WPŁYW TWARDOŚCI I SPRĘŻYSTOŚCI PODŁOŻA NA MIKROUDAROWE ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWE POWŁOKI

Podobne dokumenty
MODELOWANIE I BADANIA EKSPERYMENTALNE PĘKANIA CIENKICH POWŁOK CERAMICZNYCH I WĘGLOWYCH

ANALIZA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH UKŁADÓW POWŁOKA PODŁOŻE Z UŻYCIEM METODY INDENTACJI Z WYKORZYSTANIEM WGŁĘBNIKÓW O RÓŻNEJ GEOMETRII

WPŁYW PARAMETRÓW BADAŃ NA DEFORMACJĘ I PĘKANIE UKŁADU POWŁOKA PODŁOŻE W WYNIKU PRÓBY ZARYSOWANIA

MODELOWANIE WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ O ZMIENNEJ TWARDOŚCI

Wpływ temperatury podłoża na właściwości powłok DLC osadzanych metodą rozpylania katod grafitowych łukiem impulsowym

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Do najbardziej rozpowszechnionych metod dynamicznych należą:

Ćwiczenie 5 POMIARY TWARDOŚCI. 1. Cel ćwiczenia. 2. Wprowadzenie

ANALIZA DEFORMACJI FALOWYCH CIENKICH POWŁOK W ŚLIZGOWYM STYKU SKONCENTROWANYM

WPŁYW PROCESU TARCIA NA ZMIANĘ MIKROTWARDOŚCI WARSTWY WIERZCHNIEJ MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH

Charakterystyka właściwości mechanicznych powłok z austenitu stabilizowanego węglem

OBCIĄŻENIE GRANICZNE POWŁOK WIELOWARSTWOWYCH TiN/CrN W STYKU TRIBOLOGICZNYM KULA TARCZA

PRZECIWZUŻYCIOWE POWŁOKI CERAMICZNO-METALOWE NANOSZONE NA ELEMENT SILNIKÓW SPALINOWYCH

Pomiar twardości ciał stałych

WSTĘPNE MODELOWANIE ODDZIAŁYWANIA FALI CIŚNIENIA NA PÓŁSFERYCZNY ELEMENT KOMPOZYTOWY O ZMIENNEJ GRUBOŚCI

43 edycja SIM Paulina Koszla

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE POWŁOK ELEKTROLITYCZNYCH ZE STOPÓW NIKLU PO OBRÓBCE CIEPLNEJ

ANALIZA WPŁYWU GRUBOŚCI WARSTW SKŁADOWYCH NA DEFORMACJE I PĘKANIE POWŁOK WIELOWARSTWOWYCH Ti/TiN

Rok akademicki: 2013/2014 Kod: RBM ET-n Punkty ECTS: 3. Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Niestacjonarne

TECHNIKI BADAWCZE W ANALIZIE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH I TRIBOLOGICZNYCH CIENKICH WARSTW I POWŁOK

BADANIE MIKROTWARDOŚCI WARSTWY WIERZCHNIEJ CYLINDRA W ASPEKCIE ODPORNOŚCI NA ZACIERANIE

Promotor: prof. nadzw. dr hab. Jerzy Ratajski. Jarosław Rochowicz. Wydział Mechaniczny Politechnika Koszalińska

Badania właściwości zmęczeniowych bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1

Politechnika Politechnika Koszalińska

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Zakład Metaloznawstwa i Odlewnictwa

BADANIA PÓL NAPRĘśEŃ W IMPLANTACH TYTANOWYCH METODAMI EBSD/SEM. Klaudia Radomska

ĆWICZENIE NR 9. Zakład Budownictwa Ogólnego. Stal - pomiar twardości metali metodą Brinella

ANALIZA WŁAŚCIWOŚCI MIKROMECHANICZNYCH I TRIBOLOGICZNYCH POWŁOK NANOKOMPOZYTOWYCH nc-wc/a-c I Nc-WC/a-C:H

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

WPŁYW PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH NA ZUŻYCIE FRETTINGOWE W POŁĄCZENIU WCISKOWYM

WPŁYW ODKSZTAŁCENIA WZGLĘDNEGO NA WSKAŹNIK ZMNIEJSZENIA CHROPOWATOŚCI I STOPIEŃ UMOCNIENIA WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ PO OBRÓBCE NAGNIATANEM

