Tribologisch induzierte Verformungsmechanismen und Reibung in Abhängigkeit von der Kristallorientierung in Kupfer

In Anbetracht der fortschreitenden Klimakatastrophe erschien die Minimierung von Reibung und Verschleiß technischer Systeme mit dem Ziel geringerer Energiedissipation nie dringlicher als heute. Hierzu ist ein grundlegendes Verständnis der in tribologisch belasteten Metalloberflächen ablaufenden Verformungsmechanismen sowie deren Verknüpfung mit der Reibung unabdingbar. Es ist bekannt, dass tribologisch induzierte Mikrostrukturentwicklung auf Basis versetzungsbasierter Plastizität die Entwicklung von Reibung und Verschleiß entscheidend beeinflusst. Zwar steht fest, dass die kristallographische Orientierung einkristalliner Metalle die Ausrichtung der Gleitsysteme hinsichtlich der tribologischen Belastung beeinflusst, also eine Anisotropie von Mikrostrukturentwicklung und Reibung zu erwarten ist. ... mehrDabei ist jedoch insbesondere die anfängliche und langfristige Entwicklung der Zusammenhänge zwischen Verformungsmechanismen und Reibung in Abhängigkeit von der Kristallorientierung noch unzureichend verstanden.
Unidirektionale, tribologische Modellversuche mit Saphirkugeln an hochreinen Kupferproben (Ein- und Bikristalle) erlaubten durch gezielte Variation von Kristallorientierung, Übergleitungsanzahl und Belastungsbedingungen in diesem Kontext eine detaillierte Analyse der folgenden Fragestellung: Welche Verformungsmechanismen wirken anfänglich und im Laufe wiederholter Übergleitung in Abhängigkeit von der Kristallorientierung? Welche langfristige Bedeutung besitzt dabei die initiale Kristallorientierung? Und: Wie entwickelt sich die Interdependenz von anisotroper Verformung und Reibung? Auf Basis detaillierter elektronenmikroskopischer und 3D-profilometrischer Analysen der plastischen Verformung in Kombination mit präziser Tribometrie wurden hierzu folgende neue Erkenntnisse gewonnen:
Im Hinblick auf die Mikrostrukturentwicklung im Frühstadium zeigt diese Arbeit die überragende Bedeutung tribologisch induzierter Kristallrotation um die transversale Richtung (TD) als integralen Bestandteil dreier charakteristischer Rotationsprozesse – unabhängig von Kristallorientierung, Gleitrichtung und Last. Diese beeinflussten nur Ausprägung und mikrostrukturelle Akkommodation dieser Rotationsprozesse, nicht jedoch deren grundlegenden Charakter. Die quantitative Analyse erfolgte bei einzelner Übergleitung auf Basis eines vollkommen zerstörungsfreien Messansatzes mittels Elektronenrückstreubeugung (EBSD). Mit zunehmender Übergleitungszahl nahm die Rotationsrate ab.
Ferner zeigte eine Analyse tribologisch induzierter Gleitstufen auf, dass sich die anisotrope Reibspurtopographie selbst nach 1000 unidirektionalen Übergleitungen noch eindeutig auf die initiale Einkristall-Orientierung zurückführen lässt. Im Gegensatz dazu ging in einer sich langfristig auf Basis versetzungsbasierter Plastizität und Faltenbildung oberflächennah ausbildenden, nanokristallinen Schicht der Bezug zur Ursprungsorientierung zunehmend verloren – infolgedessen also auch elastisch-plastische Anisotropie. Starke Schichtbildung war mit einsetzendem, mildem Kupferübertrag und Verschleiß assoziiert. Hohe Normallast bei großer Kugelgröße sowie bestimmte Kristallorientierungen schienen Ausmaß und Geschwindigkeit dieser Vorgänge zu steigern, sodass initiale Kristallorientierungen wohl trotz zunehmender, oberflächlicher Isotropie im Sinne einer Hysterese langfristig nachwirkten. Eine Reibungsreduktion infolge Korngrenzengleitens wurde hingegen nicht beobachtet.
