Structure evolution in tribological interfaces studied by multilayer model alloys

Das Verständnis von Reibung und Verschleiß metallischer Oberflächen ist eine kontinuierliche Herausforderung für Ingenieure und Wissenschaftler – würde man die industriellen Prozesse des 21. Jahrhunderts insgesamt betrachten, ergäbe sich eine beachtlicher Energieaufwand durch Reibungsprozesse mit entsprechend großen wirtschaftlichen Auswirkungen. Es ist darüber hinaus sehr schwierig, Reibung und Verschleiß metallischer Oberflächen vorherzusagen, wenn der Einfluss der Randzonenverformung berücksichtigt werden soll. Studien zu den Verformungsmechanismen von Metallen und Legierungen ermöglichen ein besseres Verständnis der Reibungs- und Verschleißmechanismen von Werkstoffen mit genau definierten Ausgangsgefügen. ... mehrIn diesem Rahmen wurde in der vorliegenden Arbeit der Einfluss der Randzonenverformung auf das gemessene Reibungs- und Verschleißverhalten über eine systematische experimentelle Studie an einem Au-Ni-Multilagenmodellsystem untersucht.
Die Reibexperimente, die an Au-Ni-Multilagenproben unter Ultrahochvakuumbedingungen (UHV) durchgeführt wurden, zeigten, dass die Dicke der einzelnen Schichten im Multilagensystem einen starken Einfluss auf die Reibung hat. Grund dafür ist der Übergang der vorherrschenden Verformungsmechanismen nahe der Oberfläche. Die Versuche geben auch einen neuen Ansatz vor für metallische Systeme in trockener und sauberer Umgebung vor: Die Verringerung der Reibkraft kann durch stabile Gefüge, z.B. über Legierungen, erreicht werden. Durch die ultrafeinen Körner, die durch mechanische Vermischung gebildet wurden, erhöht sich die Zahl der Korngrenzen. Die Verformung über die Korngrenzen ergibt einen niedrigen Reibungskoeffizienten. Mit zunehmender Zyklenzahl bildete sich ein metastabiles Gefüge aus Au und Ni, das bis zum Bruch der Triboschicht erhalten blieb.
Um den Einfluss der Umgebung auf Reibung und Verschleiß metallischer Werkstoffe zu betrachten, wurde der zweite Teil der Versuche unter definierter Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Wie bereits unter UHV-Bedingungen wurde ein deutlicher Anstieg des Reibungskoeffizienten mit zunehmender Schichtdicke gefunden. Die Reibungskräfte waren jedoch insgesamt höher als unter UHV-Bedingungen. Aufgrund der anderen Grenzflächeneigenschaften wurde verglichen zu den UHV-Bedingungen ein unterschiedliches Verschleißverhalten als auch eine andere Randzonengefügeentwicklung gefunden.

Understanding of the governance of friction and wear of metallic surfaces is of an on-going endeavor for engineers and scientists since when examining the industrial world of the 21st century; one would definitely meet with a considerable amount of energy dissipation during friction processes that brings about huge economic impact. Furthermore, it becomes extremely difficult to predict friction and wear behavior of metallic surfaces when the influence of sub-surface deformations during sliding is taken into account. Recent studies of deformation mechanisms of metals and alloys pioneer the better investigation of the friction and wear behavior of materials with well-defined initial microstructures. ... mehrWithin this scope, in this thesis, the effect of sub-surface deformations on the resulting friction and wear behavior has been searched by means of a systematic experimental study on Au-Ni metallic multilayer model alloy system.
The sliding experiments performed with Au-Ni multilayer samples under ultrahigh vacuum (UHV) conditions demonstrated that the individual layer thickness of multilayer systems has a strong impact on friction due to the transition in the dominant deformation mechanism near the surface. The experiments also prescribed a new route for lowering the friction force of metallic material systems in dry, clean contact by providing more stable microstructures (i.e alloy formation). Through the ultrafine grains formed by mechanical mixing the number of grain boundaries increased and hence, grain boundary-mediated deformation resulted in the low friction coefficient. As the number of sliding cycles increased, the formation of the metastable microstructure between Au and Ni metals has been maintained to a certain extent (i.e. up to the fracture of the tribolayer).
In an attempt to contribute to the examination on the effect of the environment on friction and wear of metallic materials, the second part of the experiments has been carried out in a controlled N2 atmosphere. Although a significant increase of the COF with increasing layer thickness has been found as already encountered under UHV conditions, the friction forces were higher than that observed in vacuum. Distinctive microstructure evolution as well as wear behavior has also been obtained due to the different interface characteristics during sliding.