Mikrostrukturentwicklung unter reversierender Reibbelastung bei variierender elastischer und plastischer Dehnung
Creators: name: Becker, Sarah
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: tribology
strain distribution
microstructure
copper
scanning/transmission electron microscopy
high-speed-camera

description: 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. 
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.