Spowodowane tarciem straty materiału między stykającymi się powierzchniami
Wierzchołki bardzo małych nierówności powodujących chropowatość materiałów mogą być poddawane oddziaływaniom dużych sił ścinających i dużego nacisku. Może to powodować adhezję, płynięcie plastyczne, a nawet pękanie. Większe tarcie prowadzi do większego zużycia energii. Oprócz zmniejszenia skuteczności działania układów mechanicznych powoduje to również większe emisje dwutlenku węgla (CO2). Lepsza wiedza na temat wpływu płynięcia plastycznego i pękania w czasie tarcia może posłużyć do zoptymalizowania procesów przygotowania powierzchni i sposobów jej pokrywania, tak aby zapewnić minimalne tarcie, a tym samym mniejsze zużycie energii i niższe emisje CO2. Wymaga to szczegółowej wiedzy w skalach od nanometrów (molekularna) do milimetrów (widoczna gołym okiem) na temat zmian struktury powierzchni podczas deformacji plastycznych. Finansowani ze środków UE naukowcy dokonali znacznych postępów ku opracowaniu połączonego modelu niezbędnego do objęcia tej skali wielkości w ramach projektu TOPOGRAPHY EVOLUTION. Model kontynualny opiera się na rozwiązaniu zagadnień brzegowych lub układów równań różniczkowych z dodatkowymi ograniczeniami związanymi z fizycznymi warunkami brzegowymi (z użyciem funkcji Greena). Został on połączony z najnowszymi algorytmami dynamiki molekularnej – drugą metodą – w celu zapewnienia płynnego połączenia systemu atomistycznego z elastyczną granicą. Obliczenia w skali atomowej przewidują spowodowane adhezją zmiany powierzchni styku oraz warunki, w jakich powierzchnie stają się "lepkie". Powinny być one przydatne do opracowania lepszych środków klejących, a także w projektowaniu systemów o minimalnej adhezji. Ponadto model pozwolił poznać wpływ geometrii i plastyczności atomowej na rozkład ciśnienia oraz obszar styku w bryle atomowej. Naukowcy przebadali również węgiel amorficzny używany do powlekania powierzchni i charakteryzujący się doskonałą odpornością na zużycie w celu zrozumienia deformacji plastycznych na styku mikroskopijnych nierówności przeciwległych powierzchni. Wykazali oni przestrzennie ograniczone deformacje ścinające ograniczające uszkodzenia w miejscu styku i zapobiegające znacznym deformacjom pod powierzchnią materiału i uszkodzeniom materiału powłoki. Nowatorski hybrydowy model atomistyczno-kontynualny stworzony w ramach projektu TOPOGRAPHY EVOLUTION pozwala lepiej zrozumieć przyleganie i plastyczność w systemach mechanicznych o granicach międzyfazowych. Pozwoli to zoptymalizować konstrukcje powierzchniowe i powłoki, uzyskując zmniejszony poziom tarcia, zużycia energii i emisji CO2.
Słowa kluczowe
Układy mechaniczne, tarcie, atomistyczny, kontynualny, wierzchołki nierówności, ewolucja topografii
