Новые ключи к износу: скользящие металлы демонстрируют поведение жидкостей

Источник: phys.org

Ученые из Университета Пердью (США) провели ряд экспериментов с металлическими образцами, скользящими друг по другу. Исследования при помощи микроскопа и высокоскоростной видеокамеры показали, что в местах прикосновения поверхностей металла образуются неровности, складки, вихреподобные структуры и трещины. Результаты оказались неожиданными, поскольку эксперимент проводился при комнатной температуре, и сила трения не генерировала достаточное количество тепла, чтобы размягчить металл. Как пояснил руководитель проекта профессор Шринивасан Чандрасекар, до сих пор ученые не имели возможности наблюдать деформации такого рода напрямую, во время движения металлов. Обычно съемки образцов проводились уже после завершения эксперимента по скольжению. Новая лабораторная установка позволила фиксировать изменения металла практически «вживую».

Ученые сняли целый фильм о том, как клиновидный кусок стали скользит по поверхности плоского куска меди. Место контакта отображалось в мезомасштабе — на расстояниях от 100 микрон до 1 миллиметра. В передней части стального куска наблюдалось формирование крошечных «шишек», далее шли закрученные структуры и мелкие трещины. Образование складок и трещин было наиболее интенсивным в том случае, когда стальной образец был направлен под острым углом к медной поверхности. В сущности, ученые стали свидетелями явлений, традиционно связанных с жидкостями, а не твердыми телами. Они предположили, что складчатость и растрескивание вызваны деформацией, подобной «утончению», которое возникает в момент растягивания образца металла. Это открытие поможет по-новому взглянуть на механизмы износа металлических деталей и увеличить их прочность.

Многие детали механизмов (к примеру, подшипники в поршнях двигателей), постоянно подвергаются скольжению. Известно, что крошечные частички металла отстают от поверхности в результате такой нагрузки. Но ранее считалось, что для этого требуется множество циклов трения. Теперь очевидно, что для образования различных неровностей может быть достаточно несколько циклов. Экспериментальные образцы металлов состояли из групп кристаллических «зерен». Оказалось, что поверхности с «зернами» меньших размеров менее подвержены образованию трещин и бугров. Возможно, существует какой-то предел размера зерен, ниже которого механизм формирования складок перестает быть активным. Сейчас команда профессора Чандрасекара занимается разработкой моделей для более тщательного изучения этих явлений. Ученые планируют выяснить, почему и при каких условиях твердые металлы ведут себя подобно жидкостям.