ZASTOSOWANIE NAŚWIETLANIA LASEROWEGO DO BLOKADY PROPAGACJI PĘKNIĘĆ ZMĘCZENIOWYCH

Wpływ warunków nagniatania tocznego na chropowatość powierzchni stali C45 po cięciu laserem

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

BADANIE MODUŁU SPRĘŻYSTOŚCI I MIKROTWARDOŚCI WARSTW WIERZCHNICH TŁOKA SAMOCHODOWEGO W ASPEKCIE JEGO ZUŻYCIA

PL B1. POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL

WŁAŚCIWOŚCI WARSTW AZOTOWANYCH JARZENIOWO, WYTWORZONYCH NA STALI 316L

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ CRN W WARUNKACH TARCIA MIESZANEGO

BADANIE ODPORNOŚCI NA PĘKANIE I ZUŻYCIE PRZEZ TARCIE POWŁOK WIELOWARSTWOWYCH

WPŁYW DODATKU NA WŁASNOŚCI SMAROWE OLEJU BAZOWEGO SN-150

Rok akademicki: 2013/2014 Kod: RBM KW-s Punkty ECTS: 3. Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

WARSTWY WĘGLIKOWE WYTWARZANE W PROCESIE CHROMOWANIA PRÓŻNIOWEGO NA POWIERZCHNI STALI POKRYTEJ STOPAMI NIKLU Z PIERWIASTKAMI WĘGLIKOTWÓRCZYMI

A. PATEJUK 1 Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej WAT Warszawa ul. S. Kaliskiego 2, Warszawa

WYSOKOTEMPERATUROWE WŁASNOŚCI TRIBOLOGICZNE STOPÓW Fe-Al

WPŁYW TWARDOŚCI I MODUŁU SPRĘŻYSTOŚCI POWŁOK KOMPOZYTOWYCH NA ICH ODPORNOŚĆ NA ZUŻYCIE

MIKROSTRUKTURALNA ANALIZA MECHANIZMÓW ZUŻYCIA POWŁOK MONO- I WIELOWARSTWOWYCH BAZUJĄCYCH NA SKŁADZIE TiN i a-c:h

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

WŁAŚCIWOŚCI POWŁOK Si 3 N 4 FORMOWANYCH METODĄ IBAD NA AZOTOWANEJ STALI 316L

WŁAŚCIWOŚCI POWŁOK WIELOWARSTWOWYCH O RÓŻNEJ GRUBOŚCI WARSTW Ti/TiN

Zmęczenie Materiałów pod Kontrolą

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Nauka o Materiałach. Wykład I. Zniszczenie materiałów w warunkach dynamicznych. Jerzy Lis

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTW DUPLEX WYTWARZANYCH W PROCESIE TYTANOWANIA PRÓŻNIOWEGO NA STALI NARZĘDZIOWEJ POKRYTEJ STOPEM NIKLU

ODPORNOŚĆ STALIWA NA ZUŻYCIE EROZYJNE CZĘŚĆ II. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ

ZUŻYCIE TRIBOLOGICZNE POWŁOK KOMPOZYTOWYCH Ni-P-Al 2 O 3 WYTWORZONYCH METODĄ REDUKCJI CHEMICZNEJ

Spis treści Przedmowa

Wpływ kulowania na strukturę, mikrotwardość i naprężenia własne stali austenitycznej

Integralność konstrukcji

Materiały Reaktorowe. Właściwości mechaniczne

Odporność kawitacyjna systemów z powłokami TiN

5. ZUŻYCIE NARZĘDZI SKRAWAJĄCYCH. 5.1 Cel ćwiczenia. 5.2 Wprowadzenie

Pomiar twardości. gdzie: HB - twardość wg Brinella, F - siła obciążająca, S cz - pole powierzchni czaszy.

