Скользящие металлы демонстрируют жидкоподобное поведение

Исследователи обнаружили циркуляцию, жидкоподобное поведение твердых частей металлов, скользящих друг по другу.

Тем самым исследователи обеспечили новую способность понимания сути механизмов изнашивания и генерацию машинных поверхностей, способных улучшить долговечность металлических частей.

Исследования с использованием микроскопа и скоростной камеры продемонстрировали формирование неровностей, сгибов, завихрений и трещин на металлической поверхности. Результаты поразительны, поскольку эксперимент проводился при комнатной температуре, и условия скольжения не генерировали достаточно тепла, чтобы размягчить металл.

«Мы наблюдали явления, связанные с жидкостями, а не с твердыми телами», сказал профессор Шринивасан Чандрасекар из университета Пурдю.

Многочисленные механические детали, от подшипников до поршней, подвержены описанному скольжению.

„Известно, что небольшие металлические кусочки то и дело соскабливаются со скользящих поверхностей“, сказал Чандрасекар. „Обычно думают, что это требует множества циклов, однако на самом деле процесс происходит очень быстро, усиливая изнашивание“.

Результаты исследования опубликованы в издании Physical Review Letters.

Исследователи разрабатывают модели, чтобы и далее изучать явления и понимать всесторонние последствия жидкоподобного потока в металлах, сказал Чандрасекар. Результаты также могут привести к усовершенствованному качеству поверхности в сфере обработки металлов.

Ученые наблюдали, что происходит, когда клиновидная стальная деталь скользит по плоской медной пластине. Впервые ученые непосредственно наблюдали, как скользящие металлы ведут себя, в масштабе 100 микронов к 1 мм (мезомасштаб).

Наблюдения показали, как формируются крошечные неровности перед стальной деталью, сопровождаемые завихрениями и созданием мелких трещин. Сворачивание и разлом были наиболее явными, когда стальная деталь проводилась по медной пластине под острым углом.

Исследователи выдвигают гипотезу, согласно которой сворачивание и разломы наблюдаются частично благодаря явлению, подобному „обжиманию“, которое наблюдается, когда кусок металла растягивается.

Ученые использовали специализированную лабораторную установку, которая включала быстродействующую камеру и оборудование, прикладывающее силу к скользящим металлам. Поведение было снято на видео, где ясно виден поток в цветных слоях чуть ниже поверхности куска меди. Мель традиционно используется для моделирования механического поведения металлов.

„Ученые никогда не имели экспериментальной установки для непосредственного наблюдения этого вида деформации“, сказал аспирант Ян Гао. „Наша установка позволяет нам видеть всю историю этого жидкоподобного поведения в реальном времени, в то время как обычные эксперименты полагаются на изображения после того, как эксперимент завершен“.

Металлы сделаны из групп кристаллов, называемых зернами. Металлические поверхности с меньшими зернами могут быть менее восприимчивыми к сворачиванию и излому.

„Нам необходимо исследовать, какую роль играет размер зерна“, сказал Чандрасекар. „Мы полагаем, что должен быть некий размер зерна, ниже которого этот механизм сворачивания может быть менее активным. Мы должны исследовать, почему, при каких условиях твердые металлы ведут себя словно жидкости“.

12.09.2012