Процеси теплоперенесення та напружено-деформаційні поля у багатошарових наноструктурних системах

Abstract

В дисертаційній роботі розглядаються питання дослідження інтенсивності та динаміки процесів поширення теплового поля, вивчення еволюції та кінетики напружено-деформованого стану багатошарових наноструктурних покриттів ріжучих інструментів. В рамках поставлених задач комплексного дослідження процесів теплоперенесення, формування деформаційно-напружених полів, що виникають в ріжучому інструменті із нанесеним багатошаровим покриттям, були застосовані наступні методи: аналіз літературних джерел; метод скінченних елементів в дослідженні температурного поля; метод змінних напрямів (поздовжньо-поперечна схема); метод фазового простору в дослідженні термодеформаційних, термонапружених та напружено-деформаційних полів, графоаналітичний метод. У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми дисертаційної роботи, висвітлено мету, вказано об’єкт, предмет та сформульовані завдання дослідження, узагальнено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, перераховано кількісні показники виконаної роботи – перелік публікацій, із зазначенням особистого внеску автора, та відомостей про наукові публікації, в яких представлено апробацію результатів дослідження. Перший розділ «Термофізичний вплив багатошарового покриття на тепловий та напружено-деформаційний стан різальної пластини (літературний огляд)» присвячений аналізу інформації щодо досліджень, які проведені науковцями в рамках вказаного напрямку дисертаційної роботи. Розглядалось моделювання теплових та деформаційно-напружених процесів у різальній пластині із нанесеним багатошаровим покриттям під час дії теплового та механічного навантаження. Проведений аналіз методів та результатів дослідження поширення теплового потоку, особливостей формування деформаційно-напружених полів, впливу складу багатошарової структури на термозахисні функції покриття. Подані результати аналізу переваг та недоліків методів та моделей відповідних досліджень. Зроблені висновки щодо ефективності застосування вибраних методів дослідження. Встановлено, що моделювання та дослідження таких процесів неможливо провести ідеально через дуже складні механічні, термодинамічні та трибологічні взаємодії, що існують в деформаційних зонах із термонавантаженням. Другий розділ «Методика проведення досліджень та формування математичних моделей» присвячений методам, що використані для моделювання та дослідження процесів поширення теплового поля, графоаналітичному представленню деформаційно-напружених полів. Математичне моделювання теплових процесів в досліджуваному об’єкті базувалось на застосуванні рівняння теплопровідності у двохвимірному просторі із сформованими граничними умовами. Метод скінченних елементів та метод змінних напрямів (поздовжньо-поперечна схема) дозволив встановити значення температури у відповідних точках температурного поля ріжучої пластини. Графоаналітичний результат представлений для пластини без покриття, з одношаровими покриттями TiAlN та TiN, двошаровими TiСN/-Al2O3, TiAlN/-Al2O3 та ТіN/α-Al2O3/42CrMo4, та тришаровим покриттям TiCN/α-Al2O3/TiN. Для дослідження напружено-деформованого стану покриття був використаний високоінформативний графоаналітичний метод – метод фазового простору. Він був застосований для вивчення еволюції та кінетики напружено-деформаційних процесів, які відбуваються в багатошаровому покритті. Представлені основні теоретичні положення цього метода. Сформовані співвідношення, що дозволяють адекватно описати напружено-деформований стан системи. Третій розділ дисертаційної роботи «Процес поширення теплового поля в пластині із нанесеним покриттям» представляє результати дослідження температурного поля пластини із TiAlN та TiN, двошаровими TiСN/-Al2O3, TiAlN/-Al2O3 та ТіN/α-Al2O3/42CrMo4, та тришаровим покриттям TiCN/α-Al2O3/TiN. Аналіз результатів показав термозахисні функції покриттів, що пов’язано із зниженням інтенсивності теплового потоку при віддаленні від поверхні пластини за рахунок зміни трибологічних характеристик в нанесених покриттях. Результати показують, що при віддалені від поверхні структури на глибину, яка відповідає товщині першого нанесеного шару покриття, температура знижується на 36%. В той же час, при віддаленні від поверхні на аналогічну глибину, яка відповідає вже товщині двошарового покриття, температурний вплив зменшується на 60%. Порівнюючи структури із нанесеним покриттям, можна зробити висновок про те, що найбільша зона високої температури, яка близька до поверхні, отримується для TiCN/α-Al2O3, оскільки TiCN виявляє найвище значення теплопровідності серед досліджуваних покриттів. TiAlN і двошаровий TiAlN/α-Al2O3 дають найнижчі розрахункові температури в різальній пластині з покриттям і не відрізняються суттєво в розрахованих температурних полях. Обидва покривні матеріали характеризуються однаковими значеннями теплопровідності. Встановлено, що температура в цілому знижується у напряму до внутрішньої частини різальної пластини. Температура контактної поверхні є найвищою для підкладки, яка покрита TiAlN / α-Al2O3, тоді як найнижча – для різальної пластини без покриття, з різницею майже 100 К. У другому ряду елементів значно падає температура для всіх трьох підкладок з покриттям. Температура знижується через два ряди елементів (тобто 7 мкм) на > 150 К для TiAlN та TiAlN / α-Al2O3, тоді як для покриття TiCN / α-Al2O3 вона знижується на 80 К. Температура в матеріалі підкладки на глибині 7 мкм знижується на 30 К. Порівняння результатів показало, що розраховані температури в зоні контакту є найнижчими для підкладки без покриття. Встановлено, що температурне поле має більшу глибину поширення вглиб від поверхні для об’єктів без покриття, ніж для об’єктів з покриттями. Зроблено висновок про те, що наявність покриття на різальній пластині зменшує частину теплоти, яка передається вглиб матеріалу. З’являється можливість зменшення теплового навантаження на пластину за допомогою багатошарового покриття, яке буде містити шар з низькою теплопровідністю, наприклад, як Al2O3. Але, наявність шару з низькою теплопровідністю не суттєво впливає на теплове навантаження пластини при безперервному впливі теплового потоку. За результатами дослідження напружено-теплових процесів представлено фазові портрети для поверхні без покриття та поверхні із покриттям. У докритичній області, де Te ≤ Tc, це дало стійкий вузол в рамках методу фазової площини. Стійкий фокус характерний для пластин без покриття і з одношаровим покриттям. Пластини з двошаровим або тришаровим покриттям характеризуються збільшенням густини матеріалу та зменшенням теплового потоку від тертя в зоні впливу. Збільшення густини дислокацій у поверхневому покритті призводить до помітного ефекту релаксації напружень. Результати свідчать про те, що зростання параметра τ = τT/τε призводить до закручування траєкторій навколо особливої точки. Порівняльний аналіз фазових портретів різальних пластин без покриття, з одношаровим та багатошаровими покриттями показав взаємозв’язок між підвищенням температури джерела тепла та полем деформацій. В розділі показано, що для структури без покриття та з одношаровим покриттям спостерігається відносно повільна зміна температури та швидка зміна напружень. Зростання густини дислокацій у поверхневому двошаровому або тришаровому покритті приводить до відчутного впливу релаксації напруження. В четвертому розділі роботи «Деформаційно-напружений стан багатошарових систем» представлені дослідження напружено-деформаційних полів методом фазового простору. Сформовані фазові портрети, які показали, що у відповідній системі напруження та деформація набувають сталої величини, а відповідні фазові траєкторії системи описують зміну напружено-деформованого стану досліджуваних об’єктів навколо стаціонарної точки – вузла системи. Підвищення температури до показників пластичної деформації в багатошаровій системі покриття формує фазовий портрет, що відноситься до стаціонарного тертя ковзання. При дослідженні стаціонарного значення напружень і деформації встановлена зміна пластичних характеристик покриття із часом при реалізації різних переривчастих етапів температурного та механічного впливу. Дослідження кінетики системи, аналіз еволюції деформації і швидкості її зміни показали, що швидкість зміни деформації залежить від характеристик механічного впливу на покриття, відповідних характеристик напруження та деформації. Наявність двох ділянок (пружної та пластичної деформації) на відповідному фазовому портреті деформаційно-напруженого стану системи встановлює характеристики переходу системи від одного стану до іншого і дозволяє передбачити відповідні деформаційні процеси у покритті. У фазовому портреті напружено-деформованого стану системи показано варіювання впливом напруження в ріжучій пластині на деформаційні показники. Встановлено, що при повільній зміні напруження деформація структури зменшується дуже швидко для початкових значень. В іншому стані системи, верхня область фазового портрета демонструє конфігураційну точку, яка спочатку рухається по пластичній ділянці, а далі, із ростом значень напруження, спостерігається її рух по пружній траєкторії залежності. Вона показує умови переходу від пружних до пластичних деформацій в багатошаровій системі покриття різальної пластини. Кінетику зміни деформаційних характеристик системи вивчено шляхом відслідковування еволюції деформацій і дослідження швидкості їх зміни. Подано фазовий портрет, сформований при умові, що температура поверхонь тертя ріжучої пластини (контактних поверхонь) нижче критичної Тс. Фазові траєкторії системи показують, що відбувається переривчастий характер термічного впливу на відповідну структуру покриття під час проведення операції різання.

