A demanda por componentes mais resistentes ao desgaste e à corrosão tem promovido um interesse crescente da engenharia de superfícies que desenvolve processos para melhoria das propriedades tribológicas de materiais. O uso de revestimentos cerâmicos tem sido uma opção utilizada para melhorar estas propriedades mecânicas superficiais. Contudo se faz necessário o desenvolvimento de ensaios para avaliação do comportamento mecânico do filme e da sua interface com o substrato, o que requer equipamentos sofisticados, mão de obra especializada, acarretando altos custos operacionais. Com o avanço dos sistemas computacionais, a utilização da análise numérica para solucionar inúmeros problemas tecnológicos tem sido cada vez mais frequente e atualmente permite a sua implementação a baixos custos de processo. Neste trabalho, propõe-se a utilização do Método dos Elementos Finitos, através de um software comercial, para simular o ensaio de indentação com penetradores esféricos em conjugados compostos de substrato metálico e filme cerâmico com diferentes espessuras. Porém a utilização de técnica numérica para avaliar o ensaio de indentação em recobrimentos superficiais finos também tem apresentado desafios, principalmente na obtenção do comportamento mecânico do conjugado. Para melhor representar o ensaio de indentação foram considerados o efeito do coeficiente de atrito entre o penetrador e o recobrimento para, em seguida, serem analisados os campos de tensões e de deformações no conjugado para diferentes profundidades de penetração.

The demand for components more resistant to wear and corrosion has promoted a growing interest in the surface engineering that develops processes to improve the tribological properties of materials. The use of ceramic coating has been an option used to improve the surface of mechanical properties. However, it is necessary to use tests to evaluate the mechanical behavior of the film and its interface with the substrate, which requires sophisticated equipment, skilled labor and consequently expensive cost. As computer systems have been improving recently, the use of numerical analysis to solve many technological problems has been increasingly frequent and current. Consequently, it allows its implementation with a low cost. This paper proposes to use the Finite Element Method (FEM) to simulate the indentation test with spherical indenters in conjugated compounds of metal substrate and ceramic film with different thicknesses, using commercial software. However, the use of this numerical technique to evaluate the indentation testing also has had problems in obtaining the mechanical properties of the conjugate. In this work, the numerical model also includes the effects of friction between the penetrator and the film to analyze the fields of stresses and strains along the different penetration depths.

O ensaio piramidal Vickers é uma técnica utilizada há décadas para avaliação da dureza superficial de materiais metálicos, cerâmicos, compósitos e, recentemente, filmes finos. Diversos estudos têm sido desenvolvidos a fim de utilizar esta metodologia como ferramenta para avaliação de outras propriedades mecânicas como, por exemplo, a tenacidade à fratura. Contudo, a sua implementação na determinação desta propriedade mecânica e os seus resultados ainda ocasionam dúvidas no meio científico. Estas dúvidas são mais intensas quando se pretende analisar materiais com comportamento frágil. Por isso, utilizou-se um modelo numérico através do método dos elementos finitos para avaliar os campos de tensões e de deformações durante o ciclo de indentação, auxiliando em uma interpretação mais segura deste ensaio. No presente trabalho, obteve-se o comportamento da curva carga versus deslocamento para o ensaio Vickers em uma amostra de carboneto de tungstênio com cobalto e em uma amostra de alumina. Também foram encontrados os valores numéricos da dureza superficial destes dois materiais. Estes resultados se encontram compatíveis com os dados experimentais presentes na literatura especializada, mostrando que o modelo numérico foi capaz de representar o comportamento global deste ensaio. Por fim, foi determinada a distribuição da máxima tensão principal e das deformações para o ciclo de carregamento e descarregamento do teste, utilizando-se um modelo numérico de trinca difusa. Baseado nestes resultados de tensões e de deformações estudou-se os mecanismos de nucleação e de crescimento de trincas que ocorrem nestes materiais sob ensaios de indentação piramidais.

The experimental indentation testing is a methodology used during decades to obtain the surface hardness of different kinds of materials. Nowadays, these tests have been reported in the literature as a reliable tool for mechanical properties determination, such as hardness, Young modulus, yielding stress and fracture toughness. However, the implementation of this indentation technique to evaluate the mechanical properties and also the results therefrom obtained has still brought doubts on research areas. These doubts are really intense when they involve problems which aim to analyse the mechanical behaviour of brittle materials. Because of those testing analysis limitations, the use of a numerical technique, able to evaluate the stress and strain fields during the indentation cycle, may help on a more accurate interpretation of the testing. In this study, the numerical simulation of Vickers hardness testing is modelled with three-dimensional elements making use of commercial explicit finite element code. Two different brittle materials were analyzed, tungsten carbide with cobalt and alumina. The numerical analysis indicated that the model represents well the strain and stress fields during the loading and unloading phases of the Vickers indentation cycle. Those results were found to agree well with the experimental trends presented in the literature. Finally, a diffuse crack constitutive model was used to identify the most probable crack nucleation sites that usually occur during real indentation testing.

