Elementarmechanismen tribologisch induzierter Oxidation in Kupfer

• Antragsteller: Baptiste Jean Germain Gault, Ph.D.; Professor Dr. Christian Greiner
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445526178

Mehr als ein Fünftel der weltweit eingesetzten Primärenergie wird aufgewendet um tribologische Kontakte zu bewegen. Zur Steigerung der Energieeffizienz solcher Systeme ist der Einsatz strategisch ausgewählter Werkstoffe notwendig. Die tribologische Leistungsfähigkeit dieser Materialien hängt stark von deren mechanischen und chemischen Eigenschaften ab. Diese ändern sich, z.T. hochdynamisch, während der Lebensdauer des Kontaktes. Einer der wichtigsten Mechanismen stellt hierbei die tribologisch induzierte Oxidation dar. Während schon länger bekannt ist, dass solche Prozesse eine große Auswirkung haben, ist noch ungeklärt wie genau tribologisch induzierte Oxidation abläuft. Welche Rolle Defekte, wie Versetzungen und Kongrenzen, für die Diffusion des Sauerstoffs in das Material spielen, wurde noch nicht systematisch untersucht. Auch an welcher Grenzfläche die Oxidation genau stattfindet ist noch nicht bekannt. Die sich ideal ergänzenden Expertisen der Arbeitsgruppe Greiner am KIT (Materialtribologie) und der Arbeitsgruppe Gault am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (Atomsonde) ermöglichen uns, folgende Hypothese zu untersuchen: Defekte, vor allem Versetzungen, sind der Hauptdiffusionspfad durch welche Sauerstoff in das tribologisch belastete Material gelangt. Dort – im Material – reagiert er zu Oxiden. Durch die inhärente Komplexität eines jeden tribologischen Kontaktes lässt sich diese Frage, und auch an welcher Grenzfläche diese Oxidation genau abläuft, nur an Modellmaterialien untersuchen. Hierzu wählen wir Kupfereinkristalle, welche einem ungeschmierten reversierenden Kontakt mit Saphirkugeln und zunehmender Zyklenzahl ausgesetzt werden. Mittels hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) im TEM, ergänzt durch Untersuchungen mittels Atomsonde (APT), werden wir die oben genannten Leitfragen dieses Antrages untersuchen. Hierbei werden Kupfereinkristalle mit verschieden Orientierungen in verschiedene Richtungen bei exakt kontrollierter Atmosphäre tribologisch belastet. Durch den Einsatz von Einkristallen lässt sich eine Aussage über die aktivierten Gleitsysteme treffen, was es ermöglicht gezielt den Sauerstoff und seine Diffusion entlang der Defekte zu untersuchen. Um Oxidationsphänomene während und nach der tribologischen Belastung systematisch unterscheiden zu können werden Versuche in 18O2-Atmosphäre durchgeführt. Diese ebenfalls tribologisch belasten Proben werden mittels der oben genannten Methoden analysiert. APT ist in der Lage zwischen 16O und 18O zu unterscheiden. Da die Mikrostruktur tribologisch belasteter Metalle dynamischen Änderungen unterliegt, werden wir die Zyklenzahl der reversierenden Belastung durch die Saphierkugeln systematisch von nur einer einzigen Überfahrung bis auf 5000 Zyklen steigern. Sich während dieser Versuche neue bildende Korngrenzen werden es erlauben den Einfluss der Diffusion entlang solcher Defekte systematisch zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen