[논문 리뷰] Effect of hydrostatic pressure on elastic properties of ZDTP tribofilms

Karim Demmou, Sandrine Bec외 1명|ArXiv.org|2007. 06. 28.

Lubricants and Their Additives참고 문헌 13인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 나노인덴테이션을 이용하여 수소압 하에서 ZDTP 삼투필름의 앤틀 효과의 가역성을 조사한다. Brinell 유사 시험을 통해 최대 8 GPa의 수소압을 가했을 때, 연성 변형 영역 내외에서 탄성 계수나 압력 민감도에 변화가 없음을 확인하여, 8 GPa 이하에서 앤틀 효과가 가역적임을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• ZDTP 삼투필름의 탄성 계수 증가가 압력에 의해 유도되었을 때, 그 증가가 압력을 제거한 후에도 가역적인지 확인하는 것.
• 고수소압 조건에서 ZDTP 삼투필름의 기계적 거동을 조사하는 것.
• 압력 적용 후 연성 변형 영역과 비변형 영역의 삼투필름 탄성 특성을 비교하는 것.
• 통제된 수소압 하에서 8 GPa 이하에서 ZDTP 삼투필름의 앤틀 효과의 가역성을 검증하는 것.
• AFM를 통해 실제 접촉 면적을 고려하여 탄성 특성의 정확한 측정을 보장하는 것.

제안 방법

• Cameron-Plint 마찰시험기로 AISI 52100 스틸 표면에 ZDTP 삼투필름을 형성하였다.
• 큰 반지름의 스틸 볼을 사용하여 약 8 GPa의 수소압을 1분 동안 가하여 Brinell 유사 시험을 시뮬레이션하였다.
• 연성 변형 영역(플라스틱 인상)과 비변형 영역에 대해 버킨비치 측면을 갖는 나노인덴테이션을 수행하였다.
• 각 인덴테이션의 실제 접촉 면적을 정확한 탄성 계수 계산을 위해 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 측정하였다.
• 두 영역 간의 탄성 계수와 압력 민감도를 비교하여 가역성을 평가하였다.
• 실험 설계는 잔류 응력이나 구조적 손상이 아닌 압력 유도 효과에 의한 관측된 변화만을 고려하도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력을 제거한 후 ZDTP 삼투필름의 탄성 계수 증가가 가역적인가?
• RQ2 수소압 적용 후 연성 변형 영역과 비변형 영역 간 ZDTP 삼투필름의 탄성 특성이 다를까?
• RQ3 잔류 응력 없이도 앤틀 효과가 유지되는가? 이는 가역적 메커니즘을 시사하는가?
• RQ4 AFM를 통해 실제 접촉 면적을 고려할 경우 정확한 탄성 계수 측정이 가능한가?
• RQ5 8 GPa 이하에서 ZDTP 삼투필름에서 앤틀 효과가 가역적인 최대 수소압은 얼마인가?

주요 결과

• macroscopic 연성 변형 영역 내외의 삼투필름 영역 간 탄성 계수에 유의미한 차이가 관찰되지 않았다.
• 변형 영역과 비변형 영역 양쪽에서 삼투필름의 압력 민감도가 그대로 유지되어 일관된 기계적 반응을 나타냈다.
• 탄성 계수의 변화 없음은 8 GPa 이하에서 앤틀 효과가 수소압 하에서도 가역적임을 확인한다.
• AFM를 통한 접촉 면적 측정은 나노인덴테이션 결과의 정확성을 보장하여 기하학적 가정에 기인한 오차를 최소화하였다.
• 8 GPa 수소압 처리로 인해 삼투필름의 기계적 거동이 영구적으로 변화하지 않았다.
• 결과는 앤틀 효과가 영구적 플라스틱 변형이 아닌, 가역적인 구조적 또는 전자적 변화에 기인한다는 가설을 지지한다.