Contact stress field analysis on a flat coated substrate

To coat mechanical components, that will be subjected to contact load, has been a procedure aiming the reduction of the wearing in the substrate. However, these components could fail, generally by: excessive plastic flow, fracture, or delamination of the coat from its substrate. In this work, perfect interface between layer and substrate was considered. We have done a two-dimensional analysis, using finite element method, of the stress distribution arising when a plane coated body is subjected to a contact load by an elastic cylindrical indenter. We consider normal and tangential force. Both, substrate and indenter were made of Steel. Three different types of material were used as a coating: brass, ceramic and Steel. The last one was used for validation. The results are used to investigate the influence in the field stress from layer thickness, properties of the coating materiais and the friction coefficient that acts between the indenter and coating. The results show that there is an optimum thickness when the substrate is coated with ceramic. In this case, the substrate is more protected by the layer.Dissertação (Mestrado)A utilização de corpos revestidos sujeitos a tensões de contato tem sido uma opção importante na redução do desgaste superficial em uma vasta gama de corpos que vão desde órgãos humanos, passando por discos rígidos na computação até elementos de máquinas. Entretanto, mecanismos de falha podem ocorrer nestas situações. E ocorrem, geralmente, por três diferentes motivos: Escoamento plástico excessivo, fratura ou por delaminação do revestimento do seu substrato. Neste trabalho, considerou-se que uma interface idealmente perfeita existe entre o substrato e o revestimento. Face ao exposto, procedeu-se a uma análise bidimensional da distribuição das tensões de contato que surgem quando um semiplano infinito e revestido se sujeita ao contato de um indentador elástico e cilíndrico, utilizando-se o Método dos Elementos Finitos. Foram consideradas as situações em que havia carregamentos normal e tangencial. Três tipos de materiais foram usados como revestimentos: bronze, cerâmico (SiC) e aço. Este último foi utilizado na validação do modelo proposto. Os resultados foram utilizados para se investigar a influência que há no campo de tensões sempre que se variam os seguintes parâmetros: espessura da camada de revestimento, propriedades mecânicas dos materiais e coeficiente de atrito entre o revestimento e o indentador. Nas condições estudadas neste trabalho, foi possível observar que há uma influência muito pequena da força tangencial no campo de tensões de contato, quando o coeficiente de atrito é menor que 0,15. Os resultados mostram que há uma espessura ótima de camada quando o substrato é revestido com cerâmica, quando se mantém constante o coeficiente de atrito. Neste caso o substrato é melhor protegido pelo revestimento