Microstructure evolution under tribological loading and its elementary mechanisms
Creators: name: Liu, Zhilong
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: tribology
microstructure
dislocation
copper
scanning/transmission electron microscopy
oxidation

description: Tribologie, die Lehre und Technologie von aufeinander wirkenden Oberflächen in Relativbewegung, ist von großer Bedeutung für viele Aspekte des alltäglichen Lebens. Reibung und Verschleiß von metallischen Werkstoffen sind zentral für die Energieeffizienz und Dauerhaftigkeit vieler Produkte, vom Verbrennungsmotor bis hin zu künstlichen Gliedmaßen oder Gelenken. Veränderungen der Mikrostruktur unterhalb der Oberfläche von Materialien unter tribologischer Belastung sind nicht immer kontinuierlich, selbst unter milden Gleitbedingungen. Sehr häufig wurden verschiedene tribologisch induzierte Schichten parallel zur Gleitrichtung beobachtet. Diese können oft durch unterschiedliche Korngrößen innerhalb der Schichten sowie einer scharfen Grenze dazwischen unterschieden werden. Diese Grenze ist eine Diskontinuität in der Mikrostruktur und von besonderem Interesse, da sie die Oberflächenschicht vom darunterliegenden Grundmaterial trennt. Die Oberflächenschicht ist der Bereich, in dem der reale Kontakt stattfindet, die chemischen Reaktionen an der Oberfläche ablaufen und Verschleißpartikel erzeugt werden. Die Bildungsmechanismen dieser Diskontinuität sind noch unklar. Ziel dieser Arbeit ist es, den Ursprung dieser Diskontinuität mittels eines soweit wie möglich vereinfachten tribologischen Experiments zu untersuchen: dem einmaligen Übergleiten einer hochreinen Kupferprobe mit einer Saphirkugel. Dieses Experiment erzeugt ein typisches Merkmal - eine als „Versetzungsstreifen“ (dislocation trace line) bezeichnete, scharfe Linie, die etwa 100 nm unter der Oberfläche mittels (Raster-) Transmissionselektronenmikroskopie beobachtet werden kann. Diese wird als eine selbst-organisierte Versetzungsstruktur interpretiert, welche durch einen Vorzeichenwechsel im Schubspannungsfeld in der Probe verursacht wird, hervorgerufen durch den gleitenden Gegenkörper auf der Oberfläche. 
Der Versetzungsstreifen ist der Ursprung der mikrostrukturellen Diskontinuität und sein Einfluss auf die Mikrostruktur bleibt auch für weitere tribologische Belastungen maßgeblich. Durch die Betrachtung der Mikrostrukturentwicklung in verschiedenen Stadien tribologischer Beanspruchung konnten die Bildung von Versetzungsnetzwerken, das Wachstum einer tribologisch induzierten Schicht sowie Oberflächenoxidation beobachtet werden. Auf Basis der Beobachtungen wurden die Elementarmechanismen aufgedeckt sowie eine zeitliche Abfolge dieser grundlegenden Prozesse vorgeschlagen. In diesem Zusammenhang wird die tribologisch induzierte Oberflächenoxidation detailliert, als charakteristischer Vorgang an der Probenoberfläche, untersucht.  Das tribologische Verhalten des Systems – hauptsächlich durch die Oberflächenschicht bestimmt – wird maßgeblich durch die chemischen Reaktionen an der Oberfläche während der mittleren und späten Stadien der tribologischen Beanspruchung beeinflusst. Der Pfad, auf dem Sauerstoff aufgrund der tribologisch induzierten Oxidation in das Kupfer eintritt, wird aufgedeckt. Ein Mechanismus für die Bildung von amorphem/nanokristallinem Kupfer(I)-oxid wird vorgeschlagen. Dieses Wissen ist von wesentlicher Bedeutung, da durch das Verständnis der Mechanismen ein Maßschneidern von Oberflächen hinsichtlich verbessertem tribologischem Verhalten möglich wird. 
Diese Arbeit umfasst die komplette Mikrostrukturentwicklung in hochreinem Kupfer in Kontakt mit Saphirkugeln. Sie trägt zum grundlegenden Wissen bei, welches ein tieferes Verständnis von Verformungsmechanismen unter tribologischer Beanspruchung erlaubt. Des Weiteren beinhaltet diese Arbeit unverzichtbare Informationen für Modelle, welche darauf abzielen, das Verhalten eines Tribosystems hinsichtlich der Entwicklung von Reibung und Verschleiß vorherzusagen - insbesondere in frühen Stadien des Gleitens.