Tribospectroscopy as a New Method for Studying the Friction Mechanisms: Theoretical Foundations and Experiment.

Tribospektroskopie ist ein 2003 von V.L. Popov eingeführter Begriff für Methoden zur Bestimmung von mikroskopischen Wechselwirkungen in einem tribologischen Kontakt. In der Dissertation werden zwei tribospektroskopische Methoden theoretisch untersucht und experimentell realisiert. Beim ersten Verfahren wird die statische Kraft eines mit einer Frequenz zwischen 20kHz und 70kHz oszillierenden Körpers als Funktion der Schwingungsamplitude gemessen. Die Eigenschaften der Wechselwirkungen im tribologischen Kontakt werden der gemessenen Kurve "Kraft-Amplitude" entnommen. Eine alternative Methode besteht in einer hochpräzisen Messung der Dynamik eines Tribokörpers mit dem Ziel aus dieser Dynamik die mikroskopischen Wechselwirkungskräfte wiederherzustellen. Messungen wurden an Vergütungsstahl C45, Manganhartstahl X120Mn12, Titan mit verschiedener Korngröße, Kupfer, Messing, Aluminium, Glas, Teflon, Bremsbelag und Reifengummi durchgeführt. In allen Fällen, in denen kein übermäßiger Verschleiß oder Verschweißen stattfanden, nahm die Reibungskraft um ca. das 3fache ab bei Schwingungsamplituden von 10 bis 100 Nanometer (abhängig vom Material). Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen sind zum Teil überraschend und liefern neue Einsichten in die Natur der Reibung und das Coulombsche Reibungsgesetz. Sowohl die Untersuchungen mit dem Ultraschall als auch der skalenabhängigen Reibung haben eindeutig gezeigt, dass alle Skalen über 100 nm mindestens bei den von uns untersuchten Metallen und anderen Festkörpern definitiv keinen Beitrag in die Reibungskraft liefern. Insbesondere hatten die Skalen im Mikrometerbereich in unseren Experimenten keinen Einfluss auf die Reibkraft. Diese experimentell festgestellte Skala, die für die Festkörperreibung "zuständig" ist, erklärt die Robustheit des Coulombschen Reibungsgesetzes und seine Unsensitivität zu Rauigkeits-parametern, die normalerweise auf einer Skala ab 1µm liegen.Tribospectroscopy is a notion that was introduced in 2003 by V.L. Popov characterizing the methods used to determine microscopic interactions in a tribological contact. In the disserta-tion, two methods of tribospectroscopy are presented theoretically, and then explored experi-mentally. In the first procedure the static force of a body oscillating with a frequency between 20 kHz and 70 kHz is measured. The characteristics of the tribological interactions can be recovered from the measured "Force-Amplitude" curve. An alternative method exists in which one measures the dynamics of a rubbing body with great precision. The goal is to use these measurements to recover the microscopic interactions. Measurements were taken on C45 heat-treated steel, X120Mn12 austenitic manganese steel, titanium (of various grain size), copper, brass, aluminum, glass, Teflon, brake pad material and tire rubber. In each case where no excessive wear or fusion (melting) took place, the friction force diminished by a factor of approximately three for oscillation amplitudes between 10 and 100 nm (dependent upon material). The results offer new insight into the nature of friction as well as the Coulomb Friction Law. Both the experiments with ultrasound as well as those with scale-dependent friction showed concisely that the scales above 100nm have absolutely no contribution to the friction force (at least for the metals and other solids we tested). In particular, the scales on the order of micro-meters had no influence on the friction force in our experiments. This experimentally deter-mined scale, which is "responsible" for the friction of solids, clarifies the robustness of the Coulomb Friction Law and its insensitivity to roughness parameters, which normally range from 1µm and greater