Προσδιορισμός Κατανομών Μηχανικών Ιδιοτήτων στην Κατεύθυνση του Βάθους PVD Επικαλύψεων μέσω νάνο-διεισδύσεων και εξήγηση της συμπεριφοράς φθοράς τους κατά τη δοκιμασία της επαναλαμβανόμενης κρούσης και κατά το φραιζάρισμα

Πρόλογος

Η εκπόνηση της παρούσας διατριβής έγινε στα πλαίσια της εργασίας μου ως Επιστημονικού Συνεργάτη στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης.
Με το πέρας της παρούσας εργασίας νοιώθω την ανάγκη να εκφράσω την απέραντη ευγνωμοσύνη μου και τις ευχαριστίες μου στον επιβλέποντα καθηγητή μου και διευθυντή του Εργαστηρίου Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας κ. Κ.-Δ. Μπουζάκη, ο οποίος με τη συνεχή καθοδήγησή του, τις γνώσεις του και την πολύχρονη πείρα του συνέβαλε καθοριστικά στην επιτυχή ολοκλήρωση των προσπαθειών που κατέβαλα. Χωρίς την καθημερινή επαφή, την τριβή, την πίεση και το ανεξάντλητο μεράκι του για έρευνα η ολοκλήρωση της εργασίας αυτής δε θα ήταν κατορθωτή. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους κυρίους Αν. Καθ. Κ. Ευσταθίου και Καθ. Δ. Τσιπά, που συνεπικούρησαν στην εργασία αυτή ως μέλη της τριμελούς επιτροπής καθώς και τη Λεκτ. Ε. Παυλίδου του τμήματος Φυσικής, που ήταν πρόθυμη να συνδράμει όποτε χρειάστηκα τη βοήθεια της σε επίπεδο ηλεκτρονικής μικροσκοπίας.
Οι λαοί για να ευχαριστήσουν τους ήρωες τους συνήθως στήνουν ανδριάντες. Οι δικοί μου ανδριάντες θα έπρεπε να στηθούν για τον πατέρα μου Νέστορα και τη μητέρα μου Παραδείσα που τόσο με την υλική τους συνδρομή όσο και με την απέραντη ηθική τους συμπαράσταση έκαναν κατορθωτή την επίτευξη όλων των στόχων που έβαλα μέχρι στιγμής στη ζωή μου. Επίσης, θα ήθελα να εκφράσω ένα μεγάλο ευχαριστώ στα αδέρφια μου Λεύκια και Αντρέα για την στήριξη που μου παρείχαν όλα τα χρόνια των σπουδών μου.
Φυσικά, θα ήταν μεγάλη παράληψη να αμελήσω να ευχαριστήσω όλους τους φίλους και συνεργάτες, με τους οποίους εργάστηκα όλη αυτή την περίοδο στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας του ΑΠΘ, για την αγαστή συνεργασία τους και την πολύ φιλική τους αντιμετώπιση. Στα πρώτα στάδια της διατριβής μου είχα την τιμή να γνωρίσω στο ΕΕΔΜ έναν ονειροπόλο, ευαίσθητο και αυθόρμητο ερευνητή, τον Γρηγόρη Κουτούπα, ο οποίος κάθε μέρα με ενέπνεε πνευματικά και του οποίου ο χαμός, ακόμη και σήμερα, φαντάζει στο μυαλό μου απίστευτος.
Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τη σύντροφό μου Μάχη Ζιακοπούλου, που με υπομονή, στοργή και αγάπη με στήριξε ηθικά όλα τα χρόνια που διήρκησε η διδακτορική μου διατριβή.

