In this study, we investigated the effect of the spring constant on frictional behavior at a nanoscale through molecular dynamics simulation. A small cube-shaped tip was modeled and placed on a flat substrate. We did not apply the normal force to the tip but applied adhesive force between the tip and the substrate. The tip was horizontally pulled by a virtual spring to generate relative motion against the substrate. The controlled spring constant of the virtual spring ranged from 0.3 to 70 N/m to reveal its effect on frictional behavior. During the sliding simulation, we monitored the frictional force and the position of the tip. As the spring constant decreased from 70 to 0.3 N/m, the frictional force increased from 0.1 to 0.25 nN. A logarithmic relationship between the frictional force and spring constant was established. The stick-slip instability and potential energy slope increased with a decreasing spring constant. Based on the results, an increase in the spring constant reduces the probability of trapping in the local minima on the potential energy surface. Thus, the energy loss of escaping the potential well is minimized as the spring constant increases.
Ji, Min-Ki;Noh, Yeonju;Kang, Hyun-Hak;Jun, Tea-Sung
Tribology and Lubricants
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v.38
no.6
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pp.241-246
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2022
This paper presents the effects of cryogenic temperature on the wear behavior of 22MnB5 blank under cold stamping. After immersing the blank in liquid nitrogen (LN2) for 10 min, a strip drawing test was performed within 10 s. The hardness was measured using the Rockwell hardness test, which increased from 165 HV at 20℃ to 192 HV at cryogenic temperature. The strip drawing test with 22MnB5 blank and SKD61 tool steel shows that for the different wear mechanisms on the tool surface with respect to temperature; adhesive wear is dominant at 20℃, but abrasive wear is the main mechanism at cryogenic temperature. As the friction test is repeated, sticking gradually increases on the tool surface at 20℃, whereas the scratch increases at cryogenic temperature. For the friction behavior, the friction coefficient rapidly increases when adhesive wear occurs, and it occurs more frequently at 20℃. The results for nanoindentation near the worn blank surface indicate a difference of 1.3 GPa at 20℃ and 0.8 GPa at cryogenic temperature compared to the existing hardness, indicating increased deformation by friction at 20℃. This occurs because thermally activated energy available to move the dislocation decreases with decreasing temperature.
In this study, we investigate the tribological behavior of AISI 304 stainless steel pairs under deionized water and hexagonal boron nitride (h-BN) water dispersion lubrication. The specimen friction and wear properties are evaluated using a reciprocating ball-on-flat tribometer. The coefficient of friction remains nearly constant throughout the test under both lubricant conditions. The wear depth of the specimens under h-BN lubrication is smaller than that under deionized water lubrication, indicating the inhibition behavior of h-BN nanolubricants on direct metal-metal contacts. Optical micrographs and stylus profilometer measurements are performed to evaluate the severity of damage caused by the sliding motion and to determine the wear morphology of the specimens, respectively. The results show that h-BN nanolubricants does not have a significant effect on the friction behavior but demonstrates reduced wear owing to their trapping effect between the sliding interfaces. Moreover, scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy images of the specimens were acquired to confirm the trapping effect of h-BN between the sliding interfaces. The results also suggest that the trapped lubricants can distribute the contact pressure, reducing the wear damage caused by the metal-metal contact at the interface. In conclusion, h-BN nanolubricants have potential as an anti-wear additive for lubrication applications. Further investigation is needed to provide direct evidence of the trapping effect of h-BN nanoparticles between the sliding interfaces. These findings could lead to the development of more efficient and effective lubricants for various industrial applications.
This study employs molecular dynamics simulations to investigate the material behavior of workpieces in waterjet machining processes. To gain fundamental insights into waterjet machining, simulations were conducted using pure water, excluding abrasive particles. The simulation model comprised thousands of water molecules interacting with a single crystal metal workpiece. Water molecule clusters were imparted with various velocities to initiate collisions with the metal workpiece. The material behavior of the metal surface was analyzed with respect to the applied velocity conditions, considering the intricate interplay between water molecules and the workpiece at the atomic scale. The results demonstrated that the machining of the metal workpiece occurred only when water molecules were endowed with velocities above a certain threshold. In cases where energy was insufficient, the metal workpiece exhibited a slight increase in surface roughness due to mild plastic deformation, without undergoing substantial material removal. When machining occurred, the ejection of material revealed a 3-fold symmetric pattern, confirming that material removal in waterjet machining of the metal workpiece is primarily driven by plastic deformation-induced material ejection. This research provides crucial insights into the mechanisms underlying waterjet machining and enhances our understanding of material behavior during the process. The findings can be valuable in optimizing waterjet machining techniques.
