美国陆军研究人员开发的分析金属的新方法

陆军研究人员Stephen Berkebile博士（左）和Nikhil Murthy（右）研究了氮化硅在干式滑动机械接触过程中对钢的反应，以更好地了解设备故障。

战场上的战士经常依靠带有旋转零件的机器，车辆和其他技术来完成其任务。陆军研究人员设计了一种测试设备故障和故障的主要因素的新方法，以确保这些工具符合适当的质量标准。

当机械零件长时间相互滑动时，不断磨削可能会磨损金属表面，直到零件不再起作用为止。当两个或多个表面以相对运动方式相互作用时，对摩擦，磨损和润滑的研究被称为摩擦学，它在材料科学和工程学中的重要性促使研究人员找到了检验干式机械接触的新方法。

美国陆军作战能力发展司令部的陆军研究实验室的研究人员最近开发了一种新方法，用于分析钢和氮化硅之间的摩擦学响应，这是由于两种金属相互作用而不是在样品冷却后发生的。

研究磨损的最新方法可以使研究人员观察在接触部位发生的短暂化学反应。

红外摄像机使用标记指示（a）光学显微镜物镜，（b）盘式热电偶和（c）球式热电偶的位置的标签捕获圆盘式摩擦计的热成像数据。

陆军研究物理学家Stephen Berkebile博士说：“机械系统在运行过程中非常动态。”“如果在运行过​​程中未捕获到它，而是在不迅速移动时进行了测量，则不会捕获到瞬态化学反应和物理变化，因为系统在从摩擦加热冷却下来后可能会发生变化。”

伯克比勒（Berkebile）担任陆军研究人员之一，与北德克萨斯大学一起研究钢与氮化硅之间的滑动相互作用。更具体地说，该团队正在尝试调查为什么提高钢和氮化硅之间的滑动速度会降低它们接触时的摩擦率和磨损率。

根据研究人员的说法，钢和氮化硅之间的相互作用通常发生在某些切削工具的干式加工过程中，以及在高速轴承失去润滑源的紧急情况下，如喷气发动机涡轮中发生的相互作用。了解这两种金属之间高速滑动接触的动力学机制对于为士兵开发更好，更安全的车辆和设备至关重要。

氮化硅球对（a）1.5 m / s速度和（b）15 m / s速度的高速旋转钢盘产生明显不同的磨损轨迹。

Berkebile说：“钢/氮化硅接触的混合轴承正越来越多地用于直升机推进系统中的涡轮机械中。”“这类混合轴承越来越多地用于高速运行的旋翼飞机和直升机推进系统中。”

研究人员使用球形磁盘摩擦计进行了实验，该球形摩擦计将滚动的氮化硅球滑动到钢制旋转盘上，并在下面用加热板将其加热到120摄氏度。

带有彩色电荷耦合器件或CCD的立体光学显微镜，照相机和红外照相机获得的热成像数据是磁盘的旋转速度从1 m / s加快到16 m / s。之后，研究人员使用反向散射电子探测器对磨损轨迹进行了分析，该探测器绘制了剩余薄膜残留物的元素组成图。

“通过将两种光学方法与实时摩擦数据相结合，我们可以了解磨损机理中的化学转变，”伯克比尔说。“在发生化学反应时，我们能够在实验的主动操作过程中关联机械接触的摩擦，温度和化学状态。”

根据研究人员的说法，该实验是首次在高滑动速度测试过程中分析钢和氮化硅的摩擦学响应的尝试。

此外，这项大胆尝试产生的数据提供了有关发生的摩擦学影响的性质的新信息。

研究小组发现，以大约4.5 m / s的阈值滑动速度引起的摩擦加热会引起化学反应，该化学反应会在高负荷接触区域留下润滑薄膜。

这种光滑的薄膜使钢和氮化硅之间的机械相互作用表现出随着滑动速度的增加而降低的摩擦和磨损。通过使用新方法，研究小组通过观察实验过程中磨损痕迹的颜色变化来确定化学反应发生的确切时间。

此外，研究人员还确定，在类似齿轮和轴承的情况下，当滑动速度上升到9 m / s以上时，这种现象就完全起作用了。

基于对磨损轨迹的分析，研究人员证实，由于高温下铁，氧和硅之间的摩擦加热相互作用，必然发生了一系列氧化反应。

“我们发现，在低摩擦磨损状态与高摩擦磨损状态之间的过渡过程中，一种化学反应与另一种化学反应之间发生了平稳过渡，”伯克比尔说。“化学反应还需要保持摩擦加热，因此，如果达到低摩擦状态并且以中等速度降低摩擦加热，则几秒钟后就可以'熄灭'。”

Berkebile认为，这种新的现场检查干式滑动机械触点的方法具有显着提高陆军开发能够更好地承受高温，高负荷和高速度机械的努力的潜力。

伯克比尔说：“陆军直升机需要在驱动系统失去润滑后才能运行30分钟。”“从这项研究中，我们了解到对于包含混合组件的驱动系统，例如氮化硅/钢轴承，如果材料以较高而不是较低的速度滑动，则它们实际上可能会持续更长的时间，这是违反直觉的。”

这项新方法的研究已于2019年11月在网上发布，并于2020年2月15日发表在科学杂志Wear上。

参考：M. D. Harris，S.P。Berkebile，N.K。Murthy和A.A. Voevodin于2020年2月15日在Wear.DOI撰写的“现场仪器中观察高滑动速度未润滑接触件中的瞬态摩擦学效应”
10.1016 / j.wear.2019.203111