原子尺度轴承研究助力提升轴承性能
2022-12-19 12:01:15
在过去几年中，TIMKEN一直在通过DFT、MD和DPD等原子尺度模拟方法扩展其知识，以了解材料在其产品中的行为，TIMKEN能够通过确保每个原子都处于其所属的位置来应对不断增长的技术挑战，本文通过对TIMKEN轴承的建模，深入了解了四个影响轴承性能的主要方向，即轴承钢、疲劳机理、聚合物设计和摩擦学。
想象一下，如果一个人变得非常渺小，以至于他可以潜入固体材料中，看到原子的结构，当施加外力时，它们如何相互作用、移动和响应，以及外部温度如何影响它们的性质，改变它们的结构，那人们就可以更好地选择、加工和设计用于制造轴承的材料。
在中国的TIMKEN工程与研究中心（CTC），进行研究的目的是虚拟地深入TIMKEN产品的构成材料，以更好地了解其行为，这使TIMKEN能够响应客户的要求，开发新材料，以提高其轴承的质量、耐用性和其他特定性能。
在大多数情况下，使用实验方法足以充分了解外部约束对产品制造材料的影响，并找到预防性和对抗性解决方案，然而，即使使用了最先进的实验技术，也不可能充分了解某些现象对材料的影响，在某些情况下，如对于处于设计阶段的新材料或产品，仅限于使用实验室测试工具并不总是具有时间效率或成本效益，这就是为什么计算方法是必不可少的。
当涉及到机械零件，例如滚动轴承时，大多数设计问题都可以使用“大规模”模拟技术来解决，如广泛使用的有限元法（FEM），然而，一些特殊问题超出了该建模工具的能力，需要使用替代的介观和微观模拟方法进行处理。
为了深入了解TIMKEN的产品，并能够解决在特定时间和长度尺度上可能存在的问题，TIMKEN的科学家不断开发其在多尺度模拟方法的使用和发展方面的专业知识，有不同的工具（想象一下放大镜，都有不同的放大能力）可以用来理解决定材料在应用条件下行为的特定现象，如下图所示。
在材料中潜得越深，进行模拟所需的计算能力和时间就越多，因此，TIMKEN正在使用一个具有1536个处理器的高性能计算机集群。
一、钢结构设计
第一条研究线是“MultiHy”项目的一部分，该项目是氢脆多尺度建模的简称，该项目由欧洲各行业和学术合作伙伴组成的财团领导，并由欧盟资助，该项目的最初动机是有充足的实验证据支持氢降低轴承和结构钢疲劳寿命的观点，氢的这种效应在技术术语中被称为氢脆，TIMKEN对MultiHy的主要兴趣是能够预测氢如何扩散到轴承钢中并通过轴承钢，更重要的是，发现如何捕获和固定可用的氢，以抵消氢脆对轴承使用寿命的影响。
这种氢迁移率及其对疲劳寿命的影响的模拟补充了其他正在进行的研究，这些研究涉及各种氢源，例如潮湿环境和润滑剂的可能降解。
从原子论的角度来看，正在使用称为密度泛函理论（DFT）的计算量子力学建模方法进行模拟，该方法通常用于研究许多身体系统的电子结构，如上图所示。更具体地说，正在进行模拟，以评估新的实验性含钒轴承钢中的机械性能和氢的影响，其中可以捕获氢以避免脆化。MultiHy项目的结果将有助于这种新型钢的最终开发，从而最终可以将其用于需要耐氢性的应用中。
二、疲劳机制
第二条研究线旨在对轴承钢的微观结构及其对材料在滚动接触疲劳下的行为的影响进行原子描述。在本项目中，分子动力学（MD）方法用于研究裂纹在轴承钢中萌生和传播时原子如何移动和相互作用，如下图所示，对这一现象的理解将使TIMKEN能够找到提高TIMKEN产品寿命和整体性能的方法。
三、聚合物设计
第三个应用涉及用于制造密封件的填充橡胶材料的研究，总体目标是识别和量化在不同尺度上发生的物理现象，这些物理现象影响填充橡胶的准静态和动态应力应变行为。该项目由TIMKEN与清华大学和西班牙巴塞罗那大学的科学家合作开展。
这里使用耗散粒子动力学（DPD）这种中尺度模拟工具，能够分析流体和聚合物（如下图所示）的动态特性，其尺度超出了可以使用MD处理的尺度，通过采用DPD，可以充分考虑各种因素的影响，例如填料颗粒和聚合物链之间的相互作用以及密封材料静态和动态力学行为中聚合物网络的拓扑变化。
四、摩擦学
最终应用解决了两个表面之间的润滑接触，例如混合轴承中滚动元件和滚道之间的润滑，这项工作使用的方法也是MD，其目的是解释钢/钢和钢/陶瓷表面之间摩擦和磨损的根本差异，以提高混合轴承的性能，此外，还可以考虑润滑剂和表面之间的化学反应。
到目前为止，建模已经表明，钢/钢和混合接触之间存在与摩擦和磨损相关的根本差异，更重要的是，混合接触比钢/钢接触具有更低的摩擦。
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