτωση της αποφόρτισης οι τιμές των μέγιστων τάσεων σε σχέση 60

61 με τη φάση της φόρτισης είναι μικρότερες όπως και η περιοχή που έχουμε αυξημένες τάσεις. Σχήμα 6.14 :κατανομή ισοδύναμων τάσεων Von Μisses σε διάφορους αριθμούς κρούσεων Όσο αφορά το βάθος διείσδυσης στο στο σχήμα 6.15 απεικονίζεται το πλέγμα γύρο από το αποτύπωμα του διεισδυτή συναρτήσει των αριθμών κρούσεων. Τα αποτυπώματα των κρούσεων, για διαφορετικό αριθμό κρούσεων όπως υπολογίστηκαν από το μοντέλο της προσομοίωσης, παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήμα. Καθώς το πλήθος των κρούσεων αυξάνει, υπάρχει και αύξηση και στο βάθος διείσδυσης αντίστοιχα. Χαρακτηριστικά, για δύναμη κρούσης 100 mn από την 1η κρούση η επικάλυψη έχει υποχωρήσει κατά 488 nm, έπειτα από 25 κρούσεις το βάθος διείσδυσης είναι 520 nm,για 50 κρούσεις το βάθος είναι 550 ενώ για πλήθος κρούσεων ίσο με 75 το αντίστοιχο βάθος είναι 554nm. Γίνεται φανερό λοιπόν ότι αρχικά έχουμε ενα γρήγορο ρυθμό αφαίρεσης της επικάλυψης για τα πρώτα στάδια των κρούσεων, ενώ στη συνέχεια παρατηρείται μια λιγότερη έντονη αύξηση. 61

62 Σχήμα 6.15 : Παραμόρφωση της επικάλυψης για διάφορα πλήθη κρούσεων. Για τη καλύτερη παρουσίαση των αποτελεσμάτων δίνεται το σχήμα 6.16 που δείχνει τη διάδοση της ρωγμής συναρτήσει των αριθμών κρούσεων σε ένα σχήμα. Όπως είπαμε και προηγουμένως έχουμε μια πολύ έντονη διείσδυση στις πρώτες κρούσεις ενώ στη συνέχεια αυτός ο ρυθμός είναι αρκετά μικρότερος. Σχήμα 6.16 : Διάδοση της ρωγμής συναρτήσει των αριθμών κρούσεων. 62

63 Στο σχήμα 6.17 φαίνεται και η σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τα αντίστοιχα αναλυτικά. Η σύγκλιση των αποτελεσμάτων είναι αρκετά ικανοποιητική, τη μέγιστη απόκλιση των δύο καμπύλων να είναι μικρότερη των 20 nm(μικρότερο δηλαδή από 4 %).Αυτό το γεγονός έχει να κάνει με το μέγεθος των στοιχείων που επιλέχτηκαν για την επίλυση μοντέλου και την πυκνότητα της διακριτοποίησης τους. Σχήμα 6.17 :Σύγκριση μεταξύ πειραματικών και FEM-υπολογισμένων αποτελεσμάτων για την περίπτωση της δυστρωματικής επικάλυψης των 4 μm εκάστοτε Αποτελέσματα για 4-στρωματική επικάλυψη. Στο σχήμα 6.18 δίνεται η κατανομή των ισοδύναμων τάσεων Von Misses για διάφορους αριθμούς κρούσεων στη δυστρωματική επικάλυψη. Όπως είναι φανερό από το σχήμα βλέπουμε οτι με την αύξηση των αριθμών κρούσεων έχουμε και αύξηση του βάθους(όχι τόσο έντονη όπως στις προηγούμενες επικάλυψης) που εισχωρεί ο διεισδυτής και επίσης έχουμε και αύξηση των τάσεων που προκαλούνται. Όσο αφορά τις τάσεις, όπως είδαμε και στο κεφάλαιο 5.2 το όριο θραύσεις της εξωτερικής στοιβάδας(δηλαδή οι επιφανειακές ιδιότητες που υπολογίσαμε για την 4-στρωματική επικάλυψη πάχους 2μm εκάστοτε χωρίς ανόπτηση είναι κοντά στα 9,95 GPa,όπως 63

