Discovery er nøglen til metalslid i glidende dele (m/ video)

Forskere har opdaget en hidtil ukendt mekanisme til slid i metaller:en hvirvlende, væskelignende mikroskopisk adfærd i et solidt stykke metal, der glider hen over et andet.

Resultaterne kan bruges til at forbedre holdbarheden af ​​metaldele i adskillige applikationer.

"Slid er en væsentlig årsag til fejl i tekniske applikationer, " sagde Srinivasan Chandrasekar, en professor i industriel teknik og materialeteknik ved Purdue University. "Imidlertid, vores fund har implikationer ud over selve slid, strækker sig til fremstilling og forarbejdning af materialer. "

Resultaterne er resultatet af et samarbejde mellem forskere fra Purdue, det indiske videnskabsinstitut i Bangalore, Indien, og M4 Sciences, en virksomhed i West Lafayette, Indiana.

"Brug af billedoptagelse i høj opløsning af glidende kontakter i metaller, vi har demonstreret en ny måde, hvorpå slidpartikler og overfladedefekter kan dannes, " sagde Purdue postdoktorale forskningsassocierede Anirban Mahato, der arbejder med Chandrasekar; Narayan Sundaram, en assisterende professor ved Indian Institute of Science; og Yang Guo, en forsker ved M4 Sciences.

Resultaterne er beskrevet detaljeret i et forskningspapir, der vises onsdag (23. juli) i Proceedings of the Royal Society A , en udgivelse af Royal Society i Det Forenede Kongerige.

Forskerne, ved hjælp af et mikroskop, højhastighedskamera og andre værktøjer, havde tidligere afsløret dannelsen af ​​bump, folder og vortex-lignende træk på glidende metaloverflader. De nye resultater bygger på det tidligere papir, udgivet i 2012 i Fysiske anmeldelsesbreve , at vise hvordan adfærden fører til revner og slidpartikler.

Resultaterne var kontraintuitive, fordi forsøget blev udført ved stuetemperatur, og glideforholdene genererede ikke varme nok til at blødgøre metallet. Endnu, den hvirvlende strøm ligner mere adfærd set i væsker end i faste stoffer, Sagde Chandrasekar.

Teamet observerede, hvad der sker, når et kileformet stykke stål glider over et fladt stykke aluminium eller kobber. Metallerne bruges almindeligvis til at modellere den mekaniske opførsel af metaller.

"Vi spekulerede i det tidligere papir om, at den sværvæskelignende overfladestrøm opdaget på glidende metaloverflader sandsynligvis vil påvirke slid i glidende metalsystemer, "sagde han." Nu bekræfter vi denne spekulation ved direkte observationer. "

Observationerne viser, hvordan små bump dannes foran kilen, efterfulgt af den hvirvlende bevægelse. Når kilevinklen er lav, flowet er laminært, eller glatte. Imidlertid, det skifter til et hvirvlende flow, når vinklen justeres til en mindre lav vinkel, efterligne, hvad der sker i faktiske glidende metaldele. Når kilen glider hen over metalprøven, der dannes folder mellem bumpene, og derefter forvandles folderne til tårer og revner i kølvandet på kilen, til sidst falde af som slidpartikler.

"Et enkelt glidepas er tilstrækkeligt til at beskadige overfladen, og efterfølgende gennemløb resulterer i dannelsen af ​​blodpladelignende slidpartikler, " sagde Chandrasekar.

Adfærden blev fanget i film, der viser strømmen i farvekodede lag lige under overfladerne af kobber- og aluminiumprøverne.

Defekterne varierer i størrelse fra 5 til 25 mikron og ligner dem, der findes i glidende komponenter såsom dele i bilmotorer, kompressorer og talrige typer udstyr og maskiner. 1 "Tidligere så vi først disse træk, efter at de havde dannet sig, og vi tilskrev dem forskellige mulige mekanismer, sagde han. Her, vi viser en mekanisme for, hvordan de er dannet. De observerede defektfunktioner forekommer også på overflader skabt ved fremstillingsprocesser som slibning, polering, polering, peening, tegning, ekstrudering, rullende, og så videre, som alle er almindeligt anvendt til fremstilling af strukturelle og mekaniske komponenter til jordtransport, rumfart, bearbejdning af plader og metal og energisystemer."

Løbende forskning vil udforske potentielle veje til at reducere slid, der opstår fra denne type mekanisme. Metaller er lavet af grupper af krystaller kaldet korn. Fremtidens arbejde vil undersøge, hvordan et materiales kornstørrelse og duktilitet påvirker denne form for slid, hvordan disse typer af overfladefejl i fremstillingsprocesser kan elimineres gennem det ændrede design af værktøjer og matricer, forbedrede modeller til glidende slid og slidkontrolstrategier.

"Vi ønsker at se på denne mekanisme i materialer, der har mindre krystaller - i området 5-30 mikron, "Chandrasekar sagde." Vi vil vise, at mekanismen er mere generel og strækker sig ned til endnu finkornede metaller. "