Forskere rapporterer kontraintuitiv friksjonseffekt

Når to metalloverflater glir mot hverandre, oppstår en rekke kompliserte fenomener som fører til friksjon og slitasje: Små krystallinske områder, som metaller typisk er sammensatt av, kan deformeres, vridd eller knekke, eller til og med smelte sammen. Det er viktig for industrien å forstå slike effekter. Slitasje kan tross alt ødelegge maskineri og koste mye penger.

Vanligvis er det slik at jo raskere de to overflatene glir forbi hverandre, jo større slitasje. Men ved ekstremt høye hastigheter, som kan sammenlignes med munningshastigheten til et skytevåpen, kan dette reverseres: Over en viss hastighet avtar slitasjen igjen. Dette overraskende og tilsynelatende motstridende resultatet har nå blitt forklart ved hjelp av datasimuleringer av Research Unit Tribology ved TU Wien og Austrian Excellence Centre for Tribology (AC2T research GmbH) i Wiener Neustadt i samarbeid med Imperial College i London.

Simuleringer på datamaskiner med høy ytelse

“Tidligere kunne friksjon og slitasje bare studeres i eksperimenter,” sier Stefan Eder (TU Wien, AC2T research GmbH). “Bare de siste årene har superdatamaskiner blitt så kraftige at vi kan modellere de svært komplekse prosessene ved materialet flate på atomskala.”

Stefan Eder og teamet hans gjenskaper forskjellige metalllegeringer på datamaskinen – ikke perfekte enkeltkrystaller, med et strengt regelmessig og defektfritt arrangement av atomer, men en legering som er mye nærmere virkeligheten: et geometrisk komplisert arrangement av bittesmå krystaller som kan forskjøvet fra hverandre eller vridd i forskjellige retninger, manifestert som materielle defekter. “Dette er viktig fordi alle disse feilene har en avgjørende innflytelse på friksjon og slitasje,” sier Stefan Eder. “Hvis vi skulle simulere et perfekt metall på datamaskinen, ville resultatet ha lite med virkeligheten å gjøre.”

Overraskende resultater

Forskerteamet regnet ut hvordan glidehastigheten påvirker slitasjen: “Ved relativt lave hastigheter, i størrelsesorden ti eller tjue meter per sekund, er slitasjen lav. Bare de ytterste lagene endres, krystallstrukturene under forblir stort sett intakte,” sier Stefan Eder .

Øker man hastigheten til 80–100 meter per sekund, øker slitasjen – det er å forvente, da overføres det tross alt mer energi til metallet per tidsenhet. – Du kommer så gradvis inn i et område hvor metallet oppfører seg som en tyktflytende væske, som ligner på honning eller peanøttsmør, sier Stefan Eder. Dypere lag av metallet trekkes med i retning av den passerende overflaten, og mikrostrukturen i metallet er fullstendig reorganisert. De enkelte kornene som utgjør materialet blir vridd, knekt, dyttet inn i hverandre og til slutt trukket med.

Teamet opplevde imidlertid en overraskelse da de gikk videre til enda høyere hastigheter: Over rundt 300 meter i sekundet – som omtrent tilsvarer topphastigheten til fly i sivil luftfart – reduseres slitasjen igjen. Mikrostrukturen til metallet rett under overflaten, som er fullstendig ødelagt ved middels hastighet, forblir nå stort sett intakt igjen.

“Dette var fantastisk for oss og for tribologimiljøet,” sier Stefan Eder. “Men litteraturforskning viste oss: denne effekten har blitt observert av andre forskere i eksperimenter – den er bare ikke veldig godt kjent fordi så høye hastigheter sjelden forekommer. Imidlertid er opprinnelsen til denne effekten ennå ikke avklart.”

Smelting av overflaten beskytter dypere lag

Mer detaljerte analyser av datadataene har nå kastet lys over hvordan denne effekten er mulig: Ved ekstremt høye hastigheter genererer friksjon mye varme — men på en veldig ujevn måte. Bare individuelle flekker på overflatene til de to metallene som glir mot hverandre er i kontakt, og disse små områdene kan nå tusenvis av grader Celsius. Innimellom er temperaturen mye lavere.

Som et resultat kan små deler av overflaten smelte og deretter re-krystallisere en brøkdel av et sekund senere. Det aller ytterste laget av metallet endres dermed dramatisk, men det er nettopp dette som beskytter de dypere delene av materialet: Bare de ytterste lagene av materialet merker slitasjen, de krystallinske strukturene under endres bare litt.

“Denne effekten, som knapt har vært diskutert så langt, oppstår med forskjellige materialer,” sier Stefan Eder. “Uansett hvor friksjon oppstår ved høye til ekstremt høye hastigheter, vil det være viktig å ta hensyn til dette i fremtiden.” Dette gjelder for eksempel moderne høyhastighets lagre og girkasser i E-mobility, eller maskiner som sliper overflater. Den nå bedre forstått effekten spiller også en rolle i stabiliteten til metaller i en bilulykke eller i innvirkningen av små partikler på høy-hastighet fly.

Studien er publisert i Anvendte materialer i dag.

---

---