Wanneer twee metalen oppervlakken tegen elkaar schuiven, treden er een aantal gecompliceerde verschijnselen op die tot wrijving en slijtage leiden:Kleine kristallijne gebieden, waaruit meestal metalen bestaan, kunnen worden vervormd, verdraaid of gebroken, of zelfs samensmelten. Het is belangrijk voor de industrie om dergelijke effecten te begrijpen. Slijtage kan immers machines vernietigen en veel geld kosten.

Typisch, hoe sneller de twee oppervlakken langs elkaar glijden, hoe groter de slijtage. Maar bij extreem hoge snelheden, vergelijkbaar met de mondingssnelheid van een vuurwapen, kan dit worden omgekeerd:boven een bepaalde snelheid neemt de slijtage weer af. Dit verrassende en schijnbaar tegenstrijdige resultaat is nu verklaard met behulp van computersimulaties door de Research Unit Tribology van de TU Wien en het Austrian Excellence Center for Tribology (AC2T research GmbH) in Wiener Neustadt in samenwerking met Imperial College in Londen.

Simulaties op krachtige computers

"Vroeger konden wrijving en slijtage alleen in experimenten worden onderzocht", zegt Stefan Eder (TU Wien, AC2T research GmbH). "Pas de laatste jaren zijn supercomputers zo krachtig geworden dat we de zeer complexe processen aan het materiaaloppervlak op atomaire schaal kunnen modelleren."

Stefan Eder en zijn team recreëren verschillende metaallegeringen op de computer - geen perfecte enkele kristallen, met een strikt regelmatige en foutloze rangschikking van atomen, maar een legering die veel dichter bij de werkelijkheid staat:een geometrisch gecompliceerde rangschikking van kleine kristallen die kunnen worden ten opzichte van elkaar verschoven of in verschillende richtingen gedraaid, wat zich manifesteert als materiële gebreken. "Dit is belangrijk omdat al deze defecten een beslissende invloed hebben op wrijving en slijtage", zegt Stefan Eder. "Als we een perfect metaal op de computer zouden simuleren, zou het resultaat weinig met de werkelijkheid te maken hebben."

Verrassende resultaten

Het onderzoeksteam berekende hoe de glijsnelheid de slijtage beïnvloedt:"Bij relatief lage snelheden, in de orde van tien of twintig meter per seconde, is de slijtage laag. Alleen de buitenste lagen veranderen, de onderliggende kristalstructuren blijven grotendeels intact", zegt Stefan Eder .

Als je de snelheid opvoert naar 80-100 meter per seconde, neemt de slijtage toe - dat is te verwachten, er wordt dan immers meer energie per tijdseenheid aan het metaal overgedragen. "Dan kom je geleidelijk in een bereik waar het metaal zich gedraagt ​​als een stroperige vloeistof, vergelijkbaar met honing of pindakaas", zegt Stefan Eder. Diepere lagen van het metaal worden meegetrokken in de richting van het passerende oppervlak, en de microstructuur in het metaal wordt volledig gereorganiseerd. De afzonderlijke korrels waaruit het materiaal bestaat, worden gedraaid, gebroken, in elkaar geduwd en uiteindelijk meegetrokken.

Het team ondervond echter een verrassing toen ze naar nog hogere snelheden gingen:boven zo'n 300 meter per seconde - wat ongeveer overeenkomt met de topsnelheid van vliegtuigen in de burgerluchtvaart - neemt de slijtage weer af. De microstructuur van het metaal net onder het oppervlak, dat bij gemiddelde snelheden volledig wordt vernietigd, blijft nu weer grotendeels intact.

"Dit was geweldig voor ons en voor de tribologiegemeenschap", zegt Stefan Eder. "Maar literatuuronderzoek toonde ons:dit effect is door andere wetenschappers in experimenten waargenomen - het is alleen niet erg bekend omdat zulke hoge snelheden zelden voorkomen. De oorsprong van dit effect is echter nog niet opgehelderd."

Smelten van het oppervlak beschermt diepere lagen

Meer gedetailleerde analyses van de computergegevens hebben nu duidelijk gemaakt hoe dit effect mogelijk is:bij extreem hoge snelheden genereert wrijving veel warmte, maar op een zeer ongelijke manier. Alleen individuele plekken op de oppervlakken van de twee metalen die tegen elkaar schuiven, zijn in contact, en deze kleine gebieden kunnen duizenden graden Celsius bereiken. Tussendoor is de temperatuur veel lager.

Hierdoor kunnen kleine delen van het oppervlak smelten en een fractie van een seconde later weer kristalliseren. De buitenste laag van het metaal is dus drastisch veranderd, maar dit is precies wat de diepere delen van het materiaal beschermt:alleen de buitenste lagen van het materiaal voelen de slijtage, de kristallijne structuren eronder veranderen slechts in geringe mate.

"Dit effect, dat tot nu toe nauwelijks is besproken, doet zich voor bij verschillende materialen", zegt Stefan Eder. "Overal waar wrijving optreedt bij hoge tot extreem hoge snelheden, zal het essentieel zijn om hier in de toekomst rekening mee te houden." Dit geldt bijvoorbeeld voor moderne, high-speed lagers en transmissies in E-mobility, of voor machines die oppervlakken slijpen. Het nu beter begrepen effect speelt ook een rol bij de stabiliteit van metalen bij een voertuigcrash of bij de impact van kleine deeltjes op hogesnelheidsvliegtuigen.

De studie is gepubliceerd in Applied Materials Today . + Verder verkennen

Materiaalslijtage decoderen met supercomputers