The scientific work is devoted to the study of the intensity and dynamics of thermal field propagation processes in multilayer nanostructured coatings of cutting tools based on TiN and TiCN, and the study of the stress-strain state of these structures. Within the framework of the tasks of a comprehensive study of heat transfer processes, the formation of deformation-stress fields that arise in plates with a multilayer coating, the following methods were applied: analysis of literary sources; finite element method in the study of the temperature field; method of alternating directions (longitudinal-transverse scheme); phase space method in the study of thermal deformation, thermal stress and stress-strain fields, graph-analytical method. The introduction substantiates the relevance of the chosen topic of the dissertation, highlights the goal, indicates the object, subject and formulated tasks of the research, summarizes the scientific novelty and practical value of the results obtained, lists the quantitative indicators of the work performed - a list of publications, indicating the personal contribution of the author and information about scientific publications in which the test results of the research are presented. The first section "Thermophysical effect of multilayer coating on thermal and stress-strain state of cutting insert (literature review)" is devoted to the analysis of information on research conducted by scientists within the specified direction of the dissertation work. The modeling of thermal and deformation-stress processes in a plate with a multilayer coating applied during the action of thermal load was considered. The methods and results of the study of the propagation of heat flux, the features of the formation of deformation-stress fields, the influence of the composition of the multilayer structure on the thermal protective functions of the coating were analyzed. The results of the analysis of the advantages and disadvantages of the methods and models of the relevant studies are presented. Conclusions are drawn regarding the effectiveness of the application of the selected research methods. It was established that modeling and research of such processes cannot be carried out ideally due to the very complex mechanical, thermodynamic and tribological interactions that exist in deformation zones with thermal loading. The second section "Methodology of research and formation of mathematical models" is devoted to the methods used for modeling and research of the processes of propagation of the thermal field, the graph-analytical representation of deformation-stress fields. Mathematical modeling of thermal processes in the studied object was based on the application of the heat conduction equation in two-dimensional space with the formed boundary conditions. The finite element method and the method of variable directions (longitudinal-transverse scheme) allowed us to establish the temperature values at the corresponding points of the temperature field of the plate. The graphoanalytic result is presented for an object without coating, with a single-layer coating of TiAlN and TiN, two-layer coatings of TiCN/-Al2O3, TiAlN/-Al2O3 and TiN/α-Al2O3/42CrMo4, and a three-layer coating of TiCN/α-Al2O3/TiN. To study the deformation process, a highly informative graphoanalytic method was used - the phase space method of studying the deformation system, establishing the dynamic amount of heat entering the plate material. The phase space method was applied in the study of thermal deformation, stress-strain fields. The third section of the dissertation work “Study of the thermal field propagation process in a coated plate” presents the results of the study of the temperature field of a plate with TiAlN and TiN, two-layer TiCN/-Al2O3, TiAlN/-Al2O3 and TiN/α-Al2O3/42CrMo4, and a three-layer TiCN/α-Al2O3/TiN coating. Analysis of the results showed the thermal protective functions of the coatings, which is associated with a decrease in the intensity of the heat flow into the plate due to changes in the tribological characteristics of the applied coatings. The results show that when passing through a single-layer coating, the temperature decreases by 36%, while when passing through a two-layer coating of similar thickness, the temperature load decreases by 60%, which allows to significantly reduce the temperature load on the plate material. Comparing the structures with the applied coating, it can be concluded that the largest high-temperature zone close to the surface is obtained for TiCN/α-Al2O3. This is expected, since TiCN exhibits the highest thermal conductivity value among the studied coatings. TiAlN and two-layer TiAlN/α-Al2O3 give the lowest calculated temperatures in the coated substrate and do not differ significantly in the calculated temperature fields. Both coating materials are characterized by the same thermal conductivity values. It is established that the temperature generally decreases towards the inner part of the studied structure. The contact surface temperature is the highest for the TiAlN/α-Al2O3 coated substrate, while the lowest is for the uncoated substrate with a difference of almost 100К. In the second row of elements, the temperature drops significantly for all three coated substrates. The temperature decreases through two rows of elements (i.e. 7 μm) by >150К for TiAlN and TiAlN/α-Al2O3, while for the TiCN/α-Al2O3 coating it decreases by 80К. The temperature in the substrate material at a depth of 7 μm decreases by 30К. A comparison of the results showed that the calculated temperatures in the contact zone are the lowest for the uncoated substrate. It was found that the higher temperatures inside the tool are greater for the uncoated tools than for the coated tools. It was found that for the TiCN/-Al2O3 coated tool, the largest high temperature zone is observed, which is close to the surface of the corresponding structure. The results of the study showed that a coating with low thermal conductivity can be used as a heat shield. It was concluded that the presence of a coating on the plate reduces part of the heat that is transferred into the depth of the material. It is possible to reduce the thermal load on the plate using a multilayer coating that will contain a layer with low thermal conductivity, for example, such as Al2O3. However, the presence of a layer with low thermal conductivity does not significantly affect the thermal load of the plate under continuous exposure to heat flux. As a result of the study of stress-thermal processes, phase portraits for the stress considered for the surface without coating and the surface with coating are presented. In the subcritical region, where Te ≤ Tc, this gave a stable node within the framework of the phase plane method. A stable focus is characteristic of plates without coating and with a single-layer coating. Plates with a two-layer or three-layer coating are characterized by an increase in material density and a decrease in heat flux from friction in the zone of influence. The increase in the dislocation density in the surface coating leads to a noticeable effect of stress relaxation. The results indicate that the increase in the parameter τ = τT/τε leads to twisting of the trajectories around a singular point. Comparative analysis of the phase portraits of the plates without coating, with single-layer and multilayer coatings showed the relationship between the increase in the temperature of the heat source and the strain field. The section shows that for the surface without coating and with single-layer coating, a relatively slow change in temperature and a rapid change in stresses are observed. The increase in the dislocation density in the surface two-layer or three-layer coating leads to a noticeable effect of stress relaxation. The fourth section of the work “Study of the deformation-stress field in multilayer systems by the phase space method” presents the study of stress-strain fields by the phase space method. Two isoclines of phase portraits formed the state of the system in which stress and strain acquire a constant value, and the corresponding phase trajectories of the system describe the change in the stress-strain state of the studied objects around the stationary point - the node of the system. Different forms of phase portraits characterized the influence of the parameters of mechanical impact on the coating material. Increasing the temperature to the indicators of plastic deformation in a multilayer coating system forms a phase portrait related to stationary sliding friction. When studying the stationary value of stresses and strains, a change in the plastic characteristics of the coating with time was established during the implementation of various intermittent stages of temperature and mechanical impact. The stationary point in the system characterizes the behavior of the material without a coating. The studies of the kinetics of the system, analysis of the evolution of deformation and the rate of its change showed that the rate of change of deformation depends on the characteristics of the mechanical effect on the coating, the corresponding characteristics of stress and deformation. The presence of two sections (elastic and plastic deformation) on the corresponding phase portrait of the deformation-stressed state of the system establishes the characteristics of the transition of the system from one state to another and allows us to predict the corresponding deformation processes in the coating. The phase portrait of the stress-strain state of the system shows the variation of the influence of stress in the cutting insert on the deformation indicators. It is established that with a slow change in stress, the deformation of the structure decreases very quickly for the initial values. In another state of the system, the upper region of the phase portrait demonstrates a configuration point, which first moves along the plastic section, and then, with increasing stress values, its movement along the elastic trajectory of dependence is observed. It shows the conditions of transition from elastic to plastic deformations in the multilayer system of the cutting insert coating. The kinetics of the change in the deformation characteristics of the system was studied by tracking the evolution of deformations and studying the rate of their change. A phase portrait is presented, formed under the condition that the temperature of the friction surfaces of the cutting plate (contact surfaces) is below the critical Tc. The phase trajectories of the system show that there is an intermittent nature of the thermal effect on the corresponding coating structure during the cutting operation.