Tribologisch induzierte Verformungsmechanismen und Reibung in Abhängigkeit von der Kristallorientierung in Kupfer
Creators: name: Haug, Christian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Plastische Verformung
Verformungsmechanismen
Anisotropie
Reibung
Reibungsanisotropie
Tribologie
Materialtribologie
Tribometrie
Kupfer
3D-Profilometrie
Elektronenrückstreubeugung
EBSD
Elektronenmikroskopie

description: 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. Dabei 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.