Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Bugwellen, Falten und Fließen: Den Vorboten des Verschleißes von Metalloberflächen auf der Spur

16.12.2014

Ein Wissenschaftler-Team vom Fraunhofer IWM in Freiburg zeigt, welche Mechanismen in Reibungsprozessen an Metalloberflächen wirken noch bevor der tatsächliche Verschleiß entsteht. Die Erkenntnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Physical Review Applied vorgestellt. Solche Mechanismen zu verstehen ist Voraussetzung um Reibung und Verschleiß zu reduzieren.

Viele wissenschaftliche Anstrengungen zielen darauf ab, den Verschleiß in metallbasierten Reibungssystemen zu minimieren. Sie bewegen sich allerdings hauptsächlich auf der phänomenologischen Ebene. Um zu einer verschleißarmen Metalloberfläche zu gelangen, ist es jedoch notwendig, die bei der Reibung ablaufenden Prozesse auf atomarer Ebene grundlegend zu verstehen.


Aufgeworfener Span einer polykristallinen Kupferoberfläche nach dem Kratzen mit einer harten Spitze: Simulation (oben), Experiment (unten)

© Fraunhofer IWM

In einer groß angelegten Werkstoffsimulation ist es einem Team von Wissenschaftlern um Prof. Dr. Michael Moseler und Prof. Dr. Peter Gumbsch vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg gelungen, auf der Nanoskala sichtbar zu machen, welche Mechanismen im Reibungsprozess an einer polykristallinen Metalloberfläche wirken noch bevor der tatsächliche Verschleiß entsteht. Denn um Reibung und Verschleiß zu minimieren, muss man genau an diesen Mechanismen ansetzen. Experimente der Gruppe um Martin Dienwiebel vom des Mikrotribologiezentrums µTC bestätigen die Ergebnisse der Simulation. Die Wissenschaftler stellen ihre Erkenntnisse in der aktuellen Ausgabe der Physical Review Applied vor.

Ebenfalls an dem Projekt beteiligt waren das Institut für Angewandte Materialien am KIT Karlsruhe, die Robert Bosch GmbH und das Institut für Physik der Universität Freiburg. Zu ihrer Simulation inspiriert hat die Forscher eine Versuchsanordnung des Center for Materials Processing and Tribology an der Purdue University, West Lafayette, Indiana [N.K. Sundaram et al., Phys. Rev. Lett. 109, 1065001 (2012)].

Diese kratzten mit einer harten Spitze über eine Kupferoberfläche und beobachteten, dass die Spitze eine Bugwelle aus Kupfer vor sich her trieb, die in sich wiederum Falten warf. Es zeigte sich, dass das Metall in einen plastischen Deformationsfluss geriet, der, wie bei Flüssigkeiten, laminar oder turbulent aussehen kann. An dieser Stelle gingen die Forscher des Fraunhofer IWM noch einen Schritt weiter. Sie wollten das plastische Fließen auf atomarer Ebene genau ergründen und kamen zu überraschenden Ergebnissen.

Der Kornorientierung im Kristall kommt eine wichtige Rolle zu

In ihrer auf 15 Millionen Atomen basierenden Simulation stellte das Fraunhofer IWM den Versuch der Amerikaner virtuell auf der Nanoskala nach. »Auf der experimentellen Ebene wurde auf der Suche nach Erklärungen schnell eine Analogie zur Kelvin-Helmholtz-Instabilität hergestellt«, sagt Moseler, dieses hydrodynamische Erklärungsmodell sei aber nach ihren Ergebnissen nicht mehr schlüssig.

Vielmehr zeigte sich in der Simulation, dass die unterschiedliche Orientierung der Körner in der polykristallinen Struktur des Metalls für die Faltungen und Verwirbelungen verantwortlich ist. Die Simulation macht die Körner einzeln sichtbar und belegt, dass es Körner gibt, die, je nach Orientierung, dem abrasiven Druck leicht nachgeben und andere, die sich sperren. »Die Falten entstehen deshalb immer an den Korngrenzen«, erklärt Moseler. Zudem wird erkennbar, dass die Körner zum einen unterschiedlich leicht verformbar sind und sich auch zu größeren Körnern vereinigen können.

Faltung und zusätzliche Verunreinigungen im Material führen zu lamellaren Verschleißpartikeln

Indem die Wissenschaftler die Atomschichten an der Metalloberfläche unterschiedlich einfärbten, konnten sie sichtbar machen, dass durch die Scherdynamik Atome von der Oberfläche tief in das Material eindringen. In einem zweiten Schritt ließen die Forscher die Spitze, entsprechend der eigentlichen Reibungsdynamik, simulativ über den entstehenden Span zurückfahren. Die zuvor entstandenen Falten legten sich nun lamellar auf das Material.

Interessant ist hier: Durch diesen Vorgang werden Verunreinigungen an der Metalloberfläche, zum Beispiel Oxide, zwischen den Lamellen in das Material eingeschlossen. »Man kann sich das wie einen Blätterteig vorstellen«, meint Moseler. Die Verunreinigungen machen das Metall instabil und liefern die Erklärung dafür, dass im Verschleißprozess lamellare Verschleißpartikel entstehen. »Zuvor ging man von einer Materialermüdung aus«, sagt Moseler.

»Wir haben gezeigt, dass verschiedene Körner an der Oberfläche unterschiedlich reagieren«, sagt Peter Gumbsch und fügt hinzu »In unseren weiteren Forschungen werden wir mit Blick auf mögliche Anwendungen, das Augenmerk darauf richten, wie die Kornorientierungen ideal einzustellen sind, um die Faltenbildung, die den Verschleiß verursacht, im Ansatz zu ersticken.« Möglichkeiten lägen hier in der mechanischen Oberflächenbearbeitung des Metalls und in der Beeinflussung der Korngrenzen durch gezielte Dotierung. Die Simulation des Fraunhofer IWM basiert auf Kupfer, ist aber auf viele andere Metalle übertragbar. »Aufbauend auf unseren Erkenntnissen könnten für die Entwicklungsingenieure Designrichtlinien entwickelt werden, die es ermöglichen, die Kornstruktur tribologisch beanspruchter Oberflächen gemäß den mechanischen Erfordernissen ganz präzise einzustellen«, so Gumbsch.

Referenz:
Nils Beckmann, Pedro A. Romero, DominikLinsler, Martin Dienwiebel, Ulrich Stolz, Michael Moseler, Peter Gumbsch, Origins of folding instabilities on polycrystalline metal surfaces, Phys. Rev. Applied 2, 064004 (2014)

Weitere Informationen:

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.2.064004 - Link zum Artikel
http://www.iwm.fraunhofer.de/presse-veranstaltungen-publikationen-preise/details... - Link zur Pressemitteilung

Thomas Götz | Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke
24.01.2017 | Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

nachricht Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide
20.01.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie