Microstructure evolution under tribological loading and its elementary mechanisms

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. ... mehrDiese 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.

Tribology, the science and technology of interacting surfaces in relative motion, is of great importance for many aspects of modern life. Friction and wear of metallic materials are crucial for energy efficiency and durability of many products from combustion engines to artificial limbs and joints. Microstructure change beneath the surface of material under frictional loading is not always continuous even in very mild sliding condition. Different tribologically induced layers parallel to the sliding surface have been very commonly observed. These layers can often be distinguished by the different grain size inside and a sharp boundary between them. ... mehrThis boundary is a discontinuity in the microstructure. It is of particular interest because it separates the surface layer from the bulk material underneath. The surface layer is exactly where the real contact happens, where the surface chemical reactions take place and where wear particles are generated. The formation mechanisms for this discontinuity are still elusive. This thesis embarks on investigating the origin of this discontinuity by performing the most simplified tribological experiment: a single sliding pass of a sapphire sphere on a high-purity copper sample. This experiment generates a generic microstructural feature seen by (scanning) transmission electron microscopy - a sharp line feature referred to as “dislocation trace line” - around 100 nm beneath the surface. It is interpreted as a dislocation self-organization structure caused by a sign change in the shear stress field in the sample induced by the sliding sphere on the surface.
The dislocation trace line is the very origin of microstructural discontinuity and its influence on the microstructure remains significant also for all further tribological loading. Monitoring the microstructure evolution through different stages of tribological loading, the formation of dislocation networks, growth of the tribologically induced layer and surface oxidation have been observed. A sequence of these elementary processes is proposed and the elementary mechanisms behind them are revealed.
Among the elementary processes, tribological induced surface oxidation is characterized in detail as a distinct process on the sample surface. The tribological performance of the system - determined mostly by the surface layer - is significantly affected by the surface chemical reaction during the intermediate and late stages of tribological loading. The pathway for oxygen entering copper via tribologically induced oxidation is revealed. A formation mechanism for the amorphous / nanocrystalline cuprous oxide is proposed. This knowledge is of key importance because, once understood, it will allow for surface engineering and superior tribological performance.
The work in this thesis covers the whole microstructure evolution in high-purity copper in contact with sapphire spheres. It contributes to the fundamental knowledge which allows for a deep understanding to the deformation mechanisms under tribological loading. This work also provides critical information for future modelling aiming at predicting the performance of a tribosystem with respect to the evolution of friction and wear, especially during the early stages of sliding.