Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen in einphasigen fcc und bcc high entropy Legierungen unter einer tribologischen Belastung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Tribologie beschreibt die Wissenschaft von zwei Körpern in Relativbewegung zueinander. Solche Kontakte treten im Grunde überall in unserem Alltag auf: zwischen Schuh und Boden, in Gelenken und auch in technischen Anwendungen. 23 % der gesamten Energie muss aufgewandt werden um unerwünschte Reibung zu überwinden oder abgenutzte Teile zu ersetzen. Diese Zahl gilt es zu reduzieren. In dieser Arbeit ist es das Ziel, die mikrostrukturelle Entwicklung im oberflächennahen Bereich von Metallen und Legierungen unter tribologischer Belastung grundlegend zu verstehen, da diese den Reibungskoeffizienten sowie die Bildung von Verschleißpartikeln beeinflussen kann. Das Endziel ist es, diese Prozesse so anzupassen, dass auf lange Sicht ein maßgeschneidertes tribologisches Verhalten ermöglicht wird. Scherspannungsaktivierte Deformationsmechanismen bestimmen die mikrostrukturelle Entwicklung. In der Materialwissenschaft wird das aktivierte kristallographische System bestimmt, indem die auf jedes System projizierte Scherspannung berechnet wird, und diejenigen mit den höchsten projizierten Scherspannungen werden aktiviert. Derselbe Ansatz ist für die tribologische Belastung angedacht, allerdings fehlt es an einem Spannungsfeldmodell, um die projizierten Scherspannungen zu berechnen. Dieses Projekt verwendet deshalb Marker in der Deformationsschicht, um verschiedene Spannungsfeldmodelle zu testen. Als Marker wurden Deformationszwillinge verwendet, da diese zwei wesentliche Unterschiede zur Versetzungsbewegung aufweisen: 1) Zwillinge sind dreidimensionale Defekte mit einer unidirektionalen Dehnungsfreisetzung; 2) die Zwillingsbildung ist von der kristallographischen Orientierung abhängig und zeigt daher eine ausgeprägte Zug-Druck-Anisotropie. Nach Vorversuchen an polykristallinem CoCrFeMnNi wurden Experimente an einkristallinem CoCrFeMnNi mit sorgfältig gewählten anfänglichen Kristallorientierungen durchgeführt. Verschiedene Gegenkörper wurden verwendet, um den Reibungskoeffizienten zu verändern. Auf diese Weise wurde ein Datensatz erstellt, der sich hervorragend eignet, um verschiedene Spannungsfeldmodelle zu testen. Die Spannungsfeldmodelle können in 1) einzelne Spannungskomponenten, 2) analytisches lineares elastisches Modell (Hamilton) und 3) FE-Simulationen mit variierenden Materialmodellen gruppiert werden. Für die Experimente, die zu hohen Reibungskoeffizienten führten, wurde die Normalspannung in Gleitrichtung sowie die Scherspannung in Gleitrichtung als bestimmende Spannungskomponenten für die Zwillingsaktivierung identifiziert. Das Hamilton-Spannungsfeld sagte die Zwillingsbildung auf den experimentell identifizierten Zwillingssystemen unter Berücksichtigung der Kristallrotation voraus. Für einen niedrigen Reibungskoeffizienten sind die FE-Simulationen unter Berücksichtigung der Plastizität erforderlich. Auch wenn diese Modellvorhersagen nahe an den experimentellen Ergebnissen liegen, stimmen sie nicht vollständig überein. Die durch diese Arbeit erzielten Ergebnisse sind die ersten, die systematisch die Spannungsfeldmodelle untersuchen. Noch wichtiger ist, dass der erste experimentelle Marker entwickelt wurde, die es ermöglicht, Spannungsfeldmodelle für tribologische Belastungen systematisch und eindeutig zu testen. Diese neue Fähigkeit wird sich als unschätzbar wertvoll für die zukünftige Entwicklung der Materialtribologie erweisen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Microstructural changes in CoCrFeMnNi under mild tribological load. Journal of Materials Science, 55(26), 12353-12372.
Dollmann, Antje; Kauffmann, Alexander; Heilmaier, Martin; Haug, Christian & Greiner, Christian
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Dislocation-mediated and twinning-induced plasticity of CoCrFeMnNi in varying tribological loading scenarios. Journal of Materials Science, 57(36), 17448-17461.
Dollmann, Antje; Kauffmann, Alexander; Heilmaier, Martin; Srinivasan, Tirunilai Aditya; Mantha, Lakshmi Sravani; Kübel, Christian; Eder, Stefan J.; Schneider, Johannes & Greiner, Christian
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Temporal sequence of deformation twinning in CoCrNi under tribological load. Scripta Materialia, 229, 115378.
Dollmann, Antje; Rau, Julia S.; Bieber, Beatrix; Mantha, Lakshmi; Kübel, Christian; Kauffmann, Alexander; Tirunilai, Aditya Srinivasan; Heilmaier, Martin & Greiner, Christian
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Automated identification and tracking of deformation twin structures in molecular dynamics simulations. Computational Materials Science, 236, 112878.
Ehrich, H.J.; Dollmann, A.; Grützmacher, P.G.; Gachot, C. & Eder, S.J.
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Deformation twins as a probe for tribologically induced stress states. Communications Materials, 5(1).
Dollmann, Antje; Kübel, Christian; Tavakkoli, Vahid; Eder, Stefan J.; Feuerbacher, Michael; Liening, Tim; Kauffmann, Alexander; Rau, Julia & Greiner, Christian
