ANALYSE EXPERIMENTALE ET MODELISATION MECANIQUE DU DELAMINAGE DE DEPOTS DLC SUR DES COMPOSANTS AUTOMOBILES - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2019

Experimental and Mechanical Analysis of Wear-Induced Delamination for DLC Coated Automotive Components

ANALYSE EXPERIMENTALE ET MODELISATION MECANIQUE DU DELAMINAGE DE DEPOTS DLC SUR DES COMPOSANTS AUTOMOBILES

Helmut Klöcker
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 850117

Résumé

DLC coatings behavior deposited onto M2 steel substrate was investigated experimentally and by mechanical models. M2-steel samples were coated with a WC-interlayer and different DLC thicknesses. After extensive characterization (residual stresses, micro-pillar compression), the samples were submitted to severe tribological loading to test the adherence of the interface. SEM observations of the coating after tribological loading show blisters (with partially cracked borders) forming a network oriented in the friction direction. This result cannot be reproduced by Rockwell indentation or scratch tests. FIB observations of several blisters, combined with local chemical analysis by EDX, revealed crack initiation inside the substrate material. Neighboring blisters interact with each other. During FIB milling they often coalesce and form a larger delaminated area. The last part of present PhD was dedicated to several mechanical models. First, the well-known Hertz contact theory allowed to determine the contact area. Based on this rough estimate, mesh-refinement was defined for three models. All models assume an existing “debonded” area. The first model is dedicated to the analysis of a single blister with a crack at the DLC-steel interface. The second model considered multiple blister interaction for the same interface crack position. Finally the 3rd model considers an “interface” crack some nm inside the M2-steel. The main conclusions of the different models may be summarized as follows: ●Single blister growth is favored by a crack inside the M2-steel ●Very high local friction loads are needed to produce blisters ●Blister interaction favors growth of existing blisters in the friction direction. Present PhD answered the question where debonding and subsequent delamination occurs. Moreover, the results show the validity of the tribological test to characterize coating wear. Blister growth and interaction were modelled satisfyingly.
Le comportement de revêtements DLC sur un substrat en acier M2 avec une couche intermédiaire en WC a été étudié expérimentalement et par des modèles mécaniques. Après une caractérisation poussée (contraintes résiduelles, compression des micro-piliers), les échantillons ont été soumis à un chargement tribologique. Des observations post mortem au MEB montrent des cloques (avec des bords partiellement fissurées) formant un réseau orienté dans la direction du frottement. Ce résultat ne peut pas être reproduit par les tests d'indentation ou de Rockwell. Les observations FIB de plusieurs blisters, combinées à une analyse chimique locale par EDX, ont révélé une initiation de fissure à l'intérieur du substrat. Les blisters voisins interagissent les uns avec les autres. Pendant la découpe FIB, ils coalescent pour former une zone délaminée plus grande. La dernière partie de la thèse est consacrée à 3 modèles éléments finis supposant l’existence d’une zone délaminée et un raffinement du maillage basé sur le modèle de Hertz. Le premier modèle considère un seul blister avec une fissure à l'interface acier-DLC. Le second modèle suppose l’existence de plusieurs blisters. Enfin, le 3ème modèle suppose une fissure quelques nm à l’intérieur de l’acier M2. Les principales conclusions des différents modèles peuvent être résumées comme suit: ● La formation de blisters simples est favorisée par une fissure à l'intérieur de l'acier M2. ● De très fortes charges de frottement locales sont nécessaires pour produire des blisters ● L'interaction des blisters favorise leur croissance dans le sens du frottement. La thèse a répondu à la question où se produisent le décollement et le délaminage ultérieur. De plus, les résultats montrent la validité du test tribologique pour caractériser l’usure des revêtements. La croissance et l'interaction des cloques ont été modélisées de manière satisfaisante.
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  • HAL Id : tel-04676003 , version 1

Citer

Helmut Klöcker. ANALYSE EXPERIMENTALE ET MODELISATION MECANIQUE DU DELAMINAGE DE DEPOTS DLC SUR DES COMPOSANTS AUTOMOBILES. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Université de Lyon, 2019. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04676003⟩
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