The effects of the carburizing process on the sliding wear behavior of SCM420H steel have been investigated. In particular, the effects of grain boundary corrosion observed in the surface layer after gas carburizing and the effects of hardness of the carburized cases after heat-treatment on the sliding wear properties were examined. Pin specimens carburized by two methods (gas carburizing and vacuum carburizing) were tempered at two temperatures of 180℃ and 400℃ after oil-quenching, respectively. Sliding wear tests were carried out against heattreated SKH51 steel at several sliding speeds using a pin-on-disc type test machine. As results, it can be found that there is no difference in the wear behavior between the pins carburized using two methods. This implies that the grain boundary corrosion that formed in the surface layer after gas carburizing has no effect on the sliding wear behavior of carburized SCM420H steels. Additionally, there is no significant difference in the wear behavior between carburized pins tempered at 400℃ and at 180℃ after oil-quenching, regardless of the carburizing method. This is because carburized pins tempered at 400℃ have a troostite structure, which exhibits higher tribochemical reactivity even though its hardness is lower than that of martensite structure. In this respect, it can be considered that good wear resistance of carburized cases is maintained at least until the effective case depth.
Singh R. Arvind;Yoon Eui-Sung;Han Hung-Gu;Kong Ho-Sung
Journal of Mechanical Science and Technology
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v.20
no.6
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pp.738-747
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2006
The friction behaviour of Si-wafer, diamond-like carbon (DLC) and two self-assembled monolayers (SAMs) namely dimethyldichlorosilane (DMDC) and diphenyl-dichlorosilane (DPDC) coated on Si-wafer was studied under loading conditions in milli-newton (mN) range. Experiments were performed using a ball-on-flat type reciprocating micro-tribo tester. Glass balls with various radii 0.25 mm, 0.5 mm and 1 mm were used. The applied normal load was in the range of 1.5 mN to 4.8 mN. Results showed that the friction increased with the applied normal load in the case of all the test materials. It was also observed that friction was affected by the ball size. Friction increased with the increase in the ball size in the case of Si-wafer. The SAMs also showed a similar trend, but had lower values of friction than those of Si-wafer In-terestingly, for DLC it was observed that friction decreased with the increase in the ball size. This distinct difference in the behavior of friction in DLC was attributed to the difference in the operating mechanism. It was observed that Si-wafer and DLC exhibited wear, whereas wear was absent in the SAMs. Observations showed that solid-solid adhesion was dominant in Si-wafer, while plowing in DLC. The wear in these two materials significantly Influenced their friction. In the case of SAMs their friction behaviour was largely influenced by the nature of their molecular chains.
Lee, Chun Moo;Kim, Gyu Ha;Park, Sang Joon;Hwang, Gyu-Jin;Park, Sang-Shin
Tribology and Lubricants
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v.37
no.4
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pp.129-135
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2021
An air-bearing stage uses externally pressurized air as the lubricant between the stage and the rail. The supporting force generated by the supplied air makes the stage rise and move smoothly with extremely low friction. Mechanical contacts rarely happen, the bearing surfaces do not produce wear particles, and dust is not generated. It also has the advantage of having low energy loss and high precision. Because of its advantages, an air-bearing stage is used in several types of machines that require high precision. In this article, the effect of the pocket depth on the hammering phenomena of the air bearing is studied. An analysis program is developed to calculate the dynamic behavior of the stage by solving the Reynolds equation between the stage and the guideway and the equations of motion on the stage. The acceleration, constant movement, and deceleration are applied to the stage. The stage is modeled as a five-degree-of-freedom system. In the course of the dynamic behavior, the hammering phenomena occur under some special conditions. The deeper the pocket, the more unstable the behavior of the stage, and air hammering occurs when it exceeds a certain depth. In addition, the higher the supply pressure, the more unstable the behavior of the stage. However, hammering occurs even with a shallow pocket depth. Other conditions that affect the hammering phenomena are calculated and discussed.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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1999.06a
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pp.53-60
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1999
As the flying height decreased, it is essential that hard disk drives perform reliable under various environmental conditions. In this paper the tribological characteristics of a head/disk interface are investigated under various temperature, relative humidity, altitude and outgas conditions. Specially, Contact-Start-Stop(CSS) tests were performed to assess the stiction, acoustic emission, slider take-off behavior, and track average amplitude(TAA). It is shown that the surface damage and head failure are accelerated by high temperature and humidity as well as low ambient pressure.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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1990.11a
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pp.63-68
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1990
Friction and wear behavior of a unidirectional high modulus carbon fiber reinforced epoxy composite exposed to high and low humidity was experimentally examined with various sliding speeds. The results show that the moisture at the sliding surface greatly influences friction and wear properties of the composite. It is also discoverd that the difference in friction and wear behavior between samples with different fiber orientations is mainly due to the anisotropic properties caused by the microstructure of oriented graphite crystals in the carbon fibers and the macrostructure of fiber orientation in the matrix.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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1997.04a
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pp.53-61
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1997
The effect of sintering condition on tribological behavior in the Cu-base sintered friction materials was studied through pin-on-disk type wear tester. Especially, the experiment was focused on making a comparative study between presstwed sintering and pressureless sintering. Pressureless sintering process showes more stable friction coefficient and lower wear rate than pressure sintering process. This result is related to pore size and density of pore in the sintered materials.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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