64 φαίνεται στο σχήμα η μέγιστη τάση που αναπτύσσεται είναι 10 GPa δηλαδή μεγαλύτερη από το όριο θραύσης και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη διάδοση της ρωγμής. Όταν η επικάλυψη επαναφορτίζεται στην επόμενη κρούση από το διεισδυτή, νέοι κόμβοι υπερφορτίζονται. Αυτοί οι κόμβοι αποχωρίζονται από τη δομή της επικάλυψης και με αυτόν τον τρόπο περιγράφεται η εξέλιξη της φθοράς στην επικάλυψη. Επίσης στο σχήμα 6.17 στο δεξιά μέρος απεικονίζεται το ισοτασικό πεδίο όταν ο διεισδυτής δεν βρίσκεται σε επαφή με το κοπτικό εργαλείο, δηλαδή κατά την αποφόρτιση. Είναι φανερό ότι στη περίπτωση της αποφόρτισης οι τιμές των μέγιστων τάσεων σε σχέση με τη φάση της φόρτισης είναι μικρότερες όπως και η περιοχή που έχουμε αυξημένες τάσεις. Σχήμα 6.18 :κατανομή ισοδύναμων τάσεων Von Μisses σε διάφορους αριθμούς κρούσεων Όσο αφορά το βάθος διείσδυσης στο στο σχήμα 6.19 απεικονίζεται το πλέγμα γύρο από το αποτύπωμα του διεισδυτή συναρτήσει των αριθμών κρούσεων. Τα αποτυπώματα των κρούσεων, για διαφορετικό αριθμό κρούσεων όπως υπολογίστηκαν από το μοντέλο της προσομοίωσης, παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήμα. Καθώς το πλήθος των κρούσεων αυξάνει, υπάρχει και 64

65 ήπια αύξηση και στο βάθος διείσδυσης αντίστοιχα. Χαρακτηριστικά, για δύναμη κρούσης 100 mn από την 1η κρούση η επικάλυψη έχει υποχωρήσει κατά 425 nm, έπειτα από 25 κρούσεις το βάθος διείσδυσης είναι πάλι 425 nm,για 50 κρούσεις το βάθος είναι 450 ενώ για πλήθος κρούσεων ίσο με 75 το αντίστοιχο βάθος είναι πάλι 450nm. Γίνεται φανερό λοιπόν ότι αρχικά έχουμε ένα γρήγορο ρυθμό αφαίρεσης της επικάλυψης για τα πρώτα στάδια των κρούσεων, ενώ στη συνέχεια μια σταθεροποίηση στο βάθος διείσδυσης συναρτήσει των αριθμών κρούσεων. Σχήμα 6.19 : Παραμόρφωση της επικάλυψης για διάφορα πλήθη κρούσεων. Για τη καλύτερη παρουσίαση των αποτελεσμάτων δίνεται το σχήμα 6.20 που δείχνει τη διάδοση της ρωγμής συναρτήσει των αριθμών κρούσεων σε ένα σχήμα. Όπως είπαμε και προηγουμένως έχουμε μια πολύ έντονη διείσδυση στις πρώτες κρούσεις ενώ στη συνέχεια αυτός ο ρυθμός ελαττώνεται, σχεδόν μηδενίζεται και έχουμε μια σταθεροποίηση του βάθους διείσδυσης. 65

66 Σχήμα 6.20 : Διάδοση της ρωγμής συναρτήσει των αριθμών κρούσεων. Στο σχήμα 6.21 φαίνεται και η σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τα αντίστοιχα αναλυτικά. Η σύγκλιση των αποτελεσμάτων είναι αρκετά ικανοποιητική, τη μέγιστη απόκλιση των δύο καμπύλων να είναι μικρότερη των 25 nm(μικρότερο δηλαδή απο 5 %).Αυτό το γεγονός έχει να κάνει με το μέγεθος των στοιχείων που επιλέχτηκαν για την επίλυση μοντέλου και την πυκνότητα της διακριτοποίησης τους. Σχήμα 6,21:Σύγκριση μεταξύ πειραματικών και FEM-υπολογισμένων αποτελεσμάτων για την περίπτωση της 4-στρωματικής επικάλυψης. 66

67 Στο σχήμα 6.22 παρουσιάζεται η σύγκριση μεταξύ πειραματικών και αναλυτικά υπολογισθέντων αποτελεσμάτων κατά τις πρώτες 75κρούσεις όλων των περιπτώσεων. Όπως φαίνεται, το βάθος διείσδυσης πειραματικών και αναλυτικών αποτελεσμάτων έχουν ικανοποιητική σύγκλιση για όλες τις περιπτώσεις επικαλύψεων, ενώ όποιες αποκλίσεις παρουσιάζονται έχουν να κάνουν με τη διακριτοποίηση των στοιχείων του μοντέλου της επικάλυψης. Μεγαλύτερη ακρίβεια στο μέγεθος των στοιχείων της επικάλυψης θα οδηγούσε σε ακόμα μεγαλύτερη σύγκλιση. Κάτι τέτοιο όμως θα πολλαπλασίαζε και τον υπολογιστικό χρόνο της επίλυσης. Μέσω του συγκεκριμένου 2-διάστατου αξισυμμετρικού μοντέλου είναι εμφανές ότι η πρώτη θραύση καθώς και η διάδοση της ρωγμής μπορεί να περιγραφεί με ακρίβεια. Σχήμα 6,22: Σύγκριση μεταξύ πειραματικών και FEM-υπολογισμένων αποτελεσμάτων για των νανοκρούσεων σε όλες τις περιπτώσεις. 67

