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Materialforschung

Die erste Begegnung zählt – auch beim Verschleiß

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Die Wissenschaftler verglichen den beobachteten Effekt der Selbstorganisation mit der mechanischen Spannungsverteilung im Material, die sich analytisch berechnen lässt. Die Berechnungen bestätigten, dass sich bestimmte Versetzungstypen in einem Spannungsfeld mit einer Materialtiefe zwischen 100 und 200 Nanometer selbst organisieren.

Auch Oxidationsprozesse wurden untersucht

Zusätzlich zum erwähnten Effekt untersuchten die Wissenschaftler an Kupferproben, wie sich Reibung auf die Oxidation von Oberflächen auswirkt. Nach wenigen Reibungszyklen bildeten sich auf der Oberfläche Kupferoxidflecken, die mit der Zeit zu halbkreisförmigen nanokristallinen Kupferoxidclustern anwuchsen. Die etwa drei bis fünf Nanometer großen Kupfer-2-Oxid-Nanokristalle waren von einer amorphen Struktur umgeben und wuchsen immer mehr in das Material hinein, bis sie überlappten und eine geschlossene Oxidschicht bildeten.

Dieses Phänomen, so Greiner, sei schon lange bekannt, aber auch hier sei noch nicht erforscht, wie es zu dem Effekt käme. „Es ist sehr wichtig zu verstehen, wie durch Reibung verursachte Oxidation vonstattengeht. In materialwissenschaftlichen Untersuchungen ist Kupfer ein sehr häufiges Material. Aber auch als Ausgangsmaterial für bewegliche Teile spielt es eine wichtige Rolle“, ergänzt der Materialforscher. Viele Lager bestehen aus Kupferlegierungen wie Bronze oder Messing. Daher stoßen die Untersuchungsergebnisse in der kupferverarbeitenden Industrie auf großes Interesse.

Dem Kupfer die Kugel geben

Der Versuchsansatz für beide Untersuchungen ist denkbar einfach: Eine Kugel aus Saphir wird dazu sehr sanft, langsam und kontrolliert in gerader Linie über ein Plättchen aus hochreinem Kupfer gezogen. Die Saphirkugel wurde gewählt, da sie einen immer gleichen, reproduzierbaren Kontaktpunkt garantiert und außerdem der Reibungseffekt auf die Kugel selbst wegen der Härte von Saphir vernachlässigbar ist. Nach jeder Überfahrung maßen die Forscher die entstandenen Verformungen und die dadurch hervorgerufenen strukturellen Veränderungen im Inneren der Metalle. Dazu koppelten sie Reibexperimente mit Methoden der zerstörungsfreien Prüfung sowie mit Data-Science-Algorithmen und hochauflösender Elektronenmikroskopie.

Mit ihrer Forschung möchten Gumbsch und sein Team die Brücke schlagen von den Prozessen auf atomarer Skala bis hin zum makroskopischen Effekt im Material. Neue Computermodelle sollen in Zukunft zum Beispiel Vorhersagen ermöglichen, wo die Schwachstellen in Werkstücken zu erwarten sind. Langfristig sollen die Ergebnisse dazu dienen, optimierte Materialien zu entwickeln, um Energie und Rohstoffe einzusparen.

Originalpublikationen: Christian Greiner, Zhilong Liu, Reinhard Schneider. Lars Pastewka, Peter Gumbsch: The origin of surface microstructure evolution in sliding friction. Scripta Materialia, Volume 153, August 2018, Pages 63-67; DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.04.048

Zhilong Liu, Christian Patzig, Susanne Selle, Thomas Höche, Peter Gumbsch, Christian Greiner: Stages in the tribologically-induced oxidation of high-purity copper. Scripta Materialia, Volume 153, August 2018, Pages 114-117; DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.05.008

* Regina Link, Karlsruher Institut für Technologie, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen

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