[論文レビュー] Effect of hydrostatic pressure on elastic properties of ZDTP tribofilms

Karim Demmou, Sandrine Bec+1 more|ArXiv.org|Jun 28, 2007

Lubricants and Their Additives参考文献 13被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ナノインデンテーションを用いて、静水圧を加えることでZDTPトライボフィルムにおけるアービル効果の可逆性を調査した。ブラインネルに類似した試験により最大8 GPaの静水圧を加えたところ、塑性変形領域内と外で弾性係数や圧力感受性に変化が認められず、8 GPaまでにアービル効果が可逆的であることを裏付けた。

ABSTRACT

Previous studies have shown that the elastic properties of Zinc Dialkyl-dithiophosphate (ZDTP) tribofilms measured by nanoindentation increase versus applied pressure (Anvil effect) [1, 2]. The aim of this paper is to demonstrate that, up to 8 GPa, this increase is a reversible phenomenon. A ZDTP tribofilm has been produced on "AISI 52100" steel substrate using a Cameron-Plint tribometer. After its formation, a hydrostatic pressure of about 8 GPa was applied during one minute on the tribofilm using a large radius steel ball ("Brinell-like" test). Nanoindentation tests were performed with a Berkovich tip on pads in order to measure and compare the mechanical properties of the tribofilm inside and outside the macroscopic plastically deformed area. Careful AFM observations have been carried out on each indent in order to take into account actual contact area. No difference in elastic properties was observed between the two areas: tribofilm modulus and pressure sensitivity are the same inside and outside the residual hemispherical print. This demonstrates that Anvil effect is a reversible phenomenon in the studied pressure range.

研究の動機と目的

• ZDTPトライボフィルムの弾性係数の圧力誘発的増加が可逆的かどうかを特定すること。
• 高圧静水圧条件下におけるZDTPトライボフィルムの機械的挙動を調査すること。
• 圧力処理後の塑性変形領域と非変形領域におけるトライボフィルムの弾性特性を比較すること。
• 制御された静水圧負荷を用いて、ZDTPトライボフィルムにおけるアービル効果の可逆性を8 GPaまでに検証すること。
• AFMを用いて実際の接触面積を考慮することで、弾性特性の正確な測定を確保すること。

提案手法

• Cameron-Plint摩擦試験装置を用いて、AISI 52100鋼にZDTPトライボフィルムを形成した。
• 大半径の鋼球を用いて約8 GPaの静水圧を1分間加えた（ブラインネルに類似した試験を模倣）。
• ボーケビッチ先端を用いたナノインデンテーションを、トライボフィルムの変形領域（塑性印）および非変形領域で実施した。
• 各インデンテーションの実際の接触面積を測定するために原子間力顕微鏡（AFM）を用い、弾性係数の計算を正確にした。
• 変形領域と非変形領域の間で弾性係数および圧力感受性を比較し、可逆性を評価した。
• 実験設計により、観察された変化が残留応力や構造的損傷ではなく、圧力誘発効果によるものであることを保証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力下で弾性係数が増加したZDTPトライボフィルムは、荷重除去後も可逆的か？
• RQ2 静水圧を加えた後、ZDTPトライボフィルムの弾性特性は、塑性変形領域と非変形領域で異なるか？
• RQ3 残留応力が存在しない状況でもアービル効果が持続するか。これは可逆的メカニズムを示唆するか？
• RQ4 AFMを用いて実際の接触面積を考慮することで、正確な弾性係数測定が可能か？
• RQ5 アービル効果がZDTPトライボフィルムで8 GPaまでに可逆的である最大の静水圧は何か？

主な発見

• トライボフィルムの塑性変形領域内と外で、弾性係数の顕著な差は認められなかった。
• 変形領域および非変形領域の両方で、トライボフィルムの圧力感受性は変化せず、一貫した機械的応答を示した。
• 弾性係数の変化が認められないことから、8 GPaまでの静水圧下でもアービル効果が可逆的であることが確認された。
• AFMを用いた接触面積測定により、幾何的仮定に起因する誤差を最小限に抑え、ナノインデンテーションの結果の正確性が確保された。
• 8 GPaの静水圧処理によって、トライボフィルムの機械的挙動は永久的に変化しなかった。
• 結果から、アービル効果は不可逆的塑性変形ではなく、可逆的構造的または電子的変化に起因するという仮説が支持された。