68 7. Απόδοση κοπής των εξεταζόμενων μονοστρωματικών και πολυστρωματικών επικαλύψεων. Προκείμενου να διερευνηθεί η επίδραση των πολυστρωματικών επικαλύψεων στην απόδοση κοπής των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων, διεξήχθησαν πειράματα αντίρροπου φραιζαρίσματος. Η πειραματική διαδικασία πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια ενός ψηφιακά καθοδηγούμενου κέντρου φραιζαρίσματος τριών αξόνων που βρίσκεται στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας (ΕΕΔΜ). Το χρησιμοποιούμενο σύστημα εργαλείου - τεμαχίου στα πειράματα φραιζαρίσματος απεικονίζεται στο σχήμα 7,1. Το υλικό κατεργασίας ήταν επιβελτιωμένος χάλυβας 42CrMo4V. Η κατάσταση της φθοράς του εργαλείου ελέγχθηκε μέσω οπτικού μικροσκοπίου. Η συμπεριφορά φθοράς των επικαλυμμένων πλακιδίων σκληρομέταλλου στο φραιζάρισμα, με διάφορο πλήθος στρώσεων, όπως φαίνεται στο σχήμα 7,1. Το επικαλυμμένο πλακίδιο με 4-στρωματική παρουσιάζει καλύτερη απόδοση κοπής, επιτυγχάνοντας διάρκεια ζωής 113x10 3 κοπές για ένα πλάτος ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας περίπου 0.2 mm. Σχήμα 7.1 :Εξέλιξη του πλάτους ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας συναρτήσει του αριθμού κοπών. 68

69 Το πλακίδιο με τη δυστρωματική επικάλυψη παρουσιάζει τη δεύτερη καλύτερη απόδοση, επιτυγχάνοντας διάρκεια ζωής 97x10 3 κοπές για ένα πλάτος ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας περίπου 0.2 mm.την χειρότερη απόδοση την έχουμε στη μονοστρωματική επικάλυψη των 8μm καθώς για αριθμό κρούσεων μόλις 72x10 3 έχουμε πλάτος ζώνης φθοράς 200μm. Στο σχήμα 7.2 δίνονται κάποιες ενδεικτικές φωτογραφίες από οπτικό μικροσκόπιο και για τα τρία είδη επικαλύψεων για διάφορες αριθμό κοπών. Σχήμα 7.2 : Φωτογραφίες από οπτικό μικροσκόπιο κοπτικών ακμών, με διαφορετικό πλήθος στρώσεων επικάλυψης, σε διάφορα στάδια της κοπής. Στο σχήμα 7.3 δίνεται η διάρκεια ζωής που πετύχαμε με τα εξεταζόμενα πλακίδια. Είναι φανερό(όπως και αναμενόμενο από το σχήμα 7.1),ότι η 4- στρωματική επικάλυψη έχει τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και η μονοστρωματική έχει την μικρότερη διάρκεια ζωής. Συγκεκριμένα η 4- στρωματική είχε διάρκεια ζωής κοντά στα 9 λεπτά, η δυστρωματική περίπου 69

70 7,75 λεπτά και το λιγότερο η μονοστρωματική που άντεξε περίπου 5,75 λεπτά μέχρι πλάτος ζώνης φθοράς 200μm. Σχήμα 7.3 : Διάρκεια ζωής κοπτικών εργαλείων για διάφορο πλήθος στρώσεων επικάλυψης εώς πλάτος ζώνης φθοράς VB=200 μm Αυτό που προκαλεί εντύπωση είναι η ποσοστιαία αύξηση της διάρκεια ζωής των πολυστρωματικών επικαλύψεων σε σχέση με τη μονοστρωματική. Ενδεικτικά δίνεται στο σχήμα 7.4 η επί της εκατό αύξηση της διάρκειας ζωής των κοπτικών εργαλείων. Στη περίπτωση της 4-στρωματικής είναι της τάξης του 156% της διάρκειας ζωής της μονοστρωματικής επικάλυψης και η δυστρωματική επικάλυψη είναι της τάξης του 135%. Σχήμα 7.4 : ποσοστιαία αύξηση διάρκεια ζωής κοπτικών εργαλείων πολυστρωματικών επικαλύψεων, σε σχέση με μονοστρωματική επικάλυψη 70