Onderzoekers hebben een voorheen onbekend mechanisme voor slijtage in metalen ontdekt:een wervelende, vloeistofachtig microscopisch gedrag in een massief stuk metaal dat over een ander glijdt.

De bevindingen kunnen worden gebruikt om de duurzaamheid van metalen onderdelen in tal van toepassingen te verbeteren.

"Slijtage is een belangrijke oorzaak van storingen in technische toepassingen, " zei Srinivasan Chandrasekar, een Purdue University hoogleraar industriële techniek en materiaalkunde. "Echter, onze bevindingen hebben implicaties die verder gaan dan het dragen zelf, zich uitstrekken tot productie en materiaalverwerking."

De bevindingen zijn het resultaat van een samenwerking van onderzoekers van Purdue, het Indian Institute of Science in Bangalore, Indië, en M4 Wetenschappen, een bedrijf in West Lafayette, Indiana.

"Met behulp van hoge resolutie beeldvorming van schuifcontacten in metalen, we hebben een nieuwe manier aangetoond waarop slijtagedeeltjes en oppervlaktedefecten kunnen ontstaan, " zei Purdue, postdoctoraal onderzoeksmedewerker Anirban Mahato, wie werkt met Chandrasekar; Narayan Sundaram, een assistent-professor aan het Indian Institute of Science; en Yang Guo, een onderzoekswetenschapper bij M4 Sciences.

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper dat woensdag (23 juli) verschijnt in Proceedings van de Royal Society A , een publicatie van de Royal Society in het Verenigd Koninkrijk.

De onderzoekers, met behulp van een microscoop, high-speed camera en andere tools, had eerder de vorming van hobbels onthuld, vouwen en vortex-achtige kenmerken op glijdende metalen oppervlakken. De nieuwe bevindingen bouwen voort op het vorige artikel, gepubliceerd in 2012 in Fysieke beoordelingsbrieven , om te laten zien hoe het gedrag leidt tot scheuren en slijtagedeeltjes.

De bevindingen waren contra-intuïtief omdat het experiment bij kamertemperatuur werd uitgevoerd, en de glijomstandigheden leverden niet genoeg warmte op om het metaal zacht te maken. Nog, de wervelende stroom lijkt meer op gedrag dat wordt gezien in vloeistoffen dan in vaste stoffen, zei Chandrasekar.

Het team observeerde wat er gebeurt als een wigvormig stuk staal over een plat stuk aluminium of koper schuift. De metalen worden vaak gebruikt om het mechanische gedrag van metalen te modelleren.

"We speculeerden in het eerdere artikel dat de wervelende vloeistofachtige oppervlaktestroming die wordt ontdekt op glijdende metalen oppervlakken waarschijnlijk van invloed is op slijtage in glijdende metalen systemen, " zei hij. "Nu bevestigen we deze speculatie door directe waarnemingen."

De waarnemingen laten zien hoe kleine bultjes zich voor de wig vormen, gevolgd door de wervelende beweging. Wanneer de wighoek ondiep is, de stroming is laminair, of glad. Echter, het verandert in een wervelende stroom wanneer de hoek wordt aangepast aan een minder ondiepe hoek, het nabootsen van wat er gebeurt in echte glijdende metalen onderdelen. Terwijl de wig over het metalen monster glijdt, plooien vormen zich tussen de bulten, en dan veranderen de plooien in tranen en barsten in het kielzog van de wig, uiteindelijk vallen als slijtagedeeltjes.

"Een enkele schuifpassage is voldoende om het oppervlak te beschadigen, en daaropvolgende passages resulteren in de vorming van bloedplaatjesachtige slijtagedeeltjes, ' zei Chandrasekar.

Het gedrag werd vastgelegd in films die de stroming laten zien in kleurgecodeerde lagen net onder de oppervlakken van de koperen en aluminium exemplaren.

De defecten variëren in grootte van 5 tot 25 micron en zijn vergelijkbaar met die in glijdende onderdelen zoals onderdelen in automotoren, compressoren en talrijke soorten apparatuur en machines. 1"Vroeger zagen we deze kenmerken pas nadat ze gevormd waren, en we schreven ze toe aan verschillende mogelijke mechanismen, "zei hij. "Hier, we laten een mechanisme zien voor hoe ze worden gevormd. De waargenomen defectkenmerken komen ook voor in oppervlakken die zijn ontstaan ​​door productieprocessen zoals slijpen, polijsten, polijsten, plassen, tekening, extrusie, rollen, enzovoort, die allemaal vaak worden gebruikt bij het maken van structurele en mechanische componenten in het grondtransport, ruimtevaart, plaat- en draadbewerking, en energiesystemen."

Lopend onderzoek zal mogelijke routes onderzoeken om slijtage als gevolg van dit type mechanisme te verminderen. Metalen zijn gemaakt van groepen kristallen die korrels worden genoemd. Toekomstig werk zal bestuderen hoe de korrelgrootte en ductiliteit van een materiaal dit soort slijtage beïnvloeden, hoe dit soort oppervlaktedefecten in productieprocessen kunnen worden geëlimineerd door het aangepaste ontwerp van gereedschappen en matrijzen, verbeterde modellen voor glijdende slijtage en strategieën voor slijtagecontrole.

"We willen naar dit mechanisme kijken in materialen met kleinere kristallen - in het bereik van 5-30 micron, "Zei Chandrasekar. "We willen laten zien dat het mechanisme algemener is en zich uitstrekt tot zelfs fijnerkorrelige metalen."