Sciencemag.cz
Doporučujeme
Klouzání dvou kovových povrchů po sobě způsobuje řadu jevů, které vedou ke tření a opotřebení: malé krystalické oblasti, z nichž se kovy obvykle skládají, se přitom mohou deformovat, zkroutit, zlomit, ale třeba i naopak spojovat. Tření a opotřebení kovů hraje samozřejmě klíčovou roli v průmyslových procesech, především ve strojírenství.
Obvykle platí, že čím rychleji po sobě dva povrchy kloužou, tím je opotřebení větší. Ale při extrémně vysokých rychlostech, srovnatelných s rychlostí kulky v ústí zbraně (nebo s maximální rychlostí civilních letadel), může být poškození zase paradoxně nižší. Tento překvapivý výsledek nyní vysvětlily počítačové simulace, které provedli vědci z Vienna University of Technology, Austrian Excellence Center for Tribology Wiener Neustadt a londýnské Imperial College.
Simulace zkoumaly chování reálných kovů a jejich slitin: nikoliv dokonalých monokrystalů bez defektů, ale geometricky komplikované uspořádání drobných krystalů, které mohou být navzájem posunuté nebo pootočené v různých směrech. Přitom se počítalo, jaký vliv má rychlost skluzu na opotřebení. Při relativně nízkých rychlostech, řádově 10 nebo 20 metrů za sekundu, je opotřebení nízké. Mění se pouze nejsvrchnější vrstvy, krystalové struktury pod nimi zůstávají z velké části nedotčené. Při rychlost 80–100 m/s se opotřebení zvýší – to se dá očekávat, koneckonců se pak do kovu za jednotku času přenese více energie. Postupně se pak dostáváme do oblasti, kde se kov začne chovat spíše jako viskózní kapalina. Hlubší vrstvy kovu jsou taženy ve směru procházejícího povrchu a mikrostruktura v kovu se zcela přeorganizuje.
Poté ale dojde na nečekaný jev. Nad rychlostí přibližně 300 m/s se míra opotřebení opět snižuje. Mikrostruktura kovu těsně pod povrchem, která se při středních rychlostech zcela zničí, nyní zůstává opět z velké části neporušená. Tento jev již pozorovali i jiní vědci (ovšem celkem výjimečně, protože tyto rychlosti tření bývají vzácné), ale dosud nebyl vysvětlen. Podrobnější analýzy počítačových dat nyní objasnily, jak je to možné: při extrémně vysokých rychlostech vzniká třením velké množství tepla, ale velmi nerovnoměrně. V kontaktu jsou pouze jednotlivé oblasti na povrchu dvou kovů, které kloužou proti sobě, a tyto malé plochy mohou dosáhnout teplot až tisíců °C. Mezi nimi je teplota mnohem nižší.
V důsledku toho se mohou malé části povrchu roztavit a o zlomek sekundy později znovu zkrystalizovat. Úplně nejsvrchnější vrstva kovu se tak sice zcela přeorganizuje, ale právě to chrání hlubší oblasti materiálu: Opotřebení pociťují pouze nejsvrchnější vrstvy materiálu, krystalické struktury pod nimi se mění jen nepatrně.
Popsaný jev by mohl mít význam u moderních vysokorychlostních ložisek a převodovek nebo strojů, které brousí povrchy. Nyní lépe pochopený efekt hraje zřejmě roli také z hlediska stability kovů při havárii aut nebo při dopadu malých částic na vysokorychlostní letadla.
S.J. Eder et al, Does speed kill or make friction better?—Designing materials for high velocity sliding, Applied Materials Today (2022). DOI: 10.1016/j.apmt.2022.101588
Zdroj: Vienna University of Technology / Phys.org
