[논문 리뷰] The Relation Between Wear and Irreversible Entropy Generation in the Dry Sliding of Metals

Hisham A. Abdel-Aal|arXiv (Cornell University)|2010. 08. 02.

Mechanical stress and fatigue analysis참고 문헌 22인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 마찰이 일어나지 않는 금속의 마모를 물질의 돌출부 영역(MAZ) 내에서의 비가역 엔트로피 생성과 연결하는 열역학 모델을 제안한다. MAZ를 카르노와 유사한 열기관으로 간주하여 분석한다. 마모 속도는 엔트로피 생성과 유량과 관련이 있으며, 구리와 티타늄에서 질량 마모 속도와 특별 마모 속도 간에 반대되는 경향을 보인다. 잔류 엔트로피 비율은 마모 거동을 예측하는 데 기여하며, 과잉 엔트로피 이송은 마모를 증가시키고, 엔트로피 생성은 시스템 재균형화로 인해 마모를 감소시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비가역 엔트로피 생성 원리를 활용하여 마찰이 일어나지 않는 금속의 마모에 대한 열역학적 기반을 조사한다.
• 물질의 돌출부 영역(MAZ)을 열기관으로 모델링하여 엔트로피 이송과 비가역성을 분석한다.
• 특히 잔류 엔트로피 비율을 통해 엔트로피 유량과 생성을 마모 거동과 연관지운다.
• 산소를 포함하지 않는 고도로 전도성이 높은 구리와 상업적으로 순수한 티타늄에서 관찰되는 대조적인 마모 경향을 설명한다.
• 엔트로피 이송 능력 또는 생성이 마모 반응을 지배하는 조건을 규명한다.

제안 방법

• 돌출부 접촉 층(고온 저장소)에서부터 접촉 이하 층(저온 저장소)으로 열을 이동시키는 MAZ를 카르노 열기관으로 모델링한다.
• MAZ 내 비가역성을 나타내는 엔트로피 생성 소스 항을 정의한다.
• 산소를 포함하지 않는 고도로 전도성이 높은 구리와 상업적으로 순수한 티타늄의 기존 실험 마모 데이터를 사용하여 모델을 검증한다.
• 시스템의 엔트로피 이송 능력이 과잉 또는 부족한지를 수량화하기 위해 '잔류 엔트로피 비율'을 도입한다.
• 마모 속도의 질량 마모 속도와 특별 마모 속도를 엔트로피 생성 및 엔트로피 유량의 함수로 분석한다.
• 열역학적 평형 원리를 적용하여 엔트로피 역학에 기반한 마모 속도 변동을 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마찰이 일어나지 않는 금속의 마모는 물질의 돌출부 영역(MAZ) 내에서의 비가역 엔트로피 생성과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ2 MAZ를 열역학적 열기관으로 모델링하여 마모 거동을 설명할 수 있는가?
• RQ3 왜 질량 마모 속도와 특별 마모 속도가 서로 다른 재료에서 엔트로피 생성과 관련하여 반대되는 경향을 보이는가?
• RQ4 잔류 엔트로피 비율은 마모 속도 경향을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 엔트로피 생성으로 인한 시스템 재균형화는 마모 속도에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 산소를 포함하지 않는 고도로 전도성이 높은 구리와 상업적으로 순수한 티타늄의 마모는 모두 MAZ 내 엔트로피 생성과 엔트로피 유량과 관련이 있다.
• 엔트로피 이송 능력이 공급을 초과할 경우 질량 마모 속도가 증가하며, 이는 시스템의 과잉 용량을 시사한다.
• 엔트로피 생성이 이송 능력을 초과할 경우 질량 마모 속도가 감소하며, 이는 시스템 재균형화가 마모를 감소시킨다는 것을 시사한다.
• 특정 마모 속도는 엔트로피 생성과 관련하여 질량 마모 속도와 반대되는 경향을 보이며, 이는 서로 다른 척도 행동을 의미한다.
• 두 재료 모두에서 공통된 특성은 잔류 엔트로피 비율에 의해 정의된 바와 같이 엔트로피 공급과 이송 능력이 균형을 이루는 경우 마모가 최소화된다는 것이다.
• 잔류 엔트로피 비율은 예측 지표로 기능한다: 엔트로피 이송 능력이 과잉 공급되면 마모가 증가하고, 엔트로피 생성은 열역학적 평형 복귀로 인해 마모를 감소시킨다.