O objetivo principal do presente trabalho foi simular através de modelos de elementos finitos o ciclo do ensaio de indentação com penetradores esféricos em um sistema composto de recobrimento superficial fino depositado em um substrato metálico. Recentes trabalhos propõem a utilização dos ensaios de indentação (nanoindentação) como uma ferramenta capaz de avaliar características mecânicas de filmes finos, assim como avaliar possíveis falhas em sistemas que conjugam recobrimentos de alta dureza (recobrimentos tribológicos) com substratos metálicos de aço em serviço, em solicitações tribológicas. Entretanto, a implementação da técnica de indentação para a avaliação do comportamento destes sistemas e os seus resultados obtidos ocasionam dúvidas no meio científico. Em função destas incertezas na análise do ensaio de indentação, o uso de uma metodologia numérica capaz de avaliar os campos de tensões e de deformações durante o ciclo de indentação pode auxiliar em uma interpretação mais segura deste ensaio. Todavia, a utilização da metodologia numérica para avaliar o ensaio de indentação em recobrimentos superficiais finos também tem apresentado problemas principalmente devido à dificuldade na implementação de critérios de falhas, especialmente na avaliação do comportamento da interface entre o recobrimento e o substrato. Finalmente, para estudar os mecanismos de nucleação e crescimento de trincas que ocorrem nestes filmes sob ensaio de indentação utilizou-se um modelo numérico de trinca difusa.

The aim of the present study was simulate the cycle of indentation test with spherical indenters in a system composed of thin surface coating deposited on a metallic substrate through PVD process by finite element models. Recent studies suggest that the indentation technique could be used as a tool to evaluate mechanical properties of thin films, as well as to determinate the fracture process in systems that combine high hardness coatings, like stainless steel substrates, in tribological applications. However, the implementation of this technique to evaluate the behaviour of these systems and their results, have still been doubts in the scientific community. Because of these uncertainties in the analysis of indentation test, the use a numerical methodology capable of evaluating the fields of stresses and deformation during the indentation cycle can help in a more secure interpretation of this testing. Nevertheless, the use of the numerical methodology to evaluate the indentation test in thin surface coatings also has had problems mainly due to the difficulty in implementing failures models, especially in determinating the behaviour for the interface between the coating and the substrate. Finally, it was used a numerical cracking model to study the mechanisms of nucleation and growth of cracks that occur in these films during indentation test.

O teste de indentação Vickers tem sido muito utilizado para avaliação da dureza superficial em diferentes tipos de materiais. Devido à sua versatilidade, esta metodologia também é utilizada para avaliar diferentes propriedades mecânicas, como o módulo de Young (E) e a tenacidade à fratura (K IC), principalmente em materiais sinterizados como, por exemplo, o carboneto de tungstênio com cobalto (WC-Co). Este material é usado na fabricação de ferramentas de corte, uma vez que possui altas dureza e resistência à compressão, porém baixa tenacidade à fratura, diminuindo sua vida útil quando submetido a severas condições de desgastes. Entretanto, devido a essas características mecânicas peculiares, o WC-Co apresenta análise difícil através dos ensaios convencionais, principalmente para avaliação da tenacidade à fratura. Por isso, o objetivo do presente trabalho foi avaliar experimentalmente a dureza e a tenacidade à fratura de duas pastilhas comerciais de carboneto de tungstênio contendo cobalto a partir do ensaio Vickers. Um procedimento simples e barato de preparação da amostra consistiu de um polimento seletivo foi utilizado com o intuito de se evitar tensões residuais superficiais. Em seguida, avaliou-se a distribuição dos carbonetos de tungstênio na matriz de cobalto através da microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados desta análise mostraram uniformidade na dispersão do carboneto de tungstênio na matriz de cobalto, indicando que o processo de preparação da amostra não acarretou grandes tensões residuais superficiais. Determinaram-se os valores de dureza e de tenacidade à fratura das pastilhas estudadas e estes resultados se mostraram de acordo com os dados encontrados na literatura.

The Vickers indentation testing is commonly used for hardness surface measurement for different types of materials. This testing method is quite versatile and it is used to evaluate different mechanical properties, such as Young modulus (E) and fracture toughness (KIC), particularly in sintered materials like the tungsten carbide with cobalt (WC-Co). This material is used in the manufacturing of cutting tools, once it has very high surface hardness and also compression strength, although low fracture toughness values, which decreases its service life when submitted to high wear conditions. However, due to those peculiar mechanical properties, the WC-Co presents difficult analysis through conventional testing techniques, mainly considering fracture toughness evaluation. For that reason, the aim of this work was to evaluate experimentally the hardness and fracture toughness in two commercial tools, made of tungsten carbide with cobalt, through Vickers indentation testing. A simple and low cost procedure of sample preparation was used, consisted of a selective polishing, in order to avoid superficial residual stresses. In sequence, the scanning electron microscope (SEM) was used to evaluate the distribution of tungsten carbide in the cobalt matrix. The results of this analysis have shown uniformity in the tungsten carbide dispersion in the cobalt matrix, indicating that the sample preparation process did not create great values of superficial residual stresses. The experimental hardness and fracture toughness values were obtained, which have agreed with the ones found in the literature.