Deformationszwillinge unter tribologischer Last

Die Entwicklung des Gefüges von metallischen Werkstoffen unter tribologischer Last beeinflusst die Reib- sowie die Verschleißeigenschaften eines tribologischen Systems. Deshalb muss diese Gefügeentwicklung und deren beeinflussende Parameter grundlegend verstanden werden, um vorteilhafte mikrostrukturelle Entwicklungen gezielt einstellen bzw. für verbesserte tribologische Eigenschaften ausnutzen zu können.
Die mikrostrukturelle Entwicklung basiert auf Deformationsmechanismen, welche scherspannungskontrolliert sind, wie z. B. dem Versetzungsgleiten und der Zwillingsbildung. ... mehrZur Berechnung der Scherspannung auf den kristallographischen Systemen benötigt es Kenntnis über das anliegende Spannungsfeld. Dieses ist unter tribologischer Last äußerst komplex.
Diese Arbeit liefert experimentelle Daten, um die Anwendbarkeit von Spannungsfeldmodellen zu validieren. Dafür wurden tribologische Experimente auf einkristallinem CoCrFeMnNi durchgeführt, welche zur Bildung von Deformationszwillingen führen. Die Abhängigkeit der Zwillingsbildung von der Kristallorientierung wurde untersucht. Vorteile von Deformationszwillingen sind ihre unidirektionale Dehnungsfreisetzung sowie ihre Zug-Druck-Anisotropie. Durch die Änderung des Gegenkörpermaterials wurde zudem der Reibkoeffizient variiert, wodurch unterschiedliche Spannungsfelder erzeugt wurden. Es wurde eine Abhängigkeit der Zwillingsbildung von der Kristallorientierung und vom Reibkoeffizienten festgestellt.
In dieser Arbeit wurden die zwillingsauslösenden Spannungskomponenten der experimentell identifizierten Zwillingssysteme analysiert. Zudem wurde die Anwendbarkeit des Spannungsfeldmodells nach Hamilton durch Berechnung der projizierten Scherspannungen auf den Zwillingssystemen validiert. Um die Realität widerzuspiegeln, müssen die projizierten Scherspannungen auf den experimentell identifizierten Zwillingssystemen am höchsten sein.
Für einen hohen Reibkoeffizienten wurden für die experimentell identifizierten Zwillingssysteme mit dem Spannungsfeld nach Hamilton auch die höchsten projizierten Scherspannungen berechnet. Dabei musste allerdings die experimentell gemessene Kristallrotation berücksichtigt werden. Die zwillingsauslösenden Spannungskomponenten sind hier die Normalspannung parallel zur Gleitrichtung und die Scherspannung in Gleitrichtung auf der Normalenebene.
Für einen niedrigen Reibkoeffizienten stimmen die Ergebnisse der projizierten Scherspannungsberechnungen nicht mit den experimentellen Befunden überein. Es benötigt hier Molekulardynamik-Simulation, um die Zwillingsbildung erklären zu können. Abhängig von der initialen Kristallorientierung führen unterschiedliche Spannungskomponenten zur Zwillingsbildung.
Diese Arbeit stellt einen wichtigen Beitrag für das Verständnis der Bildung von Deformationszwillingen unter tribologischer Last dar. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen klar, dass das einzig existierende Spannungsfeldmodell nach Hamilton an seine Grenzen stößt und ein passenderes Spannungsfeldmodell benötigt wird. Auch ein grundlegendes Verständnis der Kristallrotation unter tribologischer Last muss generiert werden. Zudem wird gezeigt, dass sich Deformationszwillinge sehr gut als Validierungsmerkmal eignen, womit ein Grundstein für die weitere Spannungsfeldmodellentwicklung gelegt wird.

The microstructural evolution under tribological load in metals and alloys influences the friction and wear behavior of a tribological system. Therefore, one aim of current research is to fundamentally understand this microstructural evolution and its influencing parameters in order to be able to adjust microstructural evolution for tailored tribological behavior. Shear stress-controlled deformation mechanisms determine the microstructural evolution. Calculating the resolved shear stress on the crystallographic systems requires a model of the external stress field. Such a stress field model is challenging for tribological loading. ... mehrThis work provides experimental data to verify stress field models. For this purpose, tribological experiments were conducted on single-crystalline CoCrFeMnNi. The formation of deformation twins in dependence of different initial crystal orientations was investigated. Advantages of deformation twins are their unidirectional strain release and their tension-compression anisotropy. By choosing different counterbody materials, the friction coefficient was changed, resulting in different stress fields. The twin formation was found to be dependent on the crystal orientation and the friction coefficient.
In this work, the stress components causing deformation twin formation under tribological load were analyzed. Furthermore, the validity of the stress field model published by Hamilton was tested by calculating the resolved shear stress on the twin systems. If the stress field model is valid, the twin systems with the highest resolved shear stress have to be the same as the experimentally identified twin systems.
For high friction coefficients, the experimentally identified twin systems have the highest resolved shear stresses calculated with Hamilton's stress field. However, the experimentally measured crystal rotation has to be considered as well. The stress components causing twin formation are the normal stress parallel to the sliding direction and the shear stress in sliding and normal direction.
The results of the resolved shear stress calculations for low friction coefficients do not agree with the experimental findings. Molecular dynamics simulations were conducted to understand twin formation. The stress components causing twin formation depend on the crystal orientation.

This work, thus, provides information on the formation of deformation twins under tribological load and also offers a method to validate stress field models for tribological loading. In the future, a new stress field model reflecting all the experimental results is needed as well as a fundamental understanding about crystal rotation during sliding experiments.