[論文レビュー] The Relation Between Wear and Irreversible Entropy Generation in the Dry Sliding of Metals

Hisham A. Abdel-Aal|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2010

Mechanical stress and fatigue analysis参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、乾燥滑り金属における摩耗を、材料の微小凸部領域（MAZ）内での不可逆的エントロピー生成に関連付ける熱力学的モデルを提案する。MAZをカルノーサイクルに類似した熱機関として扱う。摩耗速度はエントロピー生成と流れに相関しており、銅とチタンでは質量摩耗速度と比摩耗速度のトレンドが逆転する。一方、残余エントロピー比は摩耗行動を予測する。過剰なエントロピー輸送は摩耗を増加させるが、エントロピー生成は系の再平衡化により摩耗を減少させる。

ABSTRACT

We examine the relationship between wear and the generation of entropy in dry sliding of metals. It is postulated that wear is related to irreversible entropy generation within the MAZ. We present a model, that treats the MAZ as a heat engine in the Carnot sense. The model assumes that the MAZ is a heat engine that transports heat from a high temperature reservoir, represented by the asperity contact layer, to a low temperature reservoir, represented by the sub-contact layer. Consequently an entropy generation source that represents the irreversibilities within the MAZ is defined and a study of the entropy generation is attempted. Wear data, published elsewhere, of two materials, Oxygen Free High conductivity Copper, and Commercially Pure Titanium are analyzed using the developed model. It is found that wear for both materials is correlated to entropy generation, and to the entropy flow within the MAZ. Interestingly, moreover, in view of the contrasting wear trends of the test materials, the relationship of the mass wear rate and the specific wear rate of each material with respect to entropy generation are totally opposite to each other. A common feature between the behavior of the two materials, was found in wear behavior with respect to a so called Ratio of Residual Entropy. This ratio determines wether the system is over or under supplied with entropy. It is found that when the capacity to transport entropy exceeds the entropy supply the mass wear rate increases, and when the entropy transport capacity of the system is exceeded and entropy generation takes place the mass wear rate decreases. This is attributed to the re-establishment of equilibrium within the system.

研究の動機と目的

• 不可逆的エントロピー生成の原則を用いて、乾燥滑り金属における摩耗の熱力学的基盤を調査すること。
• MAZを熱機関としてモデル化し、エントロピー輸送と不可逆性を分析すること。
• 特に残余エントロピー比を通じて、摩耗行動をエントロピーの流れと生成と相関させること。
• 無酸素高導電性銅と工業的純チタンにおける摩耗トレンドの相違を説明すること。
• エントロピー輸送能力または生成が摩耗応答を支配する条件を特定すること。

提案手法

• 微小凸部接触層（高温熱源）から準接触層（低温熱源）へ熱を移動させるMAZをカルノーモデルの熱機関としてモデル化する。
• MAZ内での不可逆性を表すエントロピー生成源項を定義する。
• 無酸素高導電性銅および工業的純チタンの既存実験データを用いてモデルを検証する。
• システムのエントロピー輸送能力が過剰または不足しているかを評価するため、「残余エントロピー比」を導入する。
• 質量摩耗速度と比摩耗速度を、エントロピー生成とエントロピー流れの関数として分析する。
• 熱力学的平衡の原則を適用し、エントロピー動態に基づく摩耗速度変動を解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乾燥滑り金属における摩耗は、材料の微小凸部領域内での不可逆的エントロピー生成とどのように関係しているか？
• RQ2 MAZを熱力学的熱機関としてモデル化することで、摩耗行動を説明できるか？
• RQ3 なぜ質量摩耗速度と比摩耗速度は、異なる材料においてエントロピー生成に対して逆のトレンドを示すのか？
• RQ4 残余エントロピー比は摩耗速度トレンドを決定づける役割を果たすのか？
• RQ5 エントロピー生成による系の再平衡化は、摩耗速度にどのように影響するか？

主な発見

• 無酸素高導電性銅および工業的純チタンの両材料において、摩耗はMAZ内でのエントロピー生成とエントロピー流れに相関している。
• エントロピー輸送能力が供給を上回る場合、質量摩耗速度が増加し、システムの過剰容量を示している。
• エントロピー生成が輸送能力を上回る場合、質量摩耗速度が減少し、システムの再平衡化が摩耗を低減していると示唆される。
• 比摩耗速度はエントロピー生成に関して質量摩耗速度とは逆のトレンドを示しており、スケーリング行動の差を示している。
• 両材料に共通する特徴は、残余エントロピー比によって定義されるエントロピー供給と輸送能力のバランスが取れている場合に摩耗が最小化されることである。
• 残余エントロピー比は予測指標として機能する：エントロピー輸送の過剰供給は摩耗を増加させるが、エントロピー生成は熱力学的平衡の回復により摩耗を減少させる。