OTRZYMYWANIE KOMPOZYTÓW METALOWO-CERAMICZNYCH METODAMI PLAZMOWYMI

WPŁYW WIELOKROTNYCH OBCIĄŻEŃ STATYCZNYCH NA STOPIEŃ ZAGĘSZCZENIA I WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE MASY ZIARNA

Spis treści. Przedmowa 11

Laboratorium badań materiałowych i technologicznych. dr inż. Tomasz Kurzynowski

BADANIE ZMIAN SPRĘŻYSTOŚCI I MIKROTWARDOŚCI POWŁOK NIKASILOWYCH W ASPEKCIE ZUŻYCIA TULEI SILNIKÓW SPALINOWYCH

WYBÓR PUNKTÓW POMIAROWYCH

WPŁYW RODZAJU MASY OSŁANIAJĄCEJ NA STRUKTURĘ, WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ODLEWNICZE STOPU Remanium CSe

NISKOTARCIOWE POWŁOKI NA BAZIE MOS 2 Z PODWARSTWAMI CHROMU NA ODLEWNICZYCH STOPACH ALUMINIUM

SYMULACJA TŁOCZENIA ZAKRYWEK KORONKOWYCH SIMULATION OF CROWN CLOSURES FORMING

Publikacje naukowe Marek Kubica Marek Kubica Marek Kubica Marek Kubica Marek Kubica Marek Kubica Marek Kubica Kubica Marek Marek Kubica Marek Kubica

Zadania badawcze realizowane na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Temat: NAROST NA OSTRZU NARZĘDZIA

Badanie twardości metali

BADANIA WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNYCH BRĄZU CuSn12Ni2 W OBECNOŚCI PREPARATU EKSPLOATACYJNEGO O DZIAŁANIU CHEMICZNYM

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 342

PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

WPŁYW PARAMETRÓW OBRÓBKI CIEPLNEJ TAŚM ZE STALI X6CR17 NA ICH WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I STRUKTURĘ

Eksperymentalne określenie krzywej podatności. dla płaskiej próbki z karbem krawędziowym (SEC)

BADANIA ODPORNOŚCI NA ZUŻYCIE ŚCIERNE WYBRANYCH POLIMERÓW INŻYNIERYJNYCH

ROZKŁAD TWARDOŚCI I MIKROTWARDOŚCI OSNOWY ŻELIWA CHROMOWEGO ODPORNEGO NA ŚCIERANIE NA PRZEKROJU MODELOWEGO ODLEWU

WPŁYW WILGOTNOŚCI ZIARNA PSZENICY NA ODKSZTAŁCENIA PODCZAS ŚCISKANIA

WPŁYW WŁÓKIEN ARAMIDOWYCH FORTA-FI NA WŁAŚCIWOŚCI MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH

ĆWICZENIE 15 WYZNACZANIE (K IC )

MIKROSTRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI WARSTW MIĘDZYMETALICZNYCH NA STOPIE Ti-6Al-4V

Dr inż. Paulina Indyka

LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 10

ANTYŚCIERNE I ANTYKOROZYJNE WARSTWY NOWEJ GENERACJI WYTWARZANE W PROCESIE TYTANOWANIA PRÓŻNIOWEGO NA STALI NARZĘDZIOWEJ

CHARAKTERYSTYKA ZMIAN STRUKTURALNYCH W WARSTWIE POŁĄCZENIA SPAJANYCH WYBUCHOWO BIMETALI

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 342

SPRAWOZDANIE LABORATORIUM WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW B Badanie własności mechanicznych materiałów konstrukcyjnych

METODY BADAŃ BIOMATERIAŁÓW

... Definicja procesu spawania gazowego:... Definicja procesu napawania:... C D

WPŁYW WYBRANYCH CZYNNIKÓW EKSPLOATACYJNYCH NA ZUŻYCIE ELEMENTÓW SKOJARZENIA TOCZNO-ŚLIZGOWEGO W OBECNOŚCI PŁYNU

ANALIZA ZJAWISKA NIECIĄGŁOŚCI TWORZENIA MIKROWIÓRÓW W PROCESIE WYGŁADZANIA FOLIAMI ŚCIERNYMI

Transkrypt:

5-2014 T R I B O L O G I A 147 Wiesław RAKOWSKI *, Sławomir ZIMOWSKI *, Paweł ADAMCZYK * WPŁYW TWARDOŚCI I SPRĘŻYSTOŚCI PODŁOŻA NA MIKROUDAROWE ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWE POWŁOKI EFFECT OF THE SUBSTRATE HARDNESS AND ELASTICITY ON THE MICRO-IMPACT FATIGUE WEAR OF THE COATING Słowa kluczowe: wytrzymałość mikroudarowa, powłoki, twardość, pękanie Key words: fatigue strength, coatings, hardness, cracking Streszczenie Badania mikroudarowej wytrzymałości powłok tribologicznych przeprowadzono w celu uzyskania wiedzy o pękaniu i odspajaniu fragmentów powłoki pod wpływem powtarzających się cyklicznie obciążeń o charakterze udarowym, w zależności od twardości i sprężystości podłoża. Niszczenie powłoki następuje pod wpływem kumulacji efektów zmęczeniowych w długich okresach mierzo- * AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Polska, e-mail: rakowski@agh.edu.pl, e-mail: zimowski@agh.edu.pl, e-mail: padamczy@agh.edu.pl.

