Joachim Flöck

• Die Arbeit entstand vor dem Hintergrund, daß bestehende Verschleißmodelle sich nicht beliebig auf jedes tribologische System übertragen lassen. Aus diesem Grund sollte auf Basis der finiten Elemente ein Werkzeug zum grundlegenden Verständnis der Gleitverschleißmechanismen geschaffen werden, welches systemunabhängig einsetzbar ist. Zur Gleitverschleißmodellierung mit Hilfe der Methode der finiten Elemente (FE) mußte vorab eine genaue Bestimmung der Verschleißmechanismen sowie der Materialkennwerte zur Charakterisierung der Kontaktverhältnisse von Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) / Stahl Reibpaarungen durchgeführt werden. Die Reibungs- und Verschleißeigenschaften des genannten tribologischen Systems wurden mittels Modellverschleißversuchen nach dem Stift- Scheibe-Verfahren innerhalb eines Temperaturbereiches von Raumtemperatur bis T=180°C bestimmt. Eine mechanische Charakterisierung erfolgte anhand von Zug-, Druck- und Scherversuchen auf einer statischen Prüfmaschine. Die verschlissenen Probenoberflächen wurden anschließend mit verschiedenen mikroskopischen Verfahren charakterisiert. Wichtigstes Ergebnis dieser Untersuchungen war die starke Abhängigkeit des Verschleißbetrages und der wirkenden Verschleißmechanismen von der Faserorientierung und der Prüftemperatur. Zur Berechnung der Spannungszustände im Reibkontakt wurde ein dreidimensionaler anisotroper Kontaktalgorithmus entwickelt. Zur Überprüfung dieses Kontaktalgorithmus wurden Kugeleindruckversuche an endlos kohlenstoffaserverstärktem PEEK durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, daß die Modellierung sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmte. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde dieser Algorithmus zur Modellierung der wahren Kontaktverhältnisse herangezogen. Eine mikromechanische Charakterisierung der Materialien sowie die Bestimmung der Verschleißmechanismen unter Einzelrauhigkeitsspitzenkontakt wurde mit Hilfe von Mikrohärteversuchen bzw. Kratzversuchen durchgeführt. Die Ergebnisse der Spannungsanalyse bestätigen die experimentell ermittelten Versagens- bzw. Verschleißmechanismen unter Belastung einzelner Rauhigkeitsspitzen. Im Falle normaler Faserorientierung fanden Spannungsüberhöhungen in den Fasern und im Faser/Matrix- Grenzbereich statt, welche zu Faserbruch und Faser/Matrix-Delamination führen können. Unter paralleler und antiparalleler Faserorientierung wurden die Fasern hauptsächlich Biegung ausgesetzt. Weiterhin herrschten im Faser/Matrix-Grenzbereich Scherspannungen, die zu Faser/Matrix-Delamination führen. Eine Modellierung des thermischen Verhaltens einer CF/PEEK - Stahl - Reibpaarung zeigte, daß im Kontaktbereich Schmelztemperaturen vorliegen können. Weiterhin war eine starke Abhängigkeit des Wärmeflusses von der Faserorientierung zu verzeichnen. Anhand der Definition von Peclet-Nummern für anisotrope Verbundwerkstoffe konnte, abhängig von der Faserorientierung, zwischen langsam und schnell gleitenden Reibpaarungen unterschieden werden. Es konnte gezeigt werden, daß sich mit Hilfe der Methode der finiten Elemente über herrschende Spannungszustände in sehr guter Annäherung die Gleitverschleißmechanismen von CF/PEEK - Stahl - Reibpaarungen beschreiben lassen. Letze Aufgabe bleibt nun die Bestimmung einer Kenngröße zur Abschätzung des Materialverschleißes in Abhängigkeit von den Spannungszuständen im Mikrobereich.
• Background of this work was the fact, that existing wear models are not applicable to all common tribological systems. For that purpose, based on the Finite Element Method, a tool should be created, independent of tribological systems, which is able to interpret the basic wear mechanisms of two rubbing bodies. To model the sliding wear by the aid of the Finite Element Method (FEM), a detailed investigation of the existing wear mechanisms and the material properties to characterise the contact conditions between fiber reinforced polymers-steel-sliding pairs, had to be performed. The friction and wear properties of such a tribological system were evaluated by wear tests based on the pin-on-disc principle at temperatures varying from room temperature up to 180°C. A mechanical characterisation of the materials was done by tensile, compression and shear tests. Furthermore, the worn surfaces of the specimens were investigated by several microscopic methods. The main result of these investigations is focussed on the strong dependence of the amount of wear and the wear mechanisms on the fiber orientation and the testing temperature. To calculate the stress state in the contact zone, a three dimensional anisotropic contact algorithm was developed. To revise this contact algorithm, ball indentation tests on unidirectional carbon fiber reinforced PEEK composites have been carried out. There was a very good correlation between the experimental and the modelled results. In the further lapse of this work, this algorithm was pulled up to model real contact states. A micromechanical characterisation of the materials as well as the evaluation of the wear mechanisms occurring under contact of a single roughness asperity were performed by microhardness and scratch tests. The results of the stress analysis confirm the experimentally detected failure and wear mechanisms under single roughness asperity loading respectively.Under normal fiber orientation overloading in the fibers and the fiber/matrix interface occured, which leads to fiber cracking and fiber/matrix debonding. Under parallel and antiparallel fiber orientation, the fibers were mainly subjected to bending. Furthermore, shear stresses at the fiber/matrix interface can result in fiber/matrix debonding. The results of the thermal model of the CF/PEEK-steel sliding pair could show, that in the contact zone the temperature exceeds the melting temperature of the matrix. Additionally the heat flow was strongly influenced by the fiber orientation. The definition of Peclet numbers for anisotropic composite materials could show, that, dependent on the fiber orientation, slow and fast sliding systems had to be distinguished. The present work could show, that the Finite Element Method is an appropriate tool to charaterise sliding wear mechanisms by evaluating existing stress states in the contact zone of two rubbing bodies. One last task is the determination of a characteristic parameter to estimate the amount of wear as a function of the stress states in the micro-range.