Полученные результаты могут быть использованы для повышения долговечности металлических деталей во многих областях применения.
«Износ — основная причина сбоев в инженерных системах», — сказал Сринивасан Чандрасекар, профессор промышленной инженерии и материаловедения Университета Пердью. «Однако наши выводы не ограничиваются самим износом, они распространяются на производство и обработку материалов."
Результаты являются результатом сотрудничества исследователей из Purdue, Индийского института науки в Бангалоре, Индия, и M4 Sciences, компании из Уэст-Лафайет, Индиана.
«Используя изображение скользящих контактов в металлах с высоким разрешением, мы продемонстрировали новый способ образования частиц износа и поверхностных дефектов», — сказал научный сотрудник Purdue Анирбан Махато, который работает с Чандрасекаром; Нараян Сундарам, доцент Индийского института науки; и Ян Го, научный сотрудник M4 Sciences.
Результаты подробно описаны в исследовательской статье, которая появится в среду (23 июля) в Proceedings of the Royal Society A, публикации Королевского общества в Соединенном Королевстве.
Исследователи, используя микроскоп, высокоскоростную камеру и другие инструменты, ранее выявили образование неровностей, складок и вихревых образований на скользящих металлических поверхностях. Новые результаты основаны на предыдущей статье, опубликованной в 2012 году в Physical Review Letters, чтобы показать, как поведение приводит к трещинам и частицам износа.
Результаты были противоречивыми, поскольку эксперимент проводился при комнатной температуре, а условия скольжения не генерировали достаточно тепла для размягчения металла. Тем не менее, закрученный поток больше похож на поведение, наблюдаемое в жидкостях, чем в твердых телах, сказал Чандрасекар.
Команда наблюдала, что происходит, когда клиновидный кусок стали скользит по плоскому куску алюминия или меди. Металлы обычно используются для моделирования механического поведения металлов.
«В более ранней статье мы предположили, что закрученный жидкообразный поверхностный поток, обнаруженный на металлических поверхностях скольжения, вероятно, будет влиять на износ в металлических системах скольжения», — сказал он. «Сейчас мы подтверждаем это предположение прямыми наблюдениями."
Наблюдения показывают, как перед клином образуются крошечные выпуклости, за которыми следует закрученное движение.
Когда угол клина небольшой, поток ламинарный или плавный. Однако он превращается в закрученный поток, когда угол регулируется до менее пологого угла, имитируя то, что происходит в реальных скользящих металлических деталях.Когда клин скользит по металлическому образцу, между выступами образуются складки, а затем складки трансформируются в разрывы и трещины вслед за клином, которые в конечном итоге отваливаются в виде частиц износа.
«Одного прохода скольжения достаточно, чтобы повредить поверхность, а последующие проходы приводят к образованию пластинчатых частиц износа», — сказал Чандрасекар.
Поведение было снято в фильмах, которые показывают поток в слоях с цветовой кодировкой непосредственно под поверхностями медных и алюминиевых образцов.
Размер дефектов варьируется от 5 до 25 микрон и аналогичен дефектам скользящих компонентов, таких как детали автомобильных двигателей, компрессоров и многих типов оборудования и механизмов.
«Раньше мы видели эти особенности только после того, как они сформировались, и мы приписывали их различным возможным механизмам», — сказал он. "Здесь мы показываем механизм их образования. Наблюдаемые дефекты также встречаются на поверхностях, созданных с помощью таких производственных процессов, как шлифовка, полировка, полировка, упрочнение, волочение, экструзия, прокатка и т. Д., Которые обычно используются при изготовлении структурных и механических компонентов в наземном транспорте, авиакосмической промышленности, листовом прокате. — и обработка проволоки, и металлообработка, и секторы энергетических систем."
В ходе текущих исследований будут изучены потенциальные пути уменьшения износа, возникающего из-за этого типа механизма. Металлы состоят из групп кристаллов, называемых зернами. В будущих исследованиях будет изучено, как размер зерна и пластичность материала влияют на этот тип износа, как эти типы поверхностных дефектов в производственных процессах могут быть устранены с помощью модифицированной конструкции инструментов и штампов, улучшенных моделей износа при скольжении и стратегий контроля износа.
«Мы хотим изучить этот механизм в материалах, которые имеют более мелкие кристаллы — в диапазоне 5-30 микрон», — сказал Чандрасекар. "Мы хотим показать, что этот механизм является более общим и распространяется даже на более мелкозернистые металлы."
Исследователи также разработали теорию и моделирование механизма. Работа финансировалась U.S.
Управление армейских исследований и Национальный научный фонд.
Два видео, демонстрирующих закрученный поток и образование частиц износа, соответственно, доступны по адресу https: // www.YouTube.com / watch?v = QE-PrRc5IWw & feature = youtu.быть и https: // www.YouTube.com / watch?v = VT_i14Y01FM & feature = youtu.быть