Mikrostrukturentwicklung unter reversierender Reibbelastung bei variierender elastischer und plastischer Dehnung

Tribologie ist die Wissenschaft und Technik von aufeinander einwirkenden Oberflächen in Relativbewegung zueinander. Sie umfasst das Gebiet von Reibung und Verschleiß, einschließlich Schmierung. Die tribologische Performance ist abhängig von verschiedenen Einflüssen wie den gegebenen Umgebungsbedingungen, den miteinander gepaarten Materialien, den gewählten Parametern (z.B. Normalkraft, Gleitgeschwindigkeit und Gleitweg) sowie den Modellkontaktarten (z.B. Kugel-Scheibe, Scheibe-Scheibe). Zudem verändert die tribologische Belastung die Mikrostruktur von Reibkontakten und die Mikrostruktur beeinflusst wiederum die Reibung im Kontakt. ... mehr
Bisher wurden verschiedene Einflussgrößen wie Geschwindigkeit, Kraft, daraus resultierende Kontaktspannungen oder Dehnungsgradienten für unterschiedliche Materialien meist im Kontakt Kugel-Scheibe untersucht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der elastischen und plastischen Dehnung auf sauerstofffreies, hochreines Kupfer unter trockener tribologischer, reversierender Belastung in einem einfachen und übertragbaren System. Um ein solches System zu erhalten, wurde die Probenoberfläche mit einer geometrisch definierten Membranstruktur versehen. Die Erzeugung der Membranstruktur erfolgte durch Mikrofräsen. Dabei blieben zwei über die gesamte Probenoberfläche parallel verlaufende rechteckige Stege erhalten. Diese werden Membranen genannt. Durch eine konstante Membranbreite und variierende Membranhöhen konnten definierte elastische und plastische Dehnungszustände erzeugt werden. Es wurden die Oberflächen der Membranen als Grundkörper und transparente Saphirscheiben als Gegenkörper verwendet. Auf Grund ihrer hohen Härte kann eine Vermischung der Materialien vermieden werden, ihre Transparenz lässt im Experiment die Beobachtung des Kontaktverhaltens mittels High-Speed-Kamera zu.
Während des reversierenden Reibkontaktes veränderte sich die Mikrostruktur der Membranen wenige Mikrometer unterhalb der Kontaktoberfläche. Die durch tribologische Belastung im reversierenden trockenen Gleitkontakt entstandenen Mikrostrukturänderungen wurden mittels einer Kontaktspannung von 2,8 MPa unter 50 % relativer Luftfeuchtigkeit bei Raumtemperatur erzeugt. Die Durchführung der Versuche erfolgte mit einer Geschwindigkeit v = 500 μm/s und einem Gleitweg von s = 500 μm sowie der Gleitrichtung quer zu den Membranen. Die Belastungsdauer betrug 500 Zyklen. Die Untersuchungen der Oberflächenänderungen in Abhängigkeit der einzelnen Beanspruchungsparameter erfolgten lichtmikroskopisch. Mittels der verschiedenen Methoden der Elektronenmikroskopie konnte die Mikrostrukturentwicklung analysiert werden. Zusätzlich wurden Misorientierungen der Körner bestimmt und daraus Versetzungsdichten der geometrisch notwendigen Versetzungen (GND), deren Bewegung durch den Kristall als Hauptmechanismus plastischer Verformung verstanden wird, berechnet. Es zeigte sich, dass unterhalb der Kontaktoberfläche die Versetzungsdichte gegenüber dem Ausgangszustand anstieg.
Um Spannungs- und Dehnungszustand während des Versuchsablaufes definieren zu können, wurden Finite-Elemente Simulationen (FEM) verwendet.
Ausgehend von den experimentellen und simulativen Untersuchungen verdeutlicht die vorliegende Arbeit eine signifikante Abhängigkeit der Mikrostrukturentwicklung von der Steifigkeit der Membranstrukturen und den mit der Membranstruktur verbundenen elastischen und plastischen Dehnungsverteilungen. Geringere Steifigkeiten der Membranen zeigten einen signifikanten Einfluss auf das Kontaktverhalten. Dieses beeinflusste wiederum die Spannungs- und Dehnungsverteilung im Kontakt und veränderte somit die Mikrostruktur. Simulativ
(Finite-Elemente Analysen) konnten bei geringeren Steifigkeiten der Membranen höhere maximale Absolutwerte der elastischen Dehnungen an den Kanten beobachtet werden. Diese nahmen über die Membranoberfläche rapide ab. Neben einer größeren Nachgiebigkeit und einer damit verbundenen Kontaktänderung der Membranoberfläche, die eine Veränderung des Belastungskollektives zur Folge hatte, trat eine Änderung der Oberflächenbeschaffenheit auf. Im tribologischen Versuch wurde ein geringerer Reibkoeffizient ermittelt. Es kam zu geringeren Mikrostrukturänderungen, die sich in lokalen Kornfeinungen sowie geringen Misorientierungen zeigten. Membranen mit geringeren Steifigkeiten wiesen neben großen Dehnungsgradienten entlang der Oberfläche, geringere Kornfeinung und kleinere Versetzungsdichten auf. Sowohl Kornrotationen als auch Kornausrichtung blieben aus.
