Forskare har upptäckt en tidigare okänd mekanism för slitage i metaller:en virvlande, vätskeliknande mikroskopiskt beteende i en solid metallbit som glider över en annan.

Resultaten kan användas för att förbättra hållbarheten hos metalldelar i många applikationer.

"Slitage är en viktig orsak till misslyckanden i tekniska applikationer, " sa Srinivasan Chandrasekar, en Purdue University professor i industriteknik och materialteknik. "Dock, våra fynd har konsekvenser utöver själva slitaget, sträcker sig till tillverkning och materialbearbetning."

Resultaten är resultatet av ett samarbete mellan forskare från Purdue, Indian Institute of Science i Bangalore, Indien, och M4 Sciences, ett företag i West Lafayette, Indiana.

"Med högupplöst bildåtergivning av glidkontakter i metaller, vi har visat ett nytt sätt genom vilket slitagepartiklar och ytdefekter kan bildas, " sa Purdue postdoktoral forskningsassistent Anirban Mahato, som arbetar med Chandrasekar; Narayan Sundaram, en biträdande professor vid Indian Institute of Science; och Yang Guo, en forskare vid M4 Sciences.

Resultaten beskrivs i ett forskningsdokument som kommer att visas onsdag (23 juli) i Proceedings of the Royal Society A , en publikation av Royal Society i Storbritannien.

Forskarna, med hjälp av ett mikroskop, höghastighetskamera och andra verktyg, hade tidigare avslöjat bildandet av gupp, veck och virvelliknande drag på glidande metallytor. De nya fynden bygger på den tidigare uppsatsen, publicerades 2012 i Fysiska granskningsbrev , för att visa hur beteendet leder till sprickor och slitagepartiklar.

Fynden var kontraintuitiva eftersom experimentet utfördes vid rumstemperatur, och glidförhållandena genererade inte tillräckligt med värme för att mjuka upp metallen. Än, det virvlande flödet liknar mer beteende som ses i vätskor än i fasta ämnen, sade Chandrasekar.

Teamet observerade vad som händer när ett kilformat stycke stål glider över en platt bit av aluminium eller koppar. Metallerna används vanligtvis för att modellera det mekaniska beteendet hos metaller.

"Vi spekulerade i den tidigare artikeln att det virvlande vätskeliknande ytflödet som upptäckts på glidande metallytor sannolikt kommer att påverka slitage i glidande metallsystem, "Nu bekräftar vi denna spekulation genom direkta observationer."

Observationerna visar hur små knölar bildas framför kilen, följt av den virvlande rörelsen. När kilvinkeln är ytlig, flödet är laminärt, eller slät. Dock, det ändras till ett virvlande flöde när vinkeln justeras till en mindre ytlig vinkel, efterlikna vad som händer i faktiska glidande metalldelar. När kilen glider över metallexemplaret, veck bildas mellan stötarna, och sedan förvandlas vecken till tårar och sprickor i kilens spår, faller så småningom av som slitagepartiklar.

"Ett enda glidpass är tillräckligt för att skada ytan, och efterföljande passager resulterar i generering av blodplättsliknande slitpartiklar, "Sa Chandrasekar.

Beteendet fångades i filmer som visar flödet i färgkodade lager precis under ytorna på koppar- och aluminiumproverna.

Defekterna varierar i storlek från 5 till 25 mikron och liknar de som finns i glidande komponenter som delar i bilmotorer, kompressorer och många typer av utrustning och maskiner. 1"Tidigare såg vi dessa funktioner först efter att de hade bildats, och vi tillskrev dem olika möjliga mekanismer, " sa han. "Här, vi visar en mekanism för hur de bildas. De defektegenskaper som observerats förekommer också i ytor som skapats av tillverkningsprocesser som slipning, putsning, polering, peening, teckning, extrudering, rullande, och så vidare, som alla ofta används för att tillverka strukturella och mekaniska komponenter i marktransporter, flyg, bearbetning av plåt och tråd, och energisystemsektorer."

Pågående forskning kommer att undersöka möjliga vägar för att minska slitaget till följd av denna typ av mekanism. Metaller är gjorda av grupper av kristaller som kallas korn. Framtida arbete kommer att studera hur ett materials kornstorlek och duktilitet påverkar denna typ av slitage, hur dessa typer av ytdefekter i tillverkningsprocesser kan elimineras genom den modifierade designen av verktyg och formar, förbättrade modeller för glidande slitage och slitagekontrollstrategier.

"Vi vill titta på den här mekanismen i material som har mindre kristaller - i intervallet 5-30 mikron, ", sade Chandrasekar. "Vi vill visa att mekanismen är mer allmän och sträcker sig ner till ännu finare metaller."