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Dissertação de Mestrado
DOI
Documento
Autor
Nome completo
Cassiano Ferreira Bernardes
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2019
Orientador
Banca examinadora
Fukumasu, Newton Kiyoshi (Presidente)
Santos, Lucia Vieira
Torres, Ricardo Diego
Título em português
Transição do comportamento mecânico das macropartículas em um revestimento WC/C durante ensaios de riscamento.
Palavras-chave em português
Destacamento e deformação
Macropartículas
Revestimentos
Riscamento
Resumo em português
A demanda por sistemas mecânicos mais eficientes implica no desenvolvimento de novas características de materiais e superfícies que reduzam o coeficiente de atrito ao mesmo tempo que mantenham a durabilidade dos componentes. Uma forma de se obter melhor desempenho é pelo uso de revestimentos cerâmicos de elevada dureza, tais como revestimentos a base de carbono, nitretos e sulfetos. Revestimentos a base de carbono podem ser projetados para reduzirem o atrito entre as superfícies ao mesmo tempo em que apresentam boa resistência ao desgaste. Em geral, os processos de deposição destes revestimentos produzem defeitos na microestrutura que podem prejudicar seu desempenho. Variações durante o processo de deposição ou irregularidades na superfície do substrato podem levar à formação de defeitos de crescimento, como a formação de macropartículas. Em revestimentos produzidos por técnicas de deposição física de vapor (PVD), essas macropartículas podem ser identificadas como defeitos que ocorrem durante o crescimento do filme e apresentam uma variação localizada das estruturas colunares da microestrutura do filme. Essa variação resulta em uma interface discreta, a qual pode levar a uma perda localizada de propriedades mecânicas do revestimento. Este trabalho apresenta o estudo do comportamento mecânico dessas macropartículas quando são submetidas a esforços induzidos por ensaios de riscamento com diferentes cargas normais. Foram utilizados substratos de aço AISI H13 em formato de discos para a deposição de um revestimento comercial a base de carboneto de tungstênio e carbono amorfo (WC/C). Camadas intercaladas de WC e carbono amorfo foram depositadas utilizando a técnica PVD. As propriedades mecânicas do revestimento e das macropartículas foram avaliadas pela combinação de análises de indentação instrumentada (Hysitron Ti950 da Bruker Inc.) e simulações numéricas, utilizando o pacote de elementos finitos Abaqus ® produzido pela Dassault Systèmes. As técnicas de difração de raios-X (XRD), espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X (XPS), microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia de varredura por sonda (SPM) foram utilizadas para caracterizar a microestrutura e a topografia das amostras. As análises de XRD e XPS indicaram a presença de fases cristalinas do tipo WC1-x. Já o uso da técnica SPM permitiu observar que as macropartículas apresentaram formato esférico na superfície do filme, com alturas de até 1,5 µm. Imagens de SEM da seção transversal do revestimento revelaram macropartículas com formato cônico na porção abaixo da superfície do filme até a interface com o substrato. A análise combinada numérico/experimental de indentação instrumentada indicou durezas de, aproximadamente, 10 GPa para o revestimento e 5 GPa para as macropartículas. Os resultados dos ensaios de riscamento, realizados em um tribômetro UMT-2 da Bruker Inc., mostraram que a carga normal pode induzir diferentes comportamentos mecânicos das macropartículas. Para baixas cargas normais, as macropartículas apresentaram deformação residual e/ou fragmentação. Quando foram aplicadas cargas elevadas, as macropartículas foram destacadas do filme, resultando em cavidades com profundidades que atingiram o substrato. Assim, foi observada uma transição no comportamento mecânico das macropartículas em função da carga aplicada à superfície do filme. Esses comportamentos mecânicos estão associados ao limite de resistência na interface entre as estruturas colunares, em que a ocorrência dos modos deformação e fragmentação pressupõe que a interface entre o revestimento e a macropartícula ficou intacta após a passagem do riscador. Já no caso do destacamento das macropartículas, os esforços induzidos pelo riscador foram suficientes para produzir a falha dessa interface, destacando a região cônica da macropartícula antes da passagem do riscador. Esse comportamento foi reproduzido por simulações numéricas do ensaio de riscamento, nas quais foi observado o limiar de carga normal necessário para falhar a interface entre a macropartícula e o revestimento. Assim, foi possível observar neste trabalho que as macropartículas apresentam propriedades mecânicas diferentes do revestimento; o crescimento dessas macropartículas leva a formação de uma interface entre regiões com propriedades mecânicas diferentes e, quando submetida a esforços mecânicos de riscamento, as macropartículas podem ser deformadas, fragmentadas ou destacadas do revestimento, resultando em uma possível perda de desempenho do componente.