148 T R I B O L O G I A 5-2014 nych liczbą uderzeń przy założonej sile i energii kinetycznej uderzenia. Badano powłoki TiN o grubości 0,5 µm osadzone na stali ferrytycznej i austenitycznej. Twardość i sprężystość obu podłoży oraz układów powłoka podłoże wyznaczono przy użyciu Micro-Combi-Testera firmy CSEM. Badania mikroudarowej wytrzymałości zmęczeniowej wykonano na stanowisku zaprojektowanym i zbudowanym w Laboratorium Tribologii i Inżynierii Powierzchni AGH. Stwierdzono istotny wpływ sprężystości podłoża oraz jego twardości na badane zjawiska. WPROWADZENIE Pękanie zmęczeniowe powłok tribologicznych pod wpływem powtarzających się zmiennych naprężeń o charakterze udarowym występuje zarówno w ślizgowych węzłach tarcia, gdzie interakcja mikronierówności powierzchni jest dynamiczna [L. 1 3], jak i w warstwach wierzchnich narzędzi skrawających oraz narzędzi do przeróbki plastycznej na zimno pod wpływem fal sprężystych, a także w elementach poddanych zużyciu erozyjnemu i podobnych [L. 4]. W układach powłoka podłoże pola naprężeń wywołane cyklicznymi mikroudarowymi obciążeniami powodują złożone skutki zarówno w materiale powłoki, jak i w połączeniu powłoki z podłożem oraz w materiale podłoża [L. 5]. Ich następstwem jest inicjacja i propagacja pęknięć zmęczeniowych prowadząca do niszczenia powłoki [L. 6, 7]. W artykule przedstawiono analizę badań eksperymentalnych mikroudarowego zmęczenia powłok TiN osadzonych na dwóch podłożach stalowych różniących się twardością i sprężystością. Uzyskane wyniki będą wykorzystane w kolejnych pracach do estymacji określonych parametrów w próbie teoretycznej analizy procesu mikroudarowego zmęczenia twardych powłok w celu opracowania zaleceń konstrukcyjnych i materiałowych. BADANE POWŁOKI Badaniom poddano pojedyncze powłoki o składzie stechiometrycznym zbliżonym do TiN, o grubości 0,5 µm wytworzone metodą PLD (Pulsed Laser Deposition) [L. 8]. Powłoki osadzono na podłożach ze stali ferrytycznej X20Cr13 oraz austenitycznej X10CrNi18-8. Wszystkie powłoki zostały wytworzone w jednakowych warunkach zgodnie ze ściśle określoną procedurą. Próbki oznaczono odpowiednio do podłoża: TiN ferryt oraz TiN austenit. BADANIA MIKROMECHANICZNE Badania właściwości mikromechanicznych przeprowadzono przy użyciu Micro- Combi-Testra (MCT) firmy CSEM. Mikrotwardość i moduł Younga wyzna-

