Materialeforskere studerer årsagerne til slid - permanente molekylære modifikationer opstår ved første kontakt

Slid har stor indflydelse på økonomisk effektivitet og sundhed. Alle bevægelige dele er berørt, herunder sådanne ting som lejer i et vindkraftværk eller kunstige hofteled. Imidlertid, den nøjagtige årsag til slid er stadig uklar. Forskere fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) har for nylig bevist, at effekten opstår ved første kontakt, og foregår altid på samme punkt i materialet. Deres resultater kan hjælpe med at udvikle optimerede materialer og reducere forbruget af energi og råvarer. Forskerne præsenterer resultaterne af to undersøgelser i Scripta Materialia .

Friktion opstår, hvor genstande klæber til hinanden eller har glidende eller rullende kontakt. Friktionskræfter forårsager slid, hvilket resulterer i enorme omkostninger. Omkring 30 procent af den energi, der forbruges i transportsektoren, bruges til at overvinde friktion. I Tyskland, friktion og slid producerer omkostninger svarende til omkring 1,2 til 1,7 procent af bruttonationalproduktet, mellem 42,5 og 55,5 milliarder euro i 2017.

Det er velkendt, at friktionen ved at gnide hænder gør, at de bliver varmere. Materialers reaktion på friktion er langt mere kompliceret. "Her, mange ting ændrer sig på samme tid. Men hvordan starter denne proces præcist, hvor der dannes slid, og hvilken effekt friktionsenergi har er næppe forstået, da det hidtil har været umuligt at se direkte under overfladen af ​​friktionspartnerne, siger professor Peter Gumbsch, indehaver af KIT's Chair for Mechanics of Materials og leder af Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials. "Med vores nye mikroskopiske metoder, imidlertid, det kan vi gøre. De afslører en skarp grænseflade i materialet, hvorved slidpartiklerne løsnes. Vi ønsker at finde årsagen til denne materielle svaghed."

I deres eksperimenter, forskerne opdagede en skarp linje i en dybde på 150 til 200 nm. Det dannes ved første kontakt, og er irreversibel. Det er kilden til den senere svaghed i materialet. Forskerne testede forskellige materialer, herunder kobber, messing legeringer, nikkel, jern og wolfram, og altid opnået det samme resultat. "Disse resultater er helt nye. Vi havde ikke forventet dem, " siger Gumbsch. Resultaterne bidrager til at forstå og reproducere processer, der finder sted på molekylært niveau under friktion. "Så snart vi forstår virkningerne, vi kan blande os specifikt. Det er mit mål at udvikle retningslinjer for den fremtidige produktion af legeringer eller materialer med bedre friktionsegenskaber, " tilføjer Gumbsch.

En Bølge dannes

Fejlen i materialet er en såkaldt dislokation. Dislokationer er ansvarlige for irreversible deformationer. Dislokationer opstår, når atomer skifter i forhold til hinanden. Som resultat, en atombølge forplanter sig i materialet, ligner en slanges bevægelse. "Vi fandt ud af, at disse dislokationer under friktion danner den linjeformede struktur observeret på en selvorganiseret måde. Denne effekt opstod i hvert eksperiment, " forklarer Dr. Christian Greiner fra KIT's Institute for Applied Materials – Computational Materials Science (IAM-CMS).

Forskerne sammenlignede den observerede effekt med den mekaniske spændingsfordeling i materialet, der kan beregnes analytisk. Beregninger bekræftede, at visse dislokationstyper selvorganiserer sig i et stressfelt i en dybde mellem 100 og 200 nm.

Hurtigere oxidation ved friktion

Ud over den nævnte effekt, forskerne brugte kobberprøver til at studere effekten af ​​friktion på oxidation af overflader. Efter et par friktionscyklusser, kobberoxidpletter dannet på overfladen. I tidens løb, de voksede til halvcirkulære nanokrystallinske kobberoxidklynger. Kobber-2-oxid nanokrystallerne på 3-5 nm i størrelse var omgivet af en amorf struktur. De voksede i stigende grad ind i materialet, indtil de overlappede hinanden og dannede et lukket oxidlag. Ifølge Greiner, dette fænomen har været kendt i lang tid, men årsagen til denne virkning er stadig ukendt. "Det er meget vigtigt at forstå, hvordan friktionsforårsaget oxidation finder sted. I materialevidenskab, kobber bruges ret hyppigt. Og kobber er også et vigtigt materiale til bevægelige dele, " siger Greiner. Mange lejer består af kobberlegeringer, såsom bronze eller messing. Følgelig, undersøgelsesresultaterne er af betydelig interesse for kobberforarbejdningsindustrien.

Hård bold møder blød kobber

Fremgangsmåden, der anvendes til begge undersøgelser, er enkel:En safirkugle bevæges i en meget jævn, langsom, og kontrolleret lige hen over en plade lavet af rent kobber. Safirkuglen garanterer altid den samme reproducerbare kontakt og friktion på grund af safirens hårdhed. Efter hver bevægelse hen over pladen, forskerne målte den deformation, det forårsagede, og de resulterende strukturelle ændringer inde i metallerne. I deres unikke tilgang, de kombinerede friktionseksperimenter med ikke-destruktive testmetoder, datavidenskabelige algoritmer, og højopløselig elektronmikroskopi.