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Nano-impact test on PVD-coatings with graded mechanical properties for assessing their brittleness

Ermittlung der Sprödigkeit von PVD-Beschichtungen mit abgestuften mechanischen Eigenschaften mittels Nano-Impact-Tests
 
: Bouzakis, K.-D.; Skordaris, G.; Gerardis, S.; Bouzakis, E.

:

Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 44 (2013), No.8, pp.684-690
ISSN: 0933-5137
English
Journal Article
Fraunhofer IPT ()
Fraunhofer PCCM ()

Abstract
In the described investigations, nano-impact tests were conducted on PVD films with graded mechanical properties. The properties gradation was induced by micro-blasting at different pressures for constant duration. Micro-blasting improves the film mechanical properties due to the induced residual compressive stresses into the coating structure. The film mechanical properties as well as the ratio of the film yield to rupture stress (SY/SM) grow up to a certain micro-blasting pressure. The augmentation of S Y/SM ratio increases simultaneously the film brittleness. For analyzing the effect of the SY/SMratio on the film brittleness, a multi-layer 3D-FEM model simulating the nano-impact test was developed employing the LS-DYNA software package. The FEM calculated results converge sufficiently with the attained experimental ones. Based on these results, the film's failure initiation and evolution can be predicted depending on the SY/SMratio of the individual film layers.

 

In der vorliegenden Studie wurden Nano-Impact-Tests auf PVD-Beschichtungen, die eine Abstufung der mechanischen Eigenschaften aufwiesen, durchgeführt. Diese Abstufung wurde durch Mikrostrahlbehandlungen mit Festkörpern bei verschiedenen Strahldrücken jeweils bei konstanter -dauer induziert. Das Mikrostrahlen kann eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Schicht hervorrufen, die auf die Steigerung der Druckeigenspannungen in der Schichtstruktur zurückzuführen ist. Die mechanischen Eigenschaften sowie der Anteil der Fließ- bezogen auf die Bruchspannung (SY/SM) unterschiedlicher Schichtlagen steigen bis zu einem bestimmten Strahldruck. Die Erhöhung von SY/SM jedoch bedeutet gleichzeitig eine Zunahme der Sprödigkeit. Zur Analyse dieses Verhaltens wurde ein dreidimensionales FE-Model mit Hilfe von LS-DYNA entwickelt, welches die Simulation des Nano-Impact-Tests ermöglicht. Die berechneten Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit denen aus den experimentellen Untersuchungen. Basierend auf diese Resultate kann das Ablösen sowie die Entwicklung des Schichtversagens in Abhängigkeit von der Kenngröße SY/SM der jeweiligen Schichtlage berechnet werden.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-264522.html