5-2014 T R I B O L O G I A 149 czono przez wciskanie wgłębnika Vickersa przy obciążeniach: 10, 20, 50 i 1000 [mn]. Mikrotwardość układów powłoka podłoże wyznaczono z co najmniej 5 pomiarów dla każdego obciążenia. Na Rys. 1 przedstawiono wyniki pomiarów mikrotwardości i modułu Younga dla podłoża ferrytycznego, austenitycznego oraz układów TiN ferryt i TiN austenit przy obciążeniu 10 mn. Twardość dla TiN ferryt wynosiła 903 HV, a dla TiN austenit 605 HV, natomiast ich moduły sprężystości były równe odpowiednio 176 GPa i 148 GPa. Niemal dwukrotna różnica twardości badanych układów wynika z dwukrotnie większej twardości podłoża ferrytycznego w porównaniu z podłożem austenitycznym. Twardość podłoża ze stali ferrytycznej wynosiła 513 HV, a austenitycznej 194 HV, natomiast ich moduły sprężystości były równe odpowiednio 217 GPa i 163 GPa. Wykonano również pomiary z większym obciążeniem w celu określenia twardości układu powłoka podłoże w sytuacji kiedy powłoka jest już zniszczona. Taki stan występuje w momencie częściowego wykruszenia lub odspojenia powłoki od podłoża w wyniku mikroudarowego zmęczenia. Rys. 1. Mikrotwardość i moduł Younga dla podłoży i układów powłoka podłoże przy obciążeniu 10 mn Fig. 1. Microhardness and Young modulus of the coating substrate systems and the substrates without coatings under the load of 10 mn Wyniki pomiarów mikrotwardości układów powłoka podłoże w zależności od zastosowanego obciążenia są przedstawione na Rys. 2. Ze wzrostem obciążenia, a więc też głębokości penetracji wgłębnika, twardość układów powłoka podłoże zmniejszała się, a przy obciążeniu 1000 mn była prawie taka sama jak dla podłoży bez powłok. Pomiary twardości cienkich

150 T R I B O L O G I A 5-2014 Rys. 2. Mikrotwardość TiN ferryt i TiN austenit przy obciążeniach 10, 20, 50 i 1000 [mn] Fig. 2. Microhardness of TiN ferritic steel and TiN austenitic steel under the load of 10, 20, 50 and 1000 [mn] powłok należy wykonywać z takim obciążeniem, aby zagłębienie wgłębnika nie przekraczało 10% grubości powłoki, co powinno zapewnić ograniczenie wpływu właściwości podłoża [L. 9]. MIKROUDAROWE BADANIA ZMĘCZENIOWE Badania zmęczeniowe powłok wykonano przy użyciu testera skonstruowanego w Laboratorium Tribologii i Inżynierii Powierzchni AGH w Krakowie (Rys. 3). Wzbudnik (1) generuje cykliczne uderzenia wgłębnika z kulką (3) w powierzchnię próbki (4). W czasie testu rejestrowana jest siła uderzenia w funkcji czasu, przemieszczenie kulki oraz liczba cykli. Do pozycjonowania wgłębnika względem powierzchni próbki służą śruby mikrometryczne. Rys. 3. Schemat testera do badania mikroudarowej wytrzymałości zmęczeniowej: 1 wzbudnik, 2 smarowniczka, 3 wgłębnik, 4 próbka, 5 czujnik siły, 6 śruby mikrometryczne, 7 tarcza, 8 czujnik przemieszczenia Fig. 3. Scheme of the impact tester: 1 inductor, 2 lubricating nipple, 3 indenter, 4 sample, 5 force sensor, 6 micrometer screw, 7 target, 8 displacement sensor

5-2014 T R I B O L O G I A 151 W badaniach zastosowano wgłębnik w postaci kuli Al 2 O 3 o średnicy 1 mm, który uderzał w powierzchnię próbki z siłą F N = 2 N i częstotliwością 5 Hz. Aby najlepiej odzwierciedlić charakter uderzeń udarowych zastosowano piłokształtny sygnał sterujący urządzeniem wymuszającym ruch wgłębnika. Badanie przeprowadzono dla trzech zakresów cykli uderzeniowych: 20 000, 40 000 oraz 80 000. Po każdej serii badań analizowano stan powierzchni odcisku powstałego po mikroudarowym zmęczeniu przy użyciu mikroskopu optycznego (LM). Powłoka TiN na podłożu ferrytycznym Na Rys. 4 przedstawiono obrazy kraterów powstałych na powierzchni próbek TiN ferryt po testach zmęczeniowych przy wzrastającej liczbie cykli. Rys. 4. Obraz powierzchni TiN ferryt po a) 20 000 cykli, b) 40 000 cykli, c) 80 000 cykli (F N = 2N, LM, pow. x200) Fig. 4. Image of TiN ferritic steel surface after a) 20 000 cycles, b) 40 000 cycles, c) 80 000 cycles (F N = 2 N, LM, mag. x200) Krater po 40 000 uderzeń jest wyraźnie większy od krateru po 20 000 cykli. Natomiast zwiększenie liczby cykli do 80 000 nie spowodowało powiększenia pola powierzchni odcisku ani też wykruszenia powłoki na dużym obszarze. Zniszczenie powłoki było zlokalizowane w centralnej części krateru w miejscu kumulacji maksymalnych naprężeń. Powłoka TiN na podłożu austenitycznym Stan powierzchni TiN austenit po testach zmęczeniowych przy wzrastającej liczbie cykli jest przedstawiony na Rys. 5. Po 20 000 cykli powierzchnia krateru nie ulega spękaniu, jak również nie obserwowano na niej żadnych widocznych zniszczeń. Po 40 000 cykli w kraterze powstały charakterystyczne obwodowe pęknięcia (Rys. 6a). Efektem tych pęknięć w kolejnych cyklach udarowych było postępujące niszczenie powłoki, kiedy to po 80 000 cykli nastąpiło wykruszanie jej fragmentów

