Afkodning af materialeslitage med supercomputere

Slid og friktion er afgørende spørgsmål i mange industrisektorer:Hvad sker der, når en overflade glider hen over en anden? Hvilke ændringer skal forventes i materialet? Hvad betyder dette for maskinernes holdbarhed og sikkerhed?

Hvad der sker på atomniveau kan ikke observeres direkte. Imidlertid, et yderligere videnskabeligt værktøj er nu tilgængeligt til dette formål:For første gang, komplekse computersimuleringer er blevet så kraftfulde, at slid og friktion af virkelige materialer kan simuleres i atomskala.

Tribologi -teamet ved TU Wien (Wien), ledet af prof. Carsten Gachot, har nu bevist, at dette nye forskningsfelt nu leverer pålidelige resultater i en aktuel publikation i det anerkendte videnskabelige tidsskrift ACS -anvendte materialer og grænseflader . Overførslen af ​​overflader bestående af kobber og nikkel blev simuleret med højtydende computere. Resultaterne stemmer overraskende godt overens med billeder fra elektronmikroskopi - men de giver også værdifuld yderligere information.

Friktion ændrer små korn

For det blotte øje, det ser ikke særlig spektakulært ud, når to overflader glider hen over hinanden. Men på det mikroskopiske plan, meget komplicerede processer finder sted:"Metaller, som de bruges i teknologi, har en særlig mikrostruktur, "forklarer Dr. Stefan Eder, første forfatter til den aktuelle publikation. "De består af små korn med en diameter i størrelsesordenen mikrometer eller endnu mindre."

Når det ene metal glider over det andet under høj forskydningsspænding, kornene af de to materialer kommer i intens kontakt med hinanden:de kan roteres, deformeret eller forskudt, de kan brydes op i mindre korn eller vokse på grund af forhøjet temperatur eller mekanisk kraft. Alle disse processer, som finder sted i mikroskopisk skala, bestemmer i sidste ende materialets adfærd i stor skala - og dermed bestemmer de også maskinens levetid, mængden af ​​energi tabt i en motor på grund af friktion, eller hvor godt en bremse fungerer, hvor den højest mulige friktionskraft ønskes.

Computersimulering og eksperiment

"Resultatet af disse mikroskopiske processer kan derefter undersøges i et elektronmikroskop, "siger Stefan Eder." Du kan se, hvordan overfladens kornstruktur har ændret sig. Imidlertid, det har endnu ikke været muligt at studere tidsudviklingen af ​​disse processer og forklare præcis, hvad der forårsager hvilke virkninger på hvilket tidspunkt. "

Dette hul lukkes nu af store molekylære dynamiksimuleringer udviklet af tribologi -teamet på TU Wien i samarbejde med Excellence Center of Tribology (AC²T) i Wiener Neustadt og Imperial College i London:Atom at atom, overfladerne simuleres på computeren. Jo større den simulerede del af materiale og jo længere den simulerede tidsperiode, jo mere computerkraft er nødvendig. "Vi simulerer sektioner med en sidelængde på op til 85 nanometer, over en periode på flere nanosekunder, "siger Stefan Eder. Det lyder ikke af meget, men det er bemærkelsesværdigt:Selv Wien Scientific Cluster 4, Østrigs største supercomputer, kan nogle gange have travlt med sådanne opgaver i flere måneder ad gangen.

Teamet undersøgte slid på legeringer af kobber og nikkel - og gjorde det ved hjælp af forskellige blandingsforhold mellem de to metaller og forskellige mekaniske belastninger. "Vores computersimuleringer afslørede præcis de forskellige processer, mikrostrukturelle ændringer og slidvirkninger, der allerede er kendt fra forsøg, "siger Stefan Eder." Vi kan bruge vores simuleringer til at producere billeder, der præcist svarer til billederne fra elektronmikroskopet. Imidlertid, vores metode har en afgørende fordel:Vi kan derefter analysere processen detaljeret på computeren. Vi ved, hvilket atom der ændrede sin plads på hvilket tidspunkt, og hvad skete der præcist med hvilket korn i hvilken fase af processen. "

Forståelse af slid - Optimering af industrielle processer

De nye metoder bliver allerede mødt med stor interesse fra industrien:"I årevis har der har været en løbende diskussion om, at tribologi kunne drage fordel af pålidelige computersimuleringer. Nu er vi nået til et stadie, hvor kvaliteten af ​​simuleringerne og den tilgængelige computerkraft er så stor, at vi kunne bruge dem til at besvare spændende spørgsmål, som ellers ikke ville være tilgængelige, "siger Carsten Gachot. I fremtiden vil de vil også analysere, forstå, og forbedre industrielle processer på atomniveau.