Forskere rapporterer kontraintuitiv friktionseffekt

Når to metaloverflader glider mod hinanden, opstår der en række komplicerede fænomener, som fører til friktion og slid:Små krystallinske områder, hvoraf metaller typisk er sammensat, kan deformeres, snoes eller knækkes eller endda smelte sammen. Det er vigtigt for industrien at forstå sådanne effekter. Slid kan trods alt ødelægge maskineri og koste mange penge.

Typisk er det sådan, at jo hurtigere de to overflader glider forbi hinanden, jo større er sliddet. Men ved ekstremt høje hastigheder, der kan sammenlignes med et skydevåbens mundingshastighed, kan dette vendes:Over en vis hastighed aftager sliddet igen. Dette overraskende og tilsyneladende modstridende resultat er nu blevet forklaret ved hjælp af computersimuleringer af Research Unit Tribology ved TU Wien og Austrian Excellence Centre for Tribology (AC2T research GmbH) i Wiener Neustadt i samarbejde med Imperial College i London.

Simuleringer på højtydende computere

"Tidligere kunne friktion og slid kun studeres i eksperimenter," siger Stefan Eder (TU Wien, AC2T research GmbH). "Kun i de senere år er supercomputere blevet så kraftige, at vi kan modellere de meget komplekse processer på materialets overflade på atomær skala."

Stefan Eder og hans team genskaber forskellige metallegeringer på computeren – ikke perfekte enkeltkrystaller, med et strengt regulært og defektfrit arrangement af atomer, men en legering, der er meget tættere på virkeligheden:et geometrisk kompliceret arrangement af bittesmå krystaller, der kan forskudt fra hinanden eller snoet i forskellige retninger, der viser sig som materielle defekter. "Det er vigtigt, fordi alle disse defekter har en afgørende indflydelse på friktion og slid," siger Stefan Eder. "Hvis vi skulle simulere et perfekt metal på computeren, ville resultatet ikke have meget at gøre med virkeligheden."

Overraskende resultater

Forskerholdet har beregnet, hvordan glidehastigheden påvirker slid:"Ved forholdsvis lave hastigheder, i størrelsesordenen ti eller tyve meter i sekundet, er sliddet lavt. Kun de yderste lag ændrer sig, krystalstrukturerne nedenunder forbliver stort set intakte," siger Stefan Eder .

Øger man hastigheden til 80-100 meter i sekundet, øges sliddet – det må forventes, at der så overføres mere energi til metallet pr. tidsenhed. "Man kommer så gradvist ind i et område, hvor metallet opfører sig som en tyktflydende væske, der ligner honning eller jordnøddesmør," siger Stefan Eder. Dybere lag af metallet trækkes med i retning af den passerende overflade, og mikrostrukturen i metallet er fuldstændig reorganiseret. De enkelte korn, der udgør materialet, bliver snoet, knækket, skubbet ind i hinanden og til sidst trukket med.

Holdet oplevede dog en overraskelse, da de gik videre til endnu højere hastigheder:Over omkring 300 meter i sekundet – hvilket nogenlunde svarer til tophastigheden for fly inden for civil luftfart – falder sliddet igen. Metallets mikrostruktur lige under overfladen, som er fuldstændig ødelagt ved middel hastighed, forbliver nu stort set intakt igen.

"Dette var fantastisk for os og for tribologisamfundet," siger Stefan Eder. "Men litteraturforskning viste os:denne effekt er blevet observeret af andre videnskabsmænd i eksperimenter - den er bare ikke særlig kendt, fordi så høje hastigheder sjældent forekommer. Men oprindelsen af ​​denne effekt er endnu ikke blevet afklaret."

Smeltning af overfladen beskytter dybere lag

Mere detaljerede analyser af computerdataene har nu kastet lys over, hvordan denne effekt er mulig:Ved ekstremt høje hastigheder genererer friktion meget varme - men på en meget ujævn måde. Kun individuelle pletter på overfladerne af de to metaller, der glider mod hinanden, er i kontakt, og disse små områder kan nå tusindvis af grader Celsius. Ind i mellem er temperaturen meget lavere.

Som et resultat kan små dele af overfladen smelte og derefter omkrystallisere en brøkdel af et sekund senere. Det yderste lag af metallet er således ændret dramatisk, men det er netop det, der beskytter de dybere områder af materialet:Kun de yderste lag af materialet mærker sliddet, de krystallinske strukturer nedenunder ændrer sig kun lidt.

"Denne effekt, som næppe har været diskuteret hidtil, opstår med forskellige materialer," siger Stefan Eder. "Hvor som helst friktion opstår ved høje til ekstremt høje hastigheder, vil det være vigtigt at tage højde for dette i fremtiden." Det gælder for eksempel moderne højhastighedslejer og transmissioner i E-mobility eller maskiner, der sliber overflader. Den nu bedre forståede effekt spiller også en rolle i stabiliteten af ​​metaller i et køretøjsulykke eller i påvirkningen af ​​små partikler på højhastighedsfly.

Undersøgelsen er offentliggjort i Applied Materials Today . + Udforsk yderligere

Afkodning af materialeslid med supercomputere