152 T R I B O L O G I A 5-2014 i odsłonięcie podłoża (Rys. 6b, c). Pęknięcia obwodowe w powłoce charakterystyczne dla tej próbki przedstawiono na Rys. 6. Rys. 5. Obraz powierzchni TiN austenit po a) 20 000 cykli b) 40 000 cykli c) 80 000 cykli (F N = 2 N, LM, pow. x200) Fig. 5. Image of TiN austenitic steel surface after a) 20 000 cycles, b) 40 000 cycles, c) 80 000 cycles (F N = 2 N, LM, mag. x200) Rys. 6. Obraz powierzchni TiN austenit po a) 40 000 cykli; b), c) 80 000 cykli (F N = 2 N, LM, pow. x500) Fig. 6. Image of TiN austenitic steel surface after a) 40 000 cycles; b), c) 80 000 cycles (F N = 2 N, LM, mag. x500) BADANIA MORFOLOGII POWIERZCHNI KRATERÓW Dokonano również analizy morfologii i składu chemicznego wybranych odcisków przy użyciu skaningowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego FEI Nova NanoSEM 450 (STEM), który wyposażony jest w mikroanalizator EDS (Energy-dispersive X-Ray Spectroscopy). Na podstawie analizy jakościowej EDS wzdłuż linii przechodzącej przez kratery (Rys. 7b, 9b) wyznaczono rozmieszczenie poszczególnych pierwiastków w kraterze oraz w obszarze z nim sąsiadującym (Rys. 7a, 9a). W kraterze powstałym w TiN austenit po 80 000 uderzeń nastąpiło wykruszenie powłoki i odsłonięcie podłoża (Rys. 7b), o czym świadczy wysoka intensywność sygnału pochodzącego od żelaza (Fe) obecnego tylko w obszarze krateru. Wzrost liczby zliczeń Fe wyraźnie odpowiada spadkowi liczby zliczeń N (azotu) i Ti (tytanu), które są składnikami powłoki (Rys. 7a).

5-2014 T R I B O L O G I A 153 a) b) Rys. 7. Mikroanaliza składu chemicznego w obszarze krateru TiN austenit po 80 000 cykli, a) rozkład pierwiastków wzdłuż linii, b) obraz SEM krateru z zaznaczoną linią skanowania Fig. 7. Chemical microanalysis of the crater on TiN austenitic steel after 80 000 cycles, a) distribution of the elements along the line, b) SEM image of the crater with marked linescan Szczegółową analizę zniszczenia TiN austenit w obszarze krateru wykonano również przy użyciu SEM. Na brzegach krateru można zaobserwować wyraźne pęknięcia obwodowe i dużą deformację powłoki prowadzącą do jej zapadnięcia (Rys. 8). a) b) Rys. 8. Obraz powierzchni TiN austenit po 80 000 cykli, a) cały krater, b) powiększenie w miejscu wystąpienia pęknięć obwodowych Fig. 8. SEM image of TiN austenitic steel after 80 000 cycles, a) entire crater, b) enlargement of place with circular cracks Na Rys. 9 przedstawiono mikroanalizę EDS składu chemicznego odcisku w TiN ferryt powstałego po 80 000 cykli.