Hinsichtlich der Verknüpfung von Verformung und Reibung belegt die Arbeit für das Frühstadium eine Reibungsanisotropie aufgrund anisotroper Mikrostrukturmodifikation sowie – nachgeordnet – anisotropen Pflügens. Auch langfristig konnte eine Korrelation zwischen anisotroper plastischer Verformung, Reibspurtopographie und Reibung aufgedeckt werden, wobei Beiträge zur Reibung auf Basis etablierter Reibungstheorien diskutiert wurden.
Zusammengenommen zeigt die Arbeit nicht nur einen neuartigen Ansatz zur zerstörungsfreien, quantitativen EBSD-Kristallorientierungsanalyse mild verformter Reibspuren auf, sondern liefert auch einen wichtigen Beitrag zum grundlegenden Verständnis des Kristallorientierungseinflusses auf die (langfristige) Entwicklung von Reibung und Verformung metallischer Werkstoffe am Beispiel Kupfer.

In light of the constantly progressing climate catastrophy, minimizing friction and wear in technical systems with the aim of reduced energy dissipation never seemed more urgent than today. In order to achieve this, a fundamental understanding of the deformation mechanisms occurring in tribologically loaded metal surfaces, as well as their relationship with friction, is paramount. It is known that tribologically induced microstructure evolution due to dislocation-mediated plasticity decidedly influences the evolution of friction and wear. It is clear that crystallographic orientation of single crystalline metals influences the alignment of slip systems with regard to tribological loading, which is why an anisotropy of microstructure evolution and friction is expected. ... mehrEspecially the initial and long-term evolution of interconnections between deformation mechanisms and friction as a function of crystal orientation, however, is still insufficiently understood.
In this context, unidirectional tribological model experiments with sapphire spheres on high-purity copper samples (single- and bi-crystals) permitted a detailed analysis of the following questions by means of a systematic variation of crystal orientation, number of traces and loading conditions: Which deformation mechanisms act incipiently and during continued unidirectional sliding as a function of crystal orientation? Which long-term significance does the initial crystal orientation possess in this regard? And: How does the interdependence of anisotropic deformation and friction evolve? The following, novel insights concerning this were gained by performing detailed electron-microscopic and 3D-profilometric analyses in conjunction with precise tribometry:
Regarding early-stage microstructural evolution, the present work shows the fundamental significance of tribologically induced crystal rotation around the transverse direction (TD) as an integral part of three characteristic rotation processes – independent of crystal orientation, sliding direction and load. These merely influenced the microstructural occurrence and accommodation of these rotation processes, but not their fundamental character. Quantitative investigation was carried out using an entirely nondestructive electron backscatter diffraction (EBSD) measurement approach. The rate of rotation declined during continued unidirectional sliding.
In addition, an analysis of tribologically induced slip traces attested to the fact that anisotropic wear track topography may be unequivocally explained in terms of the initial single crystal orientation even after 1000 unidirectional traces. In contrast, relations to the initial crystal orientation increasingly vanished inside a nanocrystalline subsurface layer developing as a consequence of dislocation-mediated plasticity and surface folding – and thus, so did elastic-plastic anisotropy. Pronounced layer formation was associated with the onset of mild copper transfer and wear. High normal load in conjunction with a large sphere size as well as certain crystal orientations appeared to augment the degree and speed of these processes taking place. Thus, the initial crystal orientation apparently continued to have an effect in the sense of a hysteresis, despite increasing subsurface isotropy. Friction reduction as a consequence of grain boundary sliding, however, was not observed.
With regard to the interconnection of deformation and friction, the present work establishes early-stage friction anisotropy due to anisotropic microstructure modification as well as – to a smaller extent – anisotropic ploughing. It was also possible to reveal a long-term correlation between anisotropic deformation, wear track topography and friction, including a discussion of friction contributions on the basis of established friction theories.
All in all, this work not only demonstrates a novel approach for the nondestructive, quantitative EBSD crystal orientation analysis of mildly deformed wear tracks, but also provides an important contribution to the fundamental understanding of crystal orientation influence on the (long-term) development of friction and deformation of metallic materials, here in terms of copper.