| Titel | Erweiterung der Hertz’schen Theorie für beschichtete Systeme mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode |
| Autor | P. W. Gold, J. Loos, H. Elgeti, Hagen Elgeti |
| Infos zum Autor | Univ.-Prof. Dr.-Ing. P. W. Gold., Dr.-Ing. J. Loos, Dipl.-Ing. H. Elgeti Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) RWTH-Aachen Schinkelstr. 10 52062 Aachen Tel: +49-241-809-5601 Fax: +49-241-809-2256 |
| Inhalt | Zusammenfassung Um anspruchsvolle Tribosysteme technisch realisieren zu können, kommen immer häufiger PVD-beschichtete Systeme zum Einsatz. Da die PVD-Schichten i. A. ein anderes elastisches Verhalten aufweisen als Stahl, können die im Verbund auftretenden Spannungen nicht mehr mit der Kontakttheorie nach Hertz bestimmt werden. Darüber hinaus sind neben der max. Vergleichsspannung nach von Mises im Substrat auch die max. Hauptspannung in der Schicht, sowie die Delaminierungsschubspannung im Übergang zu bestimmen, da diese drei Spannungen für unterschiedliche Versagensformen von Schicht-Substrat-Systemen verantwortlich sind. Die Bestimmung dieser Spannungen erfolgte für unterschiedliche Kugel-Scheiben-Systeme mit Hilfe der Finite- Elemente-Methode (FEM), wobei sowohl die geometrischen als auch die elastischen Parameter verändert worden sind. Mit Hilfe dieser Parametervariationen konnte ein breites Kennfeld abgedeckt und aus den Ergebnissen jeweils eine Näherungsfunktion abgeleitet werden. Diese dimensionslosen Funktionen beschreiben dabei das Verhältnis der jeweiligen Spannung zur theoretischen Hertz’schen Vergleichsspannung in Abhängigkeit des Verhältnisses der theoretischen Kontaktbreite nach Hertz zur Schichtdicke. Somit liefern diese Funktionen Korrekturfaktoren, mit denen eine Erweiterung der Hertz’schen Theorie für beschichtete Systeme erzielt worden ist. Abstract When constructing sophisticated tribological systems, PVD surface coating becomes more and more common. Since the PVD layer usually shows an elastic behaviour that differs from the one given by the steel basis, the stresses in the composite can not be described by the Hertz theory of contact. In addition, the maximum von Mises stress in the substrate, the maximum principal stress in the coating and the delamination shear stress in the interface have to be calculated, since they are each responsible for different failure modes of the composite. These stresses are computed for several sphere-plane-systems, using the finite element method. Variations were made to the geometric as well as to the elasticity parameters. Using these input parameters, a broad range of results could be generated and furthermore be approximated by a mathematical function. These functions give the factor relating each stress mode to the comparison stress indicated by the Hertz theory, making use of the theoretical contact length given by Hertz theory and the deposit thickness. These factors are used to adapt the Hertz theory to coated systems. |
| Datum | 2006 |