154 T R I B O L O G I A 5-2014 a) b) Rys. 9. Mikroanaliza składu chemicznego w obszarze krateru TiN ferryt po 80 000 cykli, a) rozkład pierwiastków wzdłuż linii, b) obraz SEM krateru z zaznaczoną linią skanowania Fig. 9. Chemical microanalysis of the crater on TiN ferritic steel after 80 000 cycles, a) distribution of the elements along the line, b) SEM image of the crater with marked linescan Powłoka została odspojona tylko w centrum krateru (Rys. 9b) o czym świadczy rozkład pierwiastków wzdłuż linii skanowania spadek liczby zliczeń Ti oraz N odpowiada wzrostowi liczby zliczeń Fe (Rys. 9a). ANALIZA GEOMETRYCZNA KRATERÓW W celu ilościowej oceny stopnia zużycia powłoki poddanej mikroudarowemu zmęczeniu wykonano pomiary średnic kraterów w dwóch kierunkach przy użyciu mikroskopu optycznego. Obliczone pola powierzchni rzutów odcisków dla kolejnych cykli przestawiono na Rys. 10. Rys. 10. Pola powierzchni rzutów kraterów powstałych w TiN ferryt oraz TiN austenit po 20 000, 40 000 i 80 000 cykli Fig. 10. Projected surface area of the carters on TiN ferritic steel and TiN austenitic steel after 20 000, 40 000 and 80 000 cycles

5-2014 T R I B O L O G I A 155 Pole powierzchni rzutu krateru powstałego po 20 000 uderzeń było równe 1940 µm 2 dla TiN ferryt oraz 20220 µm 2 dla TiN austenit. Duży wzrost wielkości krateru nastąpił po 40 000 cykli, a pole wynosiło 9400 µm 2 oraz 23 230 µm 2 odpowiednio dla TiN na stali ferrytycznej oraz austenitycznej. Wielkość kraterów powstałych po 80 000 cykli nie zwiększyła się znacząco w porównaniu z tymi powstałymi po 40 000 cykli (Rys. 10). Taka geometria kraterów jest wynikiem wystarczająco dużego dopasowania powierzchni kulki i krateru, tak że pole styku jest już na tyle duże, że przejmuje całkowite obciążenie wynikające z uderzenia. Siła działająca na coraz większej powierzchni odcisku nie powoduje dalszej jego deformacji i znaczącego jego powiększania w zakresie zastosowanych parametrów badań. Profile odcisków zmierzono przy użyciu profilometru optycznego WYKO NT930 w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach X i Y, wzdłuż linii przechodzących przez ich środek (Rys. 11, 12). Rys. 11. Profile odcisku w TiN austenit po 20 000 cykli, a) w kierunku X, b) w kierunku Y, c) kierunki linii pomiarowych, d) obraz krateru Fig. 11. Profiles of the crater on TiN austenitic steel after 20 000 cycles, a) in X axis, b) in Y axis, c) scanning line, d) SEM image of the crater Analizując kształt profilu (Rys. 11a i 11b), można zaobserwować wypiętrzenie materiału na brzegu krateru wynikające z plastycznej deformacji próbki TiN austenit po 20 000 cykli. Jest to jeden z charakterystycznych mechanizmów niszczenia twardych powłok osadzanych na podłożu o mniejszej twardości.

156 T R I B O L O G I A 5-2014 Rys. 12. Profile odcisku w TiN ferryt po 20 000 cykli, a) w kierunku X, b) w kierunku Y, c) kierunki linii pomiarowych, d) obraz krateru Fig. 12. Profiles of the crater on TiN ferritic steel after 20 000 cycles, a) in X axis, b) in Y axis, c) scanning line, d) SEM image of the crater Głębokość krateru powstałego w próbce TiN ferryt po 20 000 cykli (Rys. 12), jest prawie 10-krotnie mniejsza od głębokości krateru w TiN austenit (Rys. 11), co wynika z większej wartości zarówno modułu sprężystości i twardości podłoża ze stali ferrytycznej. Profile odcisku w TiN austenit (Rys. 11) są równomierne, co świadczy o tym, że powłoka została wgnieciona w podłoże i pomimo dużej głębokości (w porównaniu z grubością powłoki 0,5 µm) nie powoduje to jej odłupywania. Dopiero wskutek nakładania się odkształceń w warstwie wierzchniej w wyniku naprężeń własnych i naprężeń od obciążenia zewnętrznego, po 40 000 cykli pojawiają się mikropęknięcia. Nierówności profili odcisku w TiN ferryt (Rys. 12) są wynikiem oderwania powłoki od podłoża i zmiany struktury geometrycznej powierzchni. Dużo mniejsza powierzchnia styku wgłębnika z próbką TiN ferryt powoduje powstawanie znacznie większych nacisków stykowych w porównaniu z tymi obecnymi w TiN austenit. WNIOSKI Właściwości mechaniczne podłoża mają istotny wpływ na twardość i moduł sprężystości oraz zmęczeniową wytrzymałość mikroudarową układu powłoka podłoże. Podczas pomiaru twardości cienkich powłok głębokość penetracji wgłębnika w decydujący sposób wpływa na zakres oddziaływania właściwości podłoża na mierzoną twardość. Po 20 000 cykli obciążenia kratery w próbce