Título em inglês
Transition of mechanical behavior of macroparticles in a WC/C coating during scratch tests.
Palavras-chave em inglês
Coating
Detachment and deformation
Macroparticles
Scratching
Resumo em inglês
The demand for more efficient mechanical systems implies the development of new characteristics of materials and surfaces to reduce the coefficient of friction while maintaining the durability of the components. To achieving better performance is by the use of high hardness ceramic coatings, such as carbon-based coatings, nitrides and sulfides. Carbon-based coatings can be designed to reduce friction between surfaces while can be achieving good wear resistance. In general, the deposition processes of these coatings produce defects in the microstructure that can reduce the performance variations during the deposition process or irregularities in the surface of the substrate can lead to the formation of growth defects, such as the formation of macroparticles. In coatings deposited by physical vapor deposition (PVD) techniques, these macroparticles can be identified as defects that occur during film growth and present a localized variation of the columnar structures of the film microstructure. This variation results in a discrete interface, which may lead to a localized loss of mechanical properties of the coating. This work presents the study of the mechanical behavior of these macroparticles when submitted to stresses induced by scratch tests with different normal loads. AISI H13 steel substrates were used in disc format for the deposition of a commercial coating based on tungsten carbide and amorphous carbon (WC / C). Interlayer of WC and amorphous carbon were deposited using the PVD technique. The mechanical properties of the coating and macroparticles were evaluated by combining instrumented indentation analyzes (Brucker Inc.'s - Hysitron Ti950) and numerical simulations using the Abaqus® finite element package produced by Dassault Systèmes. X-ray diffraction (XRD) techniques, X-ray excited photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM) and probe scanning microscopy (SPM) were used to characterize the microstructure and topography of samples. XRD and XPS analyzes indicated the presence of crystalline phases WC1-x. The use of the SPM technique allowed to observe that the macroparticles had a spherical shape above the surface of the base film, with heights up to 1.5 µm. SEM images of the cross-section of the coating revealed conical-shaped particulates in the portion below the surface of the base film to the interface with the substrate. The combined numerical / experimental instrumented indentation analysis indicated hardnesses of approximately 10 GPa for the coating and 5 GPa for the macroparticles. The results of the scratch tests performed on a UMT-2 tribometer from Bruker Inc. showed that normal loading can induce different mechanical behaviors of the macroparticles. At low normal loads, the macroparticles presented residual deformation and / or fragmentation. When high loads were applied, the macroparticles were detached from the film, resulting in voids with depths reaching the substrate. Thus, a transition was observed in the mechanical behavior of the macroparticles as a function of the load applied to the film surface. These mechanical behaviors are associated with the limit of resistance at the interface between columnar structures, where the occurrence of deformation and fragmentation modes assumes that the interface between the coating and the macroparticle remained intact after the passage of the scratcher. In the case of the detachment of the particulates, the efforts induced by the scratcher were sufficient to induce the failure of this interface, detachment the conical region of the macroparticle before the passage of the scratcher. This behavior was reproduced by numerical simulations of the scratch test, in which the limit of normal loading required to fail the interface between the macroparticle and the coating was observed. Thus, it was possible to observe in this work that the macroparticles present mechanical properties different from the base coating; the growth of these macroparticles leads to the formation of an interface between regions with different mechanical properties and, when submitted to mechanical scratching efforts, the macroparticles can be deformed, fragmented or detached from the coating, resulting in a possible loss of performance of the coated component.
 
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Data de Publicação
2019-10-22
 
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