戰(zhàn)場上的戰(zhàn)士經常依靠帶有旋轉零件的機器，車輛和其他技術來完成任務。陸軍研究人員設計了一種測試設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?shù)馁|量標準。

當機械零件長時間相互滑動時，不斷磨削可能會磨損金屬表面，直到零件不再起作用。當兩個或多個表面以相對運動方式相互作用時，對摩擦，磨損和潤滑的研究被稱為摩擦學，它在材料科學和工程學中的重要性促使研究人員找到了檢驗干式機械接觸的新方法。

美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部的陸軍研究實驗室的研究人員最近開發(fā)了一種新方法，用于分析鋼和氮化硅之間的摩擦學響應，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)生的短暫化學反應。

陸軍研究物理學家Stephen Berkebile博士說：“機械系統(tǒng)在運行過程中非常動態(tài)。“如果在運行過??程中沒有捕獲到它，而是在移動不迅速時進行了測量，則不會捕獲到瞬態(tài)化學反應和物理變化，因為系統(tǒng)在從摩擦加熱中冷卻下來后可能會發(fā)生變化。”

Berkebile擔任陸軍研究人員與北德克薩斯大學的合作研究和鋼之間的滑動交互的一個硅氮化物。更具體地說，該團隊正在嘗試調查為什么提高鋼和氮化硅之間的滑動速度會降低它們接觸時的摩擦率和磨損率。

研究人員認為，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程中，以及在高速軸承失去潤滑源的緊急情況下，如噴氣發(fā)動機渦輪機中發(fā)生的相互作用。了解這兩種金屬之間高速滑動接觸背后的動力學特性對于為士兵開發(fā)更好，更安全的車輛和設備至關重要。

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

研究人員使用球形磁盤摩擦計進行了實驗，該球形摩擦計將滾動的氮化硅球滑動到鋼制旋轉盤上，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的立體光學顯微鏡，照相機和紅外照相機獲得的熱成像數(shù)據(jù)是磁盤的旋轉速度從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器對磨損軌跡進行了分析，該探測器繪制了剩余薄膜殘渣的元素組成圖。

Berkebile說：“通過將兩種光學方法與實時摩擦數(shù)據(jù)相結合，我們可以了解磨損機理中的化學轉變。” “在發(fā)生化學反應時，我們能夠在實驗的主動操作過程中關聯(lián)機械接觸的摩擦，溫度和化學狀態(tài)。”

根據(jù)研究人員的說法，該實驗是首次在高滑動速度測試過程中分析鋼和氮化硅的摩擦學響應的嘗試。

此外，這項大膽嘗試產生的數(shù)據(jù)提供了有關發(fā)生的摩擦學影響的性質的新信息。

研究小組發(fā)現(xiàn)，以大約4.5 m / s的閾值滑動速度引起的摩擦加熱會引起化學反應，該化學反應會在高負荷接觸區(qū)域留下潤滑薄膜。

這種光滑的薄膜使鋼和氮化硅之間的機械相互作用表現(xiàn)出隨著滑動速度的增加而降低的摩擦和磨損。通過使用新方法，研究小組通過觀察實驗過程中磨損痕跡的顏色變化來確定化學反應發(fā)生的確切時間。

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

基于對磨損軌跡的分析，研究人員證實，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。

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

Berkebile認為，這種新的現(xiàn)場檢查干式滑動機械觸點的方法具有顯著提高陸軍開發(fā)能夠更好地承受高溫，高負荷和高速度機械的潛力。

伯克比爾說：“陸軍直升機需要在驅動系統(tǒng)失去潤滑后才能運行30分鐘。” “從這項研究中，我們了解到對于包含混合組件的驅動系統(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，則它們實際上可以持續(xù)更長的時間，這確實是違反直覺的。”