Simulação do ensaio de indentação em filmes finos com o uso de modelos de trinca difusa

Abstract

RESUMOO objetivo principal do presente trabalho foi simular através de modelos de elementos finitos o ciclo do ensaio de indentação com penetradores esféricos em um sistema composto de recobrimento superficial fino depositado em um substrato metálico. Recentes trabalhos propõem a utilização dos ensaios de indentação (nanoindentação) como uma ferramenta capaz de avaliar características mecânicas de filmes finos, assim como avaliar possíveis falhas em sistemas que conjugam recobrimentos de alta dureza (recobrimentos tribológicos) com substratos metálicos de aço em serviço, em solicitações tribológicas. Entretanto, a implementação da técnica de indentação para a avaliação do comportamento destes sistemas e os seus resultados obtidos ocasionam dúvidas no meio científico. Em função destas incertezas na análise do ensaio de indentação, o uso de uma metodologia numérica capaz de avaliar os campos de tensões e de deformações durante o ciclo de indentação pode auxiliar em uma interpretação mais segura deste ensaio. Todavia, a utilização da metodologia numérica para avaliar o ensaio de indentação em recobrimentos superficiais finos também tem apresentado problemas principalmente devido à dificuldade na implementação de critérios de falhas, especialmente na avaliação do comportamento da interface entre o recobrimento e o substrato. Finalmente, para estudar os mecanismos de nucleação e crescimento de trincas que ocorrem nestes filmes sob ensaio de indentação utilizou-se um modelo numérico de trinca difusa. Palavras-chaves:Indentação, Elementos Finitos, Fratura, Trinca Difusa. Simulation of indentation testing in thin films using numerical cracking models ABSTRACTThe aim of the present study was simulate the cycle of indentation test with spherical indenters in a system composed of thin surface coating deposited on a metallic substrate through PVD process by finite element models. Recent studies suggest that the indentation technique could be used as a tool to evaluate mechanical properties of thin films, as well as to determinate the fracture process in systems that combine high hardness coatings, like stainless steel substrates, in tribological applications. However, the implementation of this technique to evaluate the behaviour of these systems and their results, have still been doubts in the scientific community. Because of these uncertainties in the analysis of indentation test, the use a numerical methodology capable of evaluating the fields of stresses and deformation during the indentation cycle can help in a more secure interpretation of this testing. Nevertheless, the use of the numerical methodology to evaluate the indentation test in thin surface coatings also has had problems mainly due to the difficulty in implementing failures models, especially in determinating the behaviour for the interface between the coating and the substrate. Finally, it was used a numerical cracking model to study the mechanisms of nucleation and growth of cracks that occur in these films during indentation test.

Estudo numérico da influência do coeficiente de atrito no ensaio de indentação em filmes finos

“…Esta situação pode ser observada para o ensaio realizado no recobrimento de 3,0 µm com profundidade de penetração de 1,5 µm (50% espessura), a carga média foi de aproximadamente 71 N quando comparado com os resultados obtidos para o filme de 6,0 µm com a mesma profundidade de penetração 1,5 µm (25% da espessura) onde a carga foi de aproximadamente 73 N. Este aumento da carga pode indicar um aumento nas propriedades tribológicas do conjugado. Contudo essa variação da carga de indentação não foi significativa para um recobrimento com o dobro da espessura [17]. Na sequencia, avaliou-se o comportamento numérico do campo de tensões durante o ensaio de indentação em função da variação do coeficiente de atrito entre o penetrador e a amostra.…”

“…Como condições de contorno do problema, o modelo possui restrição ao deslocamento na sua base e restrição ao deslocamento radial dos nós que estão localizados no eixo de simetria [17]. As características dos modelos numéricos estão ilustradas na Tabela 2.…”

“…Por outro lado, também se observou que o aumento deste atrito não acarreta grandes variações neste campo de tensões para filmes com grandes espessuras. Ou seja, filmes de maiores espessuras apresentaram uma menor possibilidade de delaminação, uma vez que, a distribuição numérica do campo de tensões se mantém praticamente inalterada na interface com o substrato [5,17]. …”

“…Estas observações também foram relatadas e discutidas em diferentes trabalhos encontrados na literatura [15,20]. Apesar disso, alguns autores desconsideram esses efeitos uma vez que não introduzem o atrito em seus modelos numéricos [8][9][10]17].…”

“…Em outras palavras, um conjugado com filme de maior espessura pode apresentar uma menor tendência de apresentar um maior nível de tensões na interface, diminuindo uma possível delaminação em serviço. Na literatura, também é possível verificar essa tendência de que com o aumento da espessura do filme menor há uma menor a possibilidade de sua delaminação, seja através da observação numérica do campo de deformações plásticas ou do campo das deformações de trincamento durante o ciclo do ensaio [5,17].…”