The Influence of Surface Finish on the Localized Dissipation of Frictional Power at Ultra-Mild Wear
Tribological systems are subjected to a steady decrease of friction and wear due to ecological and economical requirements. These guidelines can change the tribological loads and, therefore, result in more severe conditions. The need for maintaining wear as low as possible towards ultra-mild wear rates an integral approach is needed, which has to regard the contact conditions, surface topography, near and sub-surface physical properties. The ultra-mild sliding wear rates, in the order of some nanometers per hour, are desired for example for gears of wind turbines, valve and drive train components, and artificial hip joints to maintain or increase service life time and sustainability. These small wear rates imply a non-linear characteristic of wear, because the amount of wear per load cycle falls below the inter-atomic distances of (technical) materials and consequently can not be a continuous process anymore. Here highly localized effects of dissipated friction energy govern the acting wear mechanisms and alterations of tribosystems, which are still not quantified on the micro- and nano-scale. However today mostly empirically determined wear factors are used to calculate the amount of wear for a given tribological load and hence material failure on those scales can not be predict. This technical matter is complicated by the fact that classical investigations of wear like weighing and micro structural analysis are difficult at the scale and extent of occurring wear appearances within the ultra-mild wear regime. Combined wear tests, micro structural analysis and numerical calculations are presented for the individual analysis of the material response to tribological loads. If a quantification of the failure sequence succeeds on those scales, new design guidelines could be developed, in order to further increase the service life time and predict failure modes more precisely.
Tribologische Systeme sind aufgrund von ökologischen und ökonomischen Auflagen einer ständigen Verminderung von Reibung und Verschleiß ausgesetzt. Diese Auflagen können dazu führen, dass die tribologischen Belastungen verändert werden und in einer höheren Belastung der entsprechenden Bauteile enden. Um dennoch weiterhin möglichst kleine Verschleißraten, hin zu ultra-milden Verschleißraten, zu erhalten, ist ein integraler Ansatz erforderlich. Dieser Ansatz muss die Kontaktsituation, die Oberflächentopographie und die oberflächennahen physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien beinhalten. Ultra-milde Verschleißraten, in der Größenordnung von wenigen Nanometern pro Stunde, werden für Bauteile wie Getriebe vonWindkrafträdern, Ventiltrieben, Antriebsstränge und Hüftimplantaten verlangt, um die Standzeit und Nachhaltigkeit dieser Komponenten weiterhin zu gewährleisten bzw. zu erhöhen. Diese kleinen Verschleißraten bedeuten jedoch einen nicht linearen Fortschritt des Verschleißes, da der Verschleiß pro Lastzyklus unterhalb des atomaren Abstandes von (technischen) Materialien liegt und somit kein kontinuierlicher Prozess sein kann. Hier bestimmen hoch lokalisierte Effekte der einbrachten Reibenergie die Verschleißmechanismen und die Veränderungen der Tribosysteme, die bis heute nicht auf der Mikro- und Nano-Skala quantifiziert wurden. Nichtsdestotrotz werden immer noch empirisch ermittelte Verschleißfaktoren benutzt, um den Verschleiß an Tribosystem für eine gegebene Belastung zu berechnen, die jedoch nicht das Materialversagen detailliert beschreiben oder vorhersagen können. In diesem Zusammenhang kommt erschwerend hinzu, dass die Ermittlung und Bewertung des Verschleißes mittels klassischer Analysemethoden wie Wiegen und Mikrostrukturanalysen aufgrund der Größenordnung des anfallenden Verschleißes erschwert ist. Kombinierte Verschleißtests, Mikrostrukturanalysen und numerische Berechnungen werden hier presentiert, um die individuelle Systemantwort der eingesetzten Materialien auf tribologische Belastungen zu bewerten. Wenn eine Quantifizierung auf diesen Größenordnungen gelänge, könnten neue Design-Richtlinien formuliert werden, um weiter die Standzeit zu erhöhen und Schadensarten genauer vorherzusagen.
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