5-2014 T R I B O L O G I A 157 TiN austenit mają aż 10-krotnie większą głębokość w porównaniu z głębokością kraterów w próbce TiN ferryt. Należy podkreślić, że nie tylko twardość, lecz także sprężystość podłoża ma zasadniczy wpływ na wytrzymałość zmęczeniową powłok, w tym także na przebiegi czasowe obciążeń dynamicznych oraz maksymalną wartość naprężeń działających w układzie powłoka podłoże. Pole powierzchni krateru w powłoce jest zależne od liczby uderzeń tylko do pewnej wartości granicznej, gdy dalsze uderzenia są przejmowane przez podłoże, nie powodując wykruszenia powłoki. Na powierzchni styku obecne są charakterystyczne strefy uszkodzeń: obszar centralny o osłabionej kohezji, obszar spiętrzania materiału, strefa z pęknięciami obwodowymi i pośrednia strefa z uszkodzeniami kohezyjnymi i adhezyjnymi. LITERATURA 1. Engel P.A.: Impact wear of materials, Elsevier Scientific Pub. 1976. 2. Rakowski W.A.: Istota kinetycznego tarcia zewnętrznego oraz jego modelowanie i symulacja cyfrowa. Zeszyty Naukowe AGH, Mechanika Z. 19, Kraków 1989, s. 1 150. 3. Li X., Bhushan B.: Development of a nanoscale fatigue measurement technique and its application to ultrathin amorphous carbon coatings. Scripta Materialia, 47 (2002) 473 479. 4. Kot M., Rakowski W., Major Ł., Lackner J., Load-bearing capacity of coatingsubstrate systems obtained from spherical indentation, Materials and Design 46, 2013, 751 757. 5. Xiaodong Zhu et. al.: Repeated impact test for characterization of hard coatings. Surface and Coatings Technology 201 (2007), 5495 5497. 6. Bouzakis K-D., Siganos A.: Fracture initiation mechanism of thin hard coatings during the impact test. Surface and Coatings Technology, 185 (2004), 150 159. 7. Bouzakis K-D., Maliaris G., and Makrimallakis S.: Strain rate effect on the fatigue failure of thin PVD coatings: An investigation by a novel impact tester with adjustable repetitive force. International Journal of Fatigue 44 (2012) 89 97. 8. Lackner J. M.: Industrially-scaled large-area and high-rate tribological coating by Pulsed Laser Deposition. Surface and Coatings Technology, 2005, 200.5: 1439 1444. 9. Malzbender J., den Toonder J.M.J., Balkenende A.R., de With G.: Measuring mechanical properties of coatings: a methodology applied to nano-particle-filled sol gel coatings on glass. Materials Science and Engineering: R: Reports 36(2) (2002), 47 103.

158 T R I B O L O G I A 5-2014 Summary Micro-impact strength tests of tribological coatings were performed in order to obtain knowledge about cracking and decohesion of coatings under cyclically repeated impact loads, depending on the hardness and elasticity of the substrate. The destruction of the coating is caused by the accumulation of the effects over long periods of time, which are measured by the number of impacts at a set load and kinetic energy. TiN coatings with a thickness of 0.5 µm deposited on austenitic and ferritic steel were investigated. The hardness and elastic modulus of both substrates and coating-substrate systems were determined using a Micro-Combi-Tester from CSM Instruments. Micro-impact fatigue tests were carried out on an impact tester designed and built in the Laboratory of Tribology and Surface Engineering AGH University of Science and Technology. It was found that the elasticity and the hardness of the substrate significantly influence the impact fatigue process.