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03.07.2020 | Werkstoffprüfung + Materialanalyse | Im Fokus | Onlineartikel

Materialverschleiß im Supercomputer simuliert

Autor:
Dieter Beste
3 Min. Lesedauer

Forscher haben Reibung und Verschleiß realer Werkstoffe jetzt auf atomarer Skala simulieren können. Die Befunde stimmen mit Elektronenmikroskop-Analysen überein – und liefern wertvolle Zusatzinformation.

Bei der Dimensionierung von Maschinenelementen sei häufig die Forderung zu erfüllen, dass der Betriebszustand mit einem Minimum an reibungs- und verschleißbedingten Material- und Energieverlusten verbunden sein muss, heißt es im "Roloff/Matek Maschinenelemente". Andererseits gebe es Anwendungen, bei denen eine verstärkte Reibung erwünscht sei wie bei Bremsen oder Reibradgetrieben, konstatieren die Autoren Herbert Wittel, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek und Christian Spura auf Seite 89. Im Weiteren behandeln sie einige grundsätzliche Fragen zu Reibung und Verschleiß in der Praxis des Maschinebaus.

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Verschleiß

Gemeinsam mit dem Phänomen der Ermüdung bildet Verschleiß einen zentralen Aspekt bei der Lebensdauerabschätzung jedes technischen Systems. Die mikro- und mesoskopischen Mechanismen, die dem makroskopisch beobachtbaren Phänomen „Verschleiß“ …

Werkstoffwissenschaftler wollen seit langem im Detail herausfinden, was bei Reibung und Verschleiß auf der atomaren Ebene geschieht. Die Prozesse lassen sich nicht direkt beobachten; deren Ergebnisse aber sehr wohl, etwa mit dem Elektronenmikroskop. Ein Forscherteam an der Technischen Universität Wien setzt auf ein neues Instrument, und zwar die Simulation im Supercomputer. Das Tribologie-Team um Carsten Gachot, Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung, hat in Zusammenarbeit mit dem Österreichischen Exzellenzzentrum für Tribologie (AC²T) in Wiener Neustadt und dem Imperial College in London große Molekulardynamik-Simulationen entwickelt, mit denen sie das tribologische Verhalten von Oberflächen aus Kupfer und Nickel exakt nachgebildet haben. Das Team berichtet über ihre Forschung im Fachjournal "ACS Applied Materials & Interfaces".

Wenn ein Metall unter großer Scherbelastung über ein anderes Metall gleitet, geraten die einige Nanometer bis wenige Mikrometer kleinen Körner der beiden Materialien aneinander: Die Körner können dabei gedreht, verformt oder verschoben werden, sie können in kleinere Körner zerteilt werden oder durch erhöhte Temperatur oder mechanische Einwirkung wachsen, berichten die Wiener Wissenschaftler. All diese Prozesse, die auf mikroskopischer Skala ablaufen, bestimmen letztlich das Verhalten des Materials auf großer Skala.

Computersimulation und Experiment

Atom für Atom haben die Forscher die Oberflächen simuliert. Je größer das simulierte Materialstück und je länger der simulierte Zeitabschnitt, umso mehr Computerleistung wird benötigt. "Wir simulieren Abschnitte mit einer Seitenlänge von bis zu 85 Nanometern, über einige Nanosekunden hinweg", sagt Stefan Eder, Erstautor der aktuellen Publikation. Das Team untersuchte den Verschleiß einer Legierung aus Kupfer und Nickel – und zwar bei unterschiedlichen Mischungsverhältnissen der beiden Metalle und unterschiedlichen mechanischen Belastungen. "Unsere Computersimulationen ergaben genau die Vielfalt an Prozessen, an Kornveränderungen und Verschleiß-Effekten, wie man sie aus Experimenten grundsätzlich bereits kennt", sagt Stefan Eder. "Wir können damit Bilder produzieren, die genau den Aufnahmen aus dem Elektronenmikroskop entsprechen. Allerdings hat unsere Methode einen entscheidenden Vorteil: Wir können den Prozess danach am Computer im Detail analysieren. Wir wissen, welches Atom zu welchem Zeitpunkt seinen Platz gewechselt hat, und was mit welchem Körnchen in welcher Phase des Prozesses genau passiert ist." Zur Veranschaulichung haben die Forscher ein Video veröffentlicht.

Verschleiß verstehen – Industrieprozesse optimieren

In der Industrie stoßen die neuen Methoden nach Einschätzung der Forscher bereits auf großes Interesse. "Schon seit Jahren wird darüber diskutiert, dass die Tribologie von verlässlichen Computersimulationen profitieren könnte. Nun haben wir ein Stadium erreicht, in dem die Qualität der Simulationen und die verfügbare Rechenleistung so groß sind, dass wir dadurch spannende Fragen beantworten könnten, die auf andere Weise gar nicht zugänglich wären", sagt Carsten Gachot.
 

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