När två metallytor glider mot varandra uppstår en mängd komplicerade fenomen som leder till friktion och slitage:Små kristallina områden, av vilka metaller vanligtvis är sammansatta, kan deformeras, vridas eller gå sönder, eller till och med smälta samman. Det är viktigt för industrin att förstå sådana effekter. Slitage kan trots allt förstöra maskiner och kosta mycket pengar.

Vanligtvis gäller att ju snabbare de två ytorna glider förbi varandra, desto större slitage. Men vid extremt höga hastigheter, jämförbara med mynningshastigheten på ett skjutvapen, kan detta vändas:Över en viss hastighet minskar slitaget igen. Detta överraskande och till synes motsägelsefulla resultat har nu förklarats med hjälp av datorsimuleringar av forskningsenheten Tribology vid TU Wien och Austrian Excellence Centre for Tribology (AC2T research GmbH) i Wiener Neustadt i samarbete med Imperial College i London.

Simuleringar på högpresterande datorer

"Tidigare kunde friktion och slitage endast studeras i experiment", säger Stefan Eder (TU Wien, AC2T research GmbH). "Först på senare år har superdatorer blivit så kraftfulla att vi kan modellera de mycket komplexa processerna vid materialytan i atomär skala."

Stefan Eder och hans team återskapar olika metallegeringar på datorn – inte perfekta enkristaller, med ett strikt regelbundet och defektfritt arrangemang av atomer, utan en legering som är mycket närmare verkligheten:ett geometriskt komplicerat arrangemang av små kristaller som kan förskjutna från varandra eller vridna i olika riktningar, vilket visar sig som materiella defekter. "Detta är viktigt eftersom alla dessa defekter har en avgörande inverkan på friktion och slitage", säger Stefan Eder. "Om vi ​​skulle simulera en perfekt metall på datorn skulle resultatet inte ha mycket med verkligheten att göra."

Överraskande resultat

Forskargruppen beräknade hur glidhastigheten påverkar slitaget:"Vid jämförelsevis låga hastigheter, i storleksordningen tio eller tjugo meter per sekund, är slitaget lågt. Bara de yttersta lagren förändras, kristallstrukturerna under förblir i stort sett intakta", säger Stefan Eder .

Ökar man hastigheten till 80–100 meter per sekund ökar slitaget – det är ju att vänta, då överförs då mer energi till metallen per tidsenhet. – Man kommer sedan gradvis in i ett intervall där metallen beter sig som en trögflytande vätska, liknande honung eller jordnötssmör, säger Stefan Eder. Djupare lager av metallen dras med i riktning mot den passerande ytan, och mikrostrukturen i metallen är helt omorganiserad. De enskilda kornen som utgör materialet vrids, bryts, trycks in i varandra och dras slutligen med.

Teamet upplevde dock en överraskning när de gick vidare till ännu högre hastigheter:Över cirka 300 meter per sekund – vilket ungefär motsvarar topphastigheten för flygplan inom civil luftfart – minskar slitaget igen. Mikrostrukturen i metallen strax under ytan, som förstörs helt med medelhastigheter, förblir nu i stort sett intakt igen.

"Det här var fantastiskt för oss och för tribologigemenskapen", säger Stefan Eder. "Men litteraturforskning visade oss:denna effekt har observerats av andra forskare i experiment - den är bara inte särskilt välkänd eftersom så höga hastigheter sällan förekommer. Men ursprunget till denna effekt har ännu inte klarlagts."

Smältning av ytan skyddar djupare lager

Mer detaljerade analyser av datordata har nu belyst hur denna effekt är möjlig:Vid extremt höga hastigheter genererar friktion mycket värme — men på ett mycket ojämnt sätt. Endast enskilda fläckar på ytorna av de två metallerna som glider mot varandra är i kontakt, och dessa små områden kan nå tusentals grader Celsius. Däremellan är temperaturen mycket lägre.

Som ett resultat kan små delar av ytan smälta och sedan omkristallisera en bråkdel av en sekund senare. Det allra yttersta lagret av metallen förändras alltså dramatiskt, men det är just detta som skyddar de djupare delarna av materialet:Endast de yttersta lagren av materialet känner av slitaget, de kristallina strukturerna under förändras endast något.

– Den här effekten, som hittills knappast har diskuterats, uppstår med olika material, säger Stefan Eder. "Varhelst friktion uppstår vid höga till extremt höga hastigheter kommer det att vara viktigt att ta hänsyn till detta i framtiden." Det gäller till exempel moderna höghastighetslager och transmissioner inom E-mobility eller maskiner som slipar ytor. Den nu bättre förstådda effekten spelar också en roll för metallernas stabilitet vid en fordonskrasch eller i påverkan av små partiklar på höghastighetsflygplan.

Studien publiceras i Applied Materials Today . + Utforska vidare

Avkodning av materialslitage med superdatorer