Studiuesit raportojnë efektin kundërintuitiv të fërkimit

Kur dy sipërfaqe metalike rrëshqasin kundër njëra-tjetrës, ndodhin një sërë fenomenesh të ndërlikuara që çojnë në fërkime dhe konsumim: Rajonet e vogla kristalore, nga të cilat zakonisht përbëhen metalet, mund të deformohen, të përdredhura ose të thyhen, ose edhe të shkrihen së bashku. Është e rëndësishme që industria të kuptojë efekte të tilla. Në fund të fundit, veshja mund të shkatërrojë makineritë dhe të kushtojë shumë para.

Në mënyrë tipike, sa më shpejt të rrëshqasin dy sipërfaqet pranë njëra-tjetrës, aq më i madh është konsumimi. Por me shpejtësi jashtëzakonisht të larta, të krahasueshme me shpejtësinë e grykës së një arme zjarri, kjo mund të ndryshohet: Mbi një shpejtësi të caktuar, konsumimi zvogëlohet përsëri. Ky rezultat befasues dhe në dukje kontradiktor është shpjeguar tani duke përdorur simulime kompjuterike nga Njësia Kërkimore e Tribologjisë në TU Wien dhe Qendra Austriake e Ekselencës për Tribologjinë (AC2T research GmbH) në Wiener Neustadt në bashkëpunim me Imperial College në Londër.

“Në të kaluarën, fërkimi dhe konsumimi mund të studioheshin vetëm në eksperimente,” thotë Stefan Eder (TU Wien, AC2T Research GmbH). “Vetëm në vitet e fundit superkompjuterët janë bërë aq të fuqishëm sa ne mund të modelojmë proceset shumë komplekse në sipërfaqen e materialit në një shkallë atomike.”

Stefan Eder dhe ekipi i tij rikrijojnë lidhje të ndryshme metalike në kompjuter – jo kristale të vetme perfekte, me një rregullim rreptësisht të rregullt dhe pa defekte të atomeve, por një aliazh që është shumë më afër realitetit: një rregullim gjeometrikisht i ndërlikuar i kristaleve të vegjël që mund të të zhvendosur nga njëri-tjetri ose të përdredhur në drejtime të ndryshme, duke u shfaqur si defekte materiale. “Kjo është e rëndësishme sepse të gjitha këto defekte kanë një ndikim vendimtar në fërkimin dhe konsumin,” thotë Stefan Eder. “Nëse do të simulonim një metal të përsosur në kompjuter, rezultati do të kishte pak lidhje me realitetin.”

Ekipi hulumtues llogariti se si shpejtësia e rrëshqitjes ndikon në konsum: “Me shpejtësi relativisht të ulëta, në rendin prej dhjetë ose njëzet metra në sekondë, konsumimi është i ulët. Vetëm shtresat më të jashtme ndryshojnë, strukturat kristalore nën të mbeten kryesisht të paprekura,” thotë Stefan Eder. .

Nëse e rrisni shpejtësinë në 80–100 metra në sekondë, konsumimi rritet – kjo është e pritshme, në fund të fundit, më pas transferohet më shumë energji në metal për njësi kohore. “Më pas, gradualisht hyni në një gamë ku metali sillet si një lëng viskoz, i ngjashëm me mjaltin ose gjalpin e kikirikut,” thotë Stefan Eder. Shtresat më të thella të metalit tërhiqen në drejtim të sipërfaqes që kalon, dhe mikrostruktura në metal është riorganizuar plotësisht. Kokrrat individuale që përbëjnë materialin përdredhen, thyhen, shtyhen në njëra-tjetrën dhe në fund tërhiqen së bashku.

Ekipi përjetoi një surprizë, megjithatë, kur ata kaluan në shpejtësi edhe më të larta: Mbi rreth 300 metra në sekondë – që përafërsisht korrespondon me shpejtësinë maksimale të avionëve në aviacionin civil – konsumimi zvogëlohet përsëri. Mikrostruktura e metalit pak nën sipërfaqe, e cila shkatërrohet plotësisht me shpejtësi mesatare, tani mbetet sërish e paprekur.

“Kjo ishte e mahnitshme për ne dhe për komunitetin e tribologjisë,” thotë Stefan Eder. “Por hulumtimi i literaturës na tregoi: ky efekt është vërejtur nga shkencëtarë të tjerë në eksperimente – thjesht nuk është shumë i njohur sepse shpejtësi të tilla të larta ndodhin rrallë. Megjithatë, origjina e këtij efekti ende nuk është sqaruar.”

Analizat më të hollësishme të të dhënave kompjuterike kanë hedhur tani dritë mbi mënyrën se si është i mundur ky efekt: me shpejtësi jashtëzakonisht të larta, fërkimi gjeneron shumë nxehtësi – por në një mënyrë shumë të pabarabartë. Vetëm njolla individuale në sipërfaqet e dy metaleve që rrëshqasin kundër njëri-tjetrit janë në kontakt, dhe këto zona të vogla mund të arrijnë mijëra gradë Celsius. Në këtë mes, temperatura është shumë më e ulët.

Si rezultat, pjesë të vogla të sipërfaqes mund të shkrihen dhe pastaj të rikristalizohen një pjesë të sekondës më vonë. Kështu, shtresa më e jashtme e metalit është ndryshuar në mënyrë dramatike, por kjo është pikërisht ajo që mbron zonat më të thella të materialit: Vetëm shtresat më të jashtme të materialit ndjejnë konsumimin, strukturat kristalore poshtë ndryshojnë vetëm pak.

“Ky efekt, i cili pothuajse nuk është diskutuar deri më tani, ndodh me materiale të ndryshme”, thotë Stefan Eder. “Kudo që ndodh fërkimi me shpejtësi të lartë deri në jashtëzakonisht të larta, do të jetë thelbësore që kjo të merret parasysh në të ardhmen.” Kjo vlen, për shembull, për kushinetat dhe transmisionet moderne me shpejtësi të lartë në E-mobility, ose për makinat që bluajnë sipërfaqet. Efekti tashmë i kuptuar më mirë luan gjithashtu një rol në stabilitetin e metaleve në një përplasje automjeti ose në ndikimin e grimcave të vogla në avionët me shpejtësi të lartë.