Krigsfighters på slagfältet förlitar sig ofta på maskiner, fordon och annan teknik med roterande delar för att slutföra sitt uppdrag. Arméforskare har utarbetat en ny metod för att testa för en viktig faktor vid utrustningsfel och haveri för att säkerställa att dessa verktyg uppfyller rätt kvalitetsstandard.

När mekaniska delar glider mot varandra under långa perioder, den konstanta slipningen kan slita på metallytorna tills delarna inte längre fungerar. Studiet av friktion, slitage och smörjning när två eller flera ytor samverkar i relativ rörelse kallas tribologi, och dess betydelse inom materialvetenskap och ingenjörskonst har fått forskare att hitta nya sätt att undersöka torr mekanisk kontakt.

Forskare vid U.S. Army Combat Capabilities Development Commands Army Research Laboratory utvecklade nyligen ett nytt tillvägagångssätt för att analysera det tribologiska svaret mellan stål och kiselnitrid som äger rum när de två metallerna interagerar, snarare än efter att proverna har svalnat.

Denna senaste metod för att studera slitage kan göra det möjligt för forskare att observera flyktiga kemiska reaktioner som inträffar vid kontaktplatsen.

"Det mekaniska systemet är mycket dynamiskt under drift, sade Dr Stephen Berkebile, Arméforskningsfysiker. "Om den inte fångas under drift och, istället, mäts när den inte rör sig snabbt, de övergående kemiska reaktionerna och fysikaliska förändringarna skulle inte fångas eftersom systemet kan förändras efter nedkylning från friktionsuppvärmningen."

Berkebile fungerade som en av arméns forskare som arbetade tillsammans med University of North Texas för att studera glidande interaktion mellan stål och kiselnitrid. Mer specifikt, teamet försökte undersöka varför ökad glidhastighet mellan stål och kiselnitrid minskade deras friktionshastighet och slitage när de fick kontakt.

Enligt forskarna, interaktionen mellan stål och kiselnitrid är en som vanligtvis sker under torrbearbetningsprocessen av vissa skärverktyg och i nödsituationer med höghastighetslager när de tappar sin smörjkälla, som de i jetmotorturbiner. Att förstå kinetiken bakom den snabba glidkontakten mellan dessa två metaller skulle vara avgörande för att utveckla bättre och säkrare fordon och utrustning för soldater.

"Hybridlager med kontakten stål/kiselnitrid används i allt större utsträckning i turbomaskiner inom helikopterframdrivningssystem, "Sådana hybridlager får mer och mer användning i rotorfarkoster och helikopterframdrivningssystem där de körs i höga hastigheter."

Forskarna genomförde experimentet med hjälp av en Ball on Disk-tribometer som gled en rullande kiselnitridkula mot en roterande skiva av stål som värmdes till 120 grader Celsius med en värmeplatta under.

Ett stereooptiskt mikroskop med en färgladdningskopplad enhet, eller CCD, kameran och en infraröd kamera erhöll värmeavbildningsdata när skivans rotationshastighet ökade från 1 m/s till 16 m/s. Efteråt, forskarna genomförde en analys av slitagespåren med hjälp av en tillbakaspridningselektrondetektor som kartlade den elementära sammansättningen av kvarvarande filmrester.

"Genom att kombinera två optiska metoder med friktionsdata i realtid, vi kunde förstå den kemiska övergången i slitagemekanismen, " sa Berkebile. "Vi kunde korrelera friktionen, temperatur och kemiskt tillstånd för den mekaniska kontakten under aktiv drift av experimentet när den kemiska reaktionen inträffade."

Enligt forskarna, detta experiment representerade det första kända försöket att analysera det tribologiska svaret av stål och kiselnitrid mitt i ett test med hög glidhastighet.

Vidare, data från denna djärva satsning gav ny information om arten av tribologiska effekter som ägde rum.

Teamet upptäckte att den friktionsuppvärmning som orsakades vid en tröskelglidhastighet på cirka 4,5 m/s inducerade en kemisk reaktion som lämnade efter sig en smörjande tunn film vid den starkt belastade kontaktzonen.

Denna hala tunna film var det som gjorde det möjligt för den mekaniska interaktionen mellan stål och kiselnitrid att visa lägre friktion och slitage när glidhastigheten ökade. Med den nya metoden, teamet lyckades fastställa den exakta tidpunkten då den kemiska reaktionen inträffade från observationer av slitbanornas färgförändring under experimentet.

Dessutom, forskarna fastställde att detta fenomen är fullt aktivt när glidhastigheten steg över 9 m/s under växel- och lagerliknande förhållanden.

Baserat på analysen av slitspåren, forskarna verifierade att en serie oxidationsreaktioner måste ha ägt rum som ett resultat av samspelet mellan järn, syre och kisel under höga temperaturer från friktionsuppvärmning.

"Vi fann att en mjuk övergång mellan en kemisk reaktion till en annan sker under övergången mellan lågfriktions- och slitagetillståndet och högfriktions- och slitagetillståndet, ", sa Berkebile. "Den kemiska reaktionen kräver också att friktionsvärme upprätthålls, och kan således "släcka" sig själv efter några sekunder om lågfriktionstillståndet uppnås och friktionsuppvärmningen reduceras vid mellanhastigheter."

Enligt Berkebile, denna nya in-situ-metod för att undersöka torrglidande mekaniska kontakter har potentialen att avsevärt förbättra arméns ansträngningar att utveckla maskiner som bättre tål höga temperaturer, belastningar och hastigheter.

"Arméhelikoptrar har ett krav på att fungera i 30 minuter efter att smörjningen har tappats från drivsystemet, ", sa Berkebile. "Från denna studie, vi har lärt oss att för drivsystem som innehåller hybridkomponenter, som kiselnitrid/stållager, Materialen kan faktiskt hålla längre om de glider med högre snarare än lägre hastighet, vilket verkligen är kontraintuitivt."