TY - THES

T1 - Methodenfindung zur Beschreibung der Vorgänge im Kontaktbereich bei Composite-Werkstoffen unter tribologischer Beanspruchung

AU - Sailer, Wolfgang

N1 - gesperrt bis null

PY - 2010

Y1 - 2010

N2 - Verbundwerkstoffe, auch Composites oder Compounds genannt, sind inhomogene Werkstoffe, die aus zwei oder mehr chemisch und physikalisch unterscheidbaren Phasen bestehen. Durch gezielte Kombination von Phasen mit unterschiedlichen Eigenschaften können Verbundwerkstoffe entwickelt werden, die die gewünschten Eigenschaften der Phasen vereinen und teilweise übertreffen. Auch bei tribologischen Anwendungen spielen Verbundwerkstoffe eine wichtige Rolle, z.B. in der Lager- oder Dichtungstechnik. In der Praxis erfolgen die Entwicklung und Charakterisierung dieser Werkstoffe hauptsächlich durch tribometrische Versuche. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterstützende Methoden zur tribologischen Charakterisierung partikelverstärkter Werkstoffe entwickelt. Nach einer theoretischen Einführung in die tribologische Wirkungsweise inhomogener Werkstoffe wird Entwicklung unterschiedlicher dreidimensionaler Finite-Elemente-Methode-Simulationsmodelle in ABAQUS beschrieben. In einem Einheitszellenmodell wurde die tribologische Tragfähigkeit eines PTFE/Bronze-Composites simuliert und Parameterstudien mit unterschiedlichen Belastungen (2,5 N/mm, 5 N/mm, 7,5 N/mm, 10 N/mm), Partikelgehalten (8 %, 12 %, 25 %), Temperaturen (-15°C, 23°C, 100°C) und Matrix-Partikel-Bindungen (rein form- und reibschlüssig eingebunden, fix eingebunden) für elastisch-plastisches Materialverhalten durchgeführt. Zwei weitere Modelle beziehen das zeitabhängige viskoelastische Kriechverhalten von PTFE in die Simulation mit ein. Ein viertes Modell simuliert das Aufschmelzen von Weichphasen in einem metallischen Gleitwerkstoff. Der praktische Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Methodik zur In-Situ-Untersuchung der Reibfuge während des Gleitvorganges. Ein dazu konstruiertes und gebautes Tribometer mit der Versuchsanordnung Pin-on-Plate ermöglicht die Beobachtung der Reibfuge unter einem Auflichtmikroskop während des Reibvorganges gegen eine Glasplatte. Zur Validierung der entwickelten Methode wurden unterschiedliche Versuche mit PTFE/Bronze-Compound- und organisch/anorganisch gefüllten TPU-Proben durchgeführt. Neben glatten Glasplatten kamen zur Untersuchung abrasiver Verschleißvorgänge auch quer zur Gleitrichtung aufgeraute Glasplatten zum Einsatz. Die reale Kontaktfläche und die freigelegten Partikelanteile an der Oberfläche konnten mit dem Phasenanalyse-Tool der Bildverarbeitungssoftware Olympus Analysis erfasst werden.

AB - Verbundwerkstoffe, auch Composites oder Compounds genannt, sind inhomogene Werkstoffe, die aus zwei oder mehr chemisch und physikalisch unterscheidbaren Phasen bestehen. Durch gezielte Kombination von Phasen mit unterschiedlichen Eigenschaften können Verbundwerkstoffe entwickelt werden, die die gewünschten Eigenschaften der Phasen vereinen und teilweise übertreffen. Auch bei tribologischen Anwendungen spielen Verbundwerkstoffe eine wichtige Rolle, z.B. in der Lager- oder Dichtungstechnik. In der Praxis erfolgen die Entwicklung und Charakterisierung dieser Werkstoffe hauptsächlich durch tribometrische Versuche. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterstützende Methoden zur tribologischen Charakterisierung partikelverstärkter Werkstoffe entwickelt. Nach einer theoretischen Einführung in die tribologische Wirkungsweise inhomogener Werkstoffe wird Entwicklung unterschiedlicher dreidimensionaler Finite-Elemente-Methode-Simulationsmodelle in ABAQUS beschrieben. In einem Einheitszellenmodell wurde die tribologische Tragfähigkeit eines PTFE/Bronze-Composites simuliert und Parameterstudien mit unterschiedlichen Belastungen (2,5 N/mm, 5 N/mm, 7,5 N/mm, 10 N/mm), Partikelgehalten (8 %, 12 %, 25 %), Temperaturen (-15°C, 23°C, 100°C) und Matrix-Partikel-Bindungen (rein form- und reibschlüssig eingebunden, fix eingebunden) für elastisch-plastisches Materialverhalten durchgeführt. Zwei weitere Modelle beziehen das zeitabhängige viskoelastische Kriechverhalten von PTFE in die Simulation mit ein. Ein viertes Modell simuliert das Aufschmelzen von Weichphasen in einem metallischen Gleitwerkstoff. Der praktische Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Methodik zur In-Situ-Untersuchung der Reibfuge während des Gleitvorganges. Ein dazu konstruiertes und gebautes Tribometer mit der Versuchsanordnung Pin-on-Plate ermöglicht die Beobachtung der Reibfuge unter einem Auflichtmikroskop während des Reibvorganges gegen eine Glasplatte. Zur Validierung der entwickelten Methode wurden unterschiedliche Versuche mit PTFE/Bronze-Compound- und organisch/anorganisch gefüllten TPU-Proben durchgeführt. Neben glatten Glasplatten kamen zur Untersuchung abrasiver Verschleißvorgänge auch quer zur Gleitrichtung aufgeraute Glasplatten zum Einsatz. Die reale Kontaktfläche und die freigelegten Partikelanteile an der Oberfläche konnten mit dem Phasenanalyse-Tool der Bildverarbeitungssoftware Olympus Analysis erfasst werden.

KW - partikelverstärkter Verbundwerkstoff Polymercomposite Finite-Elemente-Methode Werkstoffsimulation In-Situ-Tribologie Benchmarkversuche

KW - particle reinforced composite material polymer composite finite element method material simulation in-situ-tribology benchmark tests

M3 - Diplomarbeit

ER -