Впервые исследователи смоделировали процесс создания шероховатости поверхности: шаг вперед в понимании появления фрактальных характеристик шероховатых поверхностей во многих масштабах, от атомного до геологического, и, возможно, шаг вперед в предсказание землетрясения.
Топография мира выглядит одинаково, смотрите ли вы на нее с вершины холма или под микроскопом. Горный хребет в геологическом масштабе довольно идентичен характеристикам шероховатости твердого металлического объекта в нанометровом масштабе. Это сходство впервые было отмечено в 1983 году математиком Бенуа Мандельбротом.
С тех пор было доказано, что все поверхности излома имеют сходную характеристику, называемую фрактальной самоаффинностью. Эту уникальную характеристику часто приписывают физике распространения трещин в твердых материалах, которую до сих пор было очень трудно смоделировать.
Впервые мы смогли воспроизвести самоаффинность поверхностей скольжения с помощью компьютерного моделирования. Наши моделирования ясно показывают, как распространение трещин под поверхностью и поверхностный износ создают почти одинаковую шероховатость в различных масштабах, независимо от начального состояние шероховатости», - говорит Рамин Агабабаи, доцент инженерного факультета Орхусского университета.
Исследование показывает, что развитие самоаффинной морфологии связано с механизмами сглаживания и повторного придания шероховатости за счет распространения трещины под поверхностью и конфигурации третьего тела, и новые результаты были опубликованы в Nature Communications.
Численная методика, которая послужила отправной точкой для этой работы, была разработана Рамином Агабабеи в сотрудничестве с учеными из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), Швейцария, и Корнельского университета, США.
Я начал работать над этой темой три года назад, когда я был в EPFL и работал в Лаборатории вычислительной твердотельной механики профессора Жана-Франсуа Молинари. Настоящее исследование стало возможным благодаря огромным усилиям доктора философии студент Энрико Миланезе, ведущий автор статьи, который использовал разработанную технику и провел крупномасштабное моделирование для отслеживания эволюции шероховатости поверхностей, скользящих друг относительно друга», - объясняет доцент Агабабаи.
Основной целью текущего проекта было моделирование процесса создания шероховатости, но перспективы их результатов далеко идущие. Контроль шероховатости поверхности имеет важное значение для производительности и долговечности практически всех инженерных приложений. Например, это представляет большой интерес для обрабатывающей промышленности, поскольку позволяет прогнозировать и контролировать шероховатость поверхности обрабатываемых деталей в соответствии с заданными допусками.
В этом исследовании мы исследовали механизм создания шероховатости, и мы предполагаем, что это связано с распространением подповерхностной трещины и удалением материала в различных масштабах. Трещина никогда не идет прямо. Она извивается и закручивается, как молния. которая изгибается в воздухе. И когда вы увеличиваете масштаб, та же самая волнистость самовоспроизводится в меньших масштабах. Другими словами, путь распространения трещины диктует самоаффинный характер шероховатых поверхностей на всех масштабах », - говорит Рамин Агабабаи и соединяет это до шероховатости природного разлома в геологическом масштабе.
Человечество до сих пор не знает, почему происходят землетрясения, но мы считаем, что это вопрос распространения микроскопических трещин в недрах земли, посылающих сейсмические волны, которые заставляют землю трястись. И если мы сможем понять трещину Механизм инициирования путем постфактумного анализа шероховатости разломов, мы надеемся, что сможем что-то предсказать», - добавляет он.
Рамин Агабабаи, возглавляющий группу механики поверхности на инженерном факультете Орхусского университета, в настоящее время сотрудничает с геологами, чтобы использовать эти знания для понимания микроскопических причин землетрясений.
Я действительно горжусь этой работой и отличным сотрудничеством с командой EPFL в этом проекте. Я считаю, что эта новая техника открывает много новых возможностей для изучения микромеханики деградации поверхности и разрушения, чтобы заложить теоретическую основу для разработки новое поколение износостойких материалов и покрытий, надеясь уменьшить потери материала из-за износа», - говорит он.