Πίνακας περιεχομένων

1. Εισαγωγή
2. Στάθμη γνώσεων
   • Σκληρές επικαλύψεις παραγόμενες με φυσική εναπόθεση ατμών (PVD)
   • Μηχανισμοί διάχυσης που επενεργούν κατά τις ανοπτήσεις
   • Κοπτικά εργαλεία σκληρομετάλλου
   • Προσδιορισμός μηχανικών ιδιοτήτων, ιδιοτήτων συνάφειας και κόπωσης των επικαλύψεων μέσω διαφόρων δοκιμασιών
   • Περιφερικό φραιζάρισμα
3. Σκοπός Εργασίας
4. Πειραματικές διατάξεις
   • CNC κέντρο φραιζαρίσματος, δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης
   • Συσκευή νάνο-διείσδυσης
   • Διάταξη τραχυμέτρησης
   • Συσκευή μέτρησης του πάχους επικάλυψης μέσω απόξεσης
   • Διάταξη θέρμανσης πλακιδίων
   • Μικροσκόπια
5. Καθορισμός της πραγματικής γεωμετρίας στην ακμή των εισβολέων Berkovich και Vickers μέσω FEM προσομοίωσης, λαμβάνοντας υπόψη την πορεία της γενικευμένης σκληρότητας καθόλη τη νάνο-διείσδυση, για την εύρεση των πραγματικών ιδιοτήτων αντοχής διαφόρων υλικών
   • Εισαγωγή
   • FEM μοντέλο προσομοίωσης της διαδικασίας νάνο-διείσδυσης και δημιουργία αλγόριθμου με αρχικό σκοπό τον υπολογισμό των αποκλίσεων μορφής και τελικό στόχο την εύρεση των πραγματικών καμπύλων τάσης-παραμόρφωσης
   • Διαδικασία προσδιορισμού των ισοδύναμων αποκλίσεων μορφής στην ακμή των εισβολέων
   • Επίδραση της τραχύτητας του υλικού στην ακρίβεια των αποτελεσμάτων νάνο-σκληρομέτρησης
   • Επίδραση των ισοδύναμων αποκλίσεων μορφής του εισβολέα στα αναλυτικά αποτελέσματα μέσω FEM και σύγκριση των ελαστοπλαστικών νόμων παραμόρφωσης διαφόρων υλικών χρησιμοποιώντας δύο εισβολείς
6. Προσδιορισμός επιφανειακών και εσωτερικών μηχανικών ιδιοτήτων επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων με διάφορα πάχη και σκληρότητες
   • Εισαγωγή
   • Εύρεση των καμπυλών βάθους – δύναμης διείσδυσης σε όλα τα κοπτικά πλακίδια μέσω νάνο-διεισδύσεων με δύναμη F=15 mN
   • Εύρεση των επιφανειακών μηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόμενων επικαλύψεων μέσω FEM προσομοίωσης λαμβάνοντας υπόψη τις καμπύλες βάθους-διείσδυσης
   • Μεθοδολογίες εύρεσης εσωτερικών μηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόμενων επικαλύψεων
   • Πειραματικά αποτελέσματα ανοπτήσεων στα επικαλυμμένα κοπτικά πλακίδια διαφόρων παχών
   • Τρόπος διαχωρισμού των διαφόρων παχών επικαλύψεων στις επιμέρους στοιβάδες και εύρεση των εσωτερικών ορίων διαρροής σε δύο παχιές επικαλύψεις ανάλογα με την κάθε μεθοδολογία
7. Επίδραση του πάχους επικάλυψης, της μηχανικής αντοχής και των ιδιοτήτων σκληρότητας στην απόδοση κοπής και στην αντοχή σε κόπωση PVD επικαλυμμένων εργαλείων με διάφορα πάχη και σκληρότητες
   • Κινηματική και μοντέλο προσομοίωσης της κοπής με τη βοήθεια των πεπερασμένων στοιχείων
   • Επίδραση του πάχους και της σκληρότητας στην συμπεριφορά φθοράς κατά το φραιζάρισμα επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων από σκληρομέταλλο
   • Έλεγχος αντοχής σε κόπωση των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων με διάφορα πάχη και σκληρότητες μέσω του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης
   • Αποτελέσματα FEM προσομοιώσεων του φραιζαρίσματος για την εξήγηση των πειραματικών αποτελεσμάτων φθοράς των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων με διάφορα πάχη και σκληρότητες
8. Απόδοση κοπής κατά το φραιζάρισμα κοπτικών πλακιδίων επικαλυμμένων με διάφορα κατανεμημένα φιλμ ποικίλων παχών στην κοπτική ακμή
   • Εισαγωγή
   • Διαχωρισμός κοπτικών πλακιδίων σε ομάδες ανάλογα με τα μετρημένα πάχη στις επιφάνειες ελευθερίας και αποβλίττου και νάνο-διεισδύσεις στις αντίστοιχες επιφάνειες
   • Η επίδραση του πάχους επικάλυψης των επιφανειών αποβλίττου και ελευθερίας στην συμπεριφορά φθοράς κατά το φραιζάρισμα
   • Μοντέλα FEM προσομοίωσης της κοπής για τα διαφορετικά κατανεμημένα φιλμ πάχους έτσι ώστε να λαμβάνονται υπόψη οι διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες των φιλμ
   • Υπολογισμός των τεχνολογικών δεδομένων που εισάγονται στα μοντέλα FEM της κοπής
   • Αναλυτικά αποτελέσματα μέσω FEM προσομοιώσεων της κοπής για επεξήγηση της συμπεριφοράς φθοράς των διαφόρων περιπτώσεων κατανομής πάχους
9. Σύνοψη και συμπεράσματα
10. Βιβλιογραφία
11. Εκτενής περίληψη στα αγγλικά