Die Ausnahme der Versuche bildeten die Membranen mit der höchsten Steifigkeit.
Die Auswertungen der Finite-Elemente Simulationen ergaben eine gleichmäßige Spannungsverteilung über die gesamte Oberfläche. Da nur geringfügig elastisches Verhalten auftrat, konnte die Belastungsart mit reinem Reibverhalten verglichen werden, das zusätzlich zu einer Ausrichtung der Körner parallel zur Gleitrichtung und Kornrotation führte. In Übereinstimmung mit der Literatur wurde ein Zusammenhang zwischen der Dehnung und der Kornausrichtung festgestellt. Durch die Bestimmung des Einflusses der elastischen und plastischen Dehnung auf die Mikrostruktur konnten erste Erkenntnisse über den signifikanten Einflussfaktor Dehnung und die daraus resultierende Entwicklung der Mikrostruktur geschaffen werden. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis für spätere praktische, tribologische Anwendungen. 

Tribology is defined as the science of interacting surfaces in relative motion. It includes the fields of friction, wear and lubrication. The tribological performance depends on several factors such as the environment conditions, the materials in contact (e.g. pin on disc, disc on disc), the selected parameters of the tribological test setup (e.g. normal load, sliding speed, stroke length) and the types of contact. Since the microstructure of the material under the contact strongly influences tribological performance, the ability to control this microstructure has a key role. ... mehrFor sliding interfaces, there is a significant lack of knowledge about the effect of the influencing parameters and the resulting mechanism of the microstructure evolution. Several parameters such as sliding speed or normal load were investigated for different materials, usually in contact sphere on disc. As a result, the aim of this work is to investigate the influence of elastic and plastic strain on the material in a simple tribological system. An ideal method to correlate this microstructure evolution with the plastic deformation focused on different elastic and plastic strains is to use samples with a morphological surface texture. We concentrate on model materials like oxygen-free high-purity copper. A copper plate is structured by micro-milling. Two rectangles parallel over the entire sample length are remain. The rectangle structure is called membrane-like structure. By keeping the width of the membranes constant and only varying their height, we are able to produce results in elastic and plastic strains. The surfaces of both membranes are in contact with a sapphire disc. Sapphire was chosen for its high hardness and optical transparency condition. The optical transparency is necessary for an
in-situ observation of the contact behavior using a high-speed-camera. The tribological properties are characterized in reciprocating motion under dry conditions. Experiments be performed with 50 % relative humidity and 25 °C. For the tribological experiments a sliding velocity of v = 500 µm/s, a stroke length of s = 500 µm, 500 cycles and a contact pressure of 2.8 MPa are chosen. The evolution of the surface topography due to the tribological experiments is investigated by light microscopy. The change of the microstructure is observed by Focus Ion Beam (FIB) cross-sections. The grain size, grain orientation and rotation are indicated by Electron Backscatter Diffraction (EBSD) and Scanning Transmission Electron Microscopy analysis (STEM). In addition, misorientations of the grains were determined and from this, dislocation densities of the geometrically necessary dislocations (GND), which are considered to plastic deformation, were calculated. It was found that beneath the contact surface the dislocation density increased compared to the initial state. Furthermore, a finite-element simulation (FEM) is performed to calculate the elastic and plastic stress and strain distributions in the membranes during the experiment. Based on the experimental investigations compared to simulations the different strain distributions depending on the various stiffnesses of the membranes shows a significant effect on the microstructure evolution. We found two different load configuration and as a consequence a change of the strain distributions in the contact material as an effect of the different aspect ratios. Also in the finite-element simulation membranes with less stiffness have higher maximum strains at the edges, which decrease rapidly across the membranes surfaces. To a lower stiffness a change in the contact behavior occurred. The surface topography of the membranes changed and a lower coefficient of friction were determined in the tribological experiments. Less evolution in microstructure occurred. Membranes with lower stiffness had higher strain gradient along the surface, less grain refinement and smaller GND densities occurred.
The exception is the membranes with smallest stiffness. The load configuration is dominated by the friction load. The maximum load and as a consequence the maximum strains are generated at the edges, but the distribution is more homogeneous. The measured coefficient of friction is comparable to the literature. The microstructure shows a layer, which includes grain refinement and different grain orientations. The grains are bend parallel to the last sliding direction. The membranes have the highest densities of geometric necessary dislocations. The density of geometric necessary dislocations is homogeneous distributed beneath the surface. A networks of geometrically necessary dislocations (GNDs) are formed beneath the layer.
In summary, these results strongly suggest that the stress and strain distribution is a key elementary parameter for the microstructure evolution under a tribological load. The distinct stress and strain distribution and the different contact mechanisms here are essential for future microstructure modeling. Together these results are parts of the basis for a subsequent application.