戰(zhàn)場(chǎng)上的戰(zhàn)士經(jīng)常依靠帶有旋轉(zhuǎn)零件的機(jī)器，車輛和其他技術(shù)來(lái)完成任務(wù)。陸軍研究人員設(shè)計(jì)了一種測(cè)試設(shè)備故障和故障的主要因素的新方法，以確保這些工具符合適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)機(jī)械零件長(zhǎng)時(shí)間相互滑動(dòng)時(shí)，不斷磨削可能會(huì)磨損金屬表面，直到零件不再起作用。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)表面以相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式相互作用時(shí)，對(duì)摩擦，磨損和潤(rùn)滑的研究被稱為摩擦學(xué)，它在材料科學(xué)和工程學(xué)中的重要性促使研究人員找到了檢驗(yàn)干式機(jī)械接觸的新方法。

美國(guó)陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部的陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員最近開(kāi)發(fā)了一種新方法，用于分析鋼和氮化硅之間的摩擦學(xué)響應(yīng)，這是由于兩種金屬相互作用而不是在樣品冷卻后發(fā)生的。

研究磨損的最新方法可以使研究人員觀察在接觸部位發(fā)生的短暫化學(xué)反應(yīng)。

陸軍研究物理學(xué)家Stephen Berkebile博士說(shuō)：“機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中非常動(dòng)態(tài)。“如果在運(yùn)行過(guò)??程中沒(méi)有捕獲到它，而是在移動(dòng)不迅速時(shí)進(jìn)行了測(cè)量，則不會(huì)捕獲到瞬態(tài)化學(xué)反應(yīng)和物理變化，因?yàn)橄到y(tǒng)在從摩擦加熱中冷卻下來(lái)后可能會(huì)發(fā)生變化。”

Berkebile擔(dān)任陸軍研究人員與北德克薩斯大學(xué)的合作研究和鋼之間的滑動(dòng)交互的一個(gè)硅氮化物。更具體地說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)正在嘗試調(diào)查為什么提高鋼和氮化硅之間的滑動(dòng)速度會(huì)降低它們接觸時(shí)的摩擦率和磨損率。

研究人員認(rèn)為，鋼和氮化硅之間的相互作用通常發(fā)生在某些切削工具的干式加工過(guò)程中，以及在高速軸承失去潤(rùn)滑源的緊急情況下，如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)中發(fā)生的相互作用。了解這兩種金屬之間高速滑動(dòng)接觸背后的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)于為士兵開(kāi)發(fā)更好，更安全的車輛和設(shè)備至關(guān)重要。

Berkebile說(shuō)：“具有鋼/氮化硅接觸的混合軸承正越來(lái)越多地用于直升機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中的渦輪機(jī)械中。” “這種混合軸承正越來(lái)越多地用于高速運(yùn)行的旋翼飛機(jī)和直升機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中。”

研究人員使用球形磁盤摩擦計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，該球形摩擦計(jì)將滾動(dòng)的氮化硅球滑動(dòng)到鋼制旋轉(zhuǎn)盤上，并在下方用加熱板將其加熱到120攝氏度。

帶有彩色電荷耦合器件或CCD的立體光學(xué)顯微鏡，照相機(jī)和紅外照相機(jī)獲得的熱成像數(shù)據(jù)是磁盤的旋轉(zhuǎn)速度從1 m / s加快到16 m / s。之后，研究人員使用反向散射電子探測(cè)器對(duì)磨損軌跡進(jìn)行了分析，該探測(cè)器繪制了剩余薄膜殘?jiān)脑亟M成圖。

Berkebile說(shuō)：“通過(guò)將兩種光學(xué)方法與實(shí)時(shí)摩擦數(shù)據(jù)相結(jié)合，我們可以了解磨損機(jī)理中的化學(xué)轉(zhuǎn)變。” “在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，我們能夠在實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)操作過(guò)程中關(guān)聯(lián)機(jī)械接觸的摩擦，溫度和化學(xué)狀態(tài)。”

根據(jù)研究人員的說(shuō)法，該實(shí)驗(yàn)是首次在高滑動(dòng)速度測(cè)試過(guò)程中分析鋼和氮化硅的摩擦學(xué)響應(yīng)的嘗試。

此外，這項(xiàng)大膽嘗試產(chǎn)生的數(shù)據(jù)提供了有關(guān)發(fā)生的摩擦學(xué)影響的性質(zhì)的新信息。

研究小組發(fā)現(xiàn)，以大約4.5 m / s的閾值滑動(dòng)速度引起的摩擦加熱會(huì)引起化學(xué)反應(yīng)，該化學(xué)反應(yīng)會(huì)在高負(fù)荷接觸區(qū)域留下潤(rùn)滑薄膜。

這種光滑的薄膜使鋼和氮化硅之間的機(jī)械相互作用表現(xiàn)出隨著滑動(dòng)速度的增加而降低的摩擦和磨損。通過(guò)使用新方法，研究小組通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中磨損痕跡的顏色變化來(lái)確定化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的確切時(shí)間。

此外，研究人員確定，在類似齒輪和軸承的情況下，當(dāng)滑動(dòng)速度上升到9 m / s以上時(shí)，這種現(xiàn)象就完全起作用了。

基于對(duì)磨損軌跡的分析，研究人員證實(shí)，由于高溫下鐵，氧和硅之間的摩擦加熱相互作用，必然發(fā)生了一系列氧化反應(yīng)。

伯克比爾說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)，在低摩擦磨損狀態(tài)與高摩擦磨損狀態(tài)之間的一種化學(xué)反應(yīng)之間會(huì)發(fā)生平滑過(guò)渡。” “化學(xué)反應(yīng)還需要保持摩擦加熱，因此，如果達(dá)到低摩擦狀態(tài)并且以中等速度降低摩擦加熱，則幾秒鐘后就會(huì)'熄滅'自身。”

Berkebile認(rèn)為，這種新的現(xiàn)場(chǎng)檢查干式滑動(dòng)機(jī)械觸點(diǎn)的方法具有顯著提高陸軍開(kāi)發(fā)能夠更好地承受高溫，高負(fù)荷和高速度機(jī)械的潛力。

伯克比爾說(shuō)：“陸軍直升機(jī)需要在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)失去潤(rùn)滑后才能運(yùn)行30分鐘。” “從這項(xiàng)研究中，我們了解到對(duì)于包含混合組件的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，例如氮化硅/鋼軸承，如果材料以較高而不是較低的速度滑動(dòng)，則它們實(shí)際上可以持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間，這確實(shí)是違反直覺(jué)的。”