Как правило, чем быстрее две поверхности скользят друг мимо друга, тем больше износ. Но при чрезвычайно высоких скоростях, сравнимых с начальной скоростью огнестрельного оружия, это может быть обращено вспять: выше определенной скорости износ снова уменьшается. Этот удивительный и, казалось бы, противоречивый результат теперь был объяснен с помощью компьютерного моделирования, проведенного исследовательским подразделением Tribology в TU Wien и австрийским центром передового опыта в области трибологии (AC2T research GmbH) в Винер-Нойштадте в сотрудничестве с Имперским колледжем в Лондоне.

Моделирование на высокопроизводительных компьютерах

"В прошлом трение и износ можно было изучать только в экспериментах", - говорит Стефан Эдер (TU Wien, AC2T research GmbH). "Только в последние годы суперкомпьютеры стали настолько мощными, что мы можем моделировать очень сложные процессы на поверхности материала в атомном масштабе".

Стефан Эдер и его команда воссоздают на компьютере различные металлические сплавы - не идеальные монокристаллы со строго регулярным и бездефектным расположением атомов, а сплав, который гораздо ближе к реальности: геометрически сложное расположение крошечных кристаллов, которые могут быть смещены друг от друга или скручены в разных направлениях, проявляющиеся в виде материальных дефектов. "Это важно, потому что все эти дефекты оказывают решающее влияние на трение и износ", - говорит Стефан Эдер. "Если бы мы смоделировали идеальный металл на компьютере, результат имел бы мало общего с реальностью".

Удивительные результаты

Исследовательская группа подсчитала, как скорость скольжения влияет на износ: "При сравнительно низких скоростях, порядка десяти-двадцати метров в секунду, износ невелик. Меняются только самые внешние слои, кристаллические структуры под ними остаются в основном нетронутыми", - говорит Стефан Эдер.

Если вы увеличиваете скорость до 80-100 метров в секунду, износ увеличивается - этого и следовало ожидать, в конце концов, тогда в металл передается больше энергии за единицу времени. "Затем вы постепенно входите в диапазон, в котором металл ведет себя как вязкая жидкость, похожая на мед или арахисовое масло", - говорит Стефан Эдер. Более глубокие слои металла вытягиваются в направлении проходящей поверхности, и микроструктура в металле полностью перестраивается. Отдельные зерна, из которых состоит материал, скручиваются, ломаются, вдавливаются друг в друга и, наконец, вытягиваются вперед.

Однако команда испытала сюрприз, когда они перешли на еще более высокие скорости: выше 300 метров в секунду, что примерно соответствует максимальной скорости самолетов в гражданской авиации, износ снова уменьшается. Микроструктура металла непосредственно под поверхностью, которая полностью разрушается при средних скоростях, теперь снова остается в значительной степени неповрежденной.

"Это было потрясающе для нас и для сообщества трибологов", - говорит Стефан Эдер. "Но литературные исследования показали нам: этот эффект наблюдался другими учеными в экспериментах - просто он не очень хорошо известен, потому что такие высокие скорости встречаются редко. Однако происхождение этого эффекта до сих пор не выяснено."

Плавление поверхности защищает более глубокие слои

Более детальный анализ компьютерных данных теперь пролил свет на то, как возможен этот эффект: на чрезвычайно высоких скоростях трение выделяет много тепла, но очень неравномерно. Соприкасаются только отдельные участки на поверхностях двух металлов, скользящих друг по другу, и эти небольшие участки могут достигать тысяч градусов Цельсия. В промежутках температура намного ниже.

В результате небольшие участки поверхности могут расплавиться, а затем перекристаллизоваться через долю секунды. Таким образом, резко изменяется самый внешний слой металла, но именно это защищает более глубокие области материала: износ ощущается только на самых внешних слоях материала, кристаллические структуры под ними изменяются незначительно.

"Этот эффект, который до сих пор почти не обсуждался, возникает с разными материалами", - говорит Стефан Эдер. "Везде, где трение происходит на высоких или экстремально высоких скоростях, важно будет учитывать это в будущем". Это относится, например, к современным высокоскоростным подшипникам и трансмиссиям в E-mobility или к станкам, которые шлифуют поверхности. Теперь более понятный эффект также играет определенную роль в стабильности металлов при автомобильной катастрофе или при столкновении мелких частиц с высокоскоростными самолетами.