显示了商业涂料与轻质涂料反射太阳辐射的能力差异。轻质涂料发出的红外热量多于吸收的红外热量，使表面低于环境温度，因此对于协助移动设备（如电动汽车）的热管理具有吸引力。图由普渡大学提供。 By Dr. Neil Canter, 特约编辑| TLT Tech Beat2023年2月。 原文发表于TLT杂志。 这种涂料具有相当的太阳反射率，但会产生更薄的涂层，从而减轻重量。 • 将六方氮化硼添加到已经反射大部分阳光的涂料中，可使涂料重量更轻，在太阳反射率方面同样有效。 • 非球形六方氮化硼薄片的不对称性质产生更有效的太阳反射。 • 在20-30°C的温度范围内对轻质涂料进行为期三天的户外测试，铝基板温度比环境温度低6-8°C。 热管理正在成为电气化组件开发中一个非常重要的问题，因为热量会限制其有效性和耐用性。一个典型的例子是电池电动汽车，其中降低工作温度将延长工作范围并提高效率。 冷却静止或移动物体的常用方法是使用空调，但这可能不会降低该物体周围环境中的温度。印第安纳州西拉斐特普渡大学机械工程教授 Xiulin Ruan说：“虽然空调可以有效地冷却特定区域，但会将热量释放到外部空气中，这些热量留在地球上，不幸的是增加了物体周围环境的温度。 提供额外的电气设备冷却方法可能会导致更好的热管理。挑战是如何偏转太阳产生的大量热量。Ruan说：“太阳在5800 K的温度下发送热量，代表每平方米超过1000瓦的能量通量。这对地球表面产生了重大影响，地球表面的平均温度为300 K。 散热的另一种策略是利用称为辐射冷却的被动冷却技术。Ruan说：“辐射冷却涉及表面如何响应太阳辐射并发出红外热量。辐射冷却表面在将太阳辐射反射到深空方面非常有效，从而有效地最大限度地减少了太阳加热。同时，辐射冷却表面向8-13微米之间的大气透明窗口发射热量，该窗口在红外范围内。如果表面具有高反射性，则表面损失的热量多于吸收的热量，这可能导致表面净冷却。反过来，地表可以冷却周围的环境和地球。 找到可以覆盖物体外表面的合适白色涂料为散热和协助热管理提供了重要机会。市售的白色涂料主要使用二氧化钛作为颜料。Ruan说：“二氧化钛反射了80%-90%的阳光，但这仍然意味着其余的（10%-20%）被吸收到物体中作为热量。这种颜料还可以吸收紫外线，这无助于降低物体的温度。 Ruan和他的同事开发了一种基于硫酸钡的涂料，可以反射高达98.1%的阳光。他说：“硫酸钡具有良好的带隙，不吸收紫外线。问题是硫酸钡基涂料干燥后的厚度必须为400微米。这是基于二氧化钛的商业涂料厚度的两倍多。这种涂料将有效地减少静止物体（如建筑物）吸收的热量，并且会更耐用，但移动物体增加的重量使其不理想。 现在采用了一种新的方法来设计一种重量更轻的涂料，适用于移动物体。 六方氮化硼为了生产可用于运输应用的涂料，研究人员转向使用六方氮化硼作为颜料。Ruan说：“我们发现氮化硼具有许多吸引人的特性。这种材料具有白色，具有良好的颜料形态，重量轻，不吸收紫外线。折射率几乎“与二氧化钛一样高，比硫酸钡更好”。 当将六方氮化硼引入厚度为150微米的涂料配方中时，太阳反射率为97.9%，天窗发射率为0.83。 Ruan说：“六方氮化硼是一种层状材料，其中非球形片相互滑动。与硫酸钡和二氧化钛基涂料中存在的球形颗粒相比，这些颗粒的不对称特性导致更有效的太阳反射。 图2显示了比较左侧传统涂料与右侧六方氮化硼基涂料如何反射阳光的示意图。 显示了商业涂料与轻质涂料反射太阳辐射的能力差异。轻质涂料发出的红外热量多于吸收的红外热量，使表面低于环境温度，因此对于协助移动设备（如电动汽车）的热管理具有吸引力。图由普渡大学提供。 研究人员制备了六方氮化硼与丙烯酸粘合剂体积比为60：40的涂料。Ruan说：“这个比例代表了六方氮化硼的最高处理率，可以在不牺牲油漆机械性能的情况下制备。如果增加比例，那么油漆会变得太脆，容易开裂。 六方氮化硼基涂料的另一个好处是存在气孔。Ruan说：“一旦使用的溶剂二甲基甲酰胺蒸发，我们注意到油漆内部形成了孔隙。孔隙有助于油漆反射阳光的能力，它们的存在减轻了重量。 在20-30°C的温度范围内，平均相对湿度为73%，平均露点为19°C，对油漆进行了为期三天的户外测试。铝基板的温度在三天内平均比环境温度低6-8°C，在白天则低5-6°C。这种温差可能会在协助移动设备（如电池电动汽车）的热管理方面产生显着差异。 六角氮化硼基涂料重量轻，对运输应用非常有吸引力。Ruan正致力于使涂料更具可持续性。他说：“我们的下一个目标是消除挥发性有机化合物（VOC）溶剂并开发水性涂料。我们还打算提高油漆的自清洁能力。 更多信息可以在最近的第1篇文章中找到，也可以通过 [email protected] 联系Ruan找到。 参考资料 REFERENCE 1. Felicelli, A., Katsamba, I., Barrios, F., Peoples J., Chu, G. and Ruan, X. (2022), “Thin layer lightweight and ultrawhite hexagonal boron nitride nanoporous paints for daytime radiative cooling,” Cell Reports Physical Science, 3 (10), 101058. Neil Canter 掌管着他自己的咨询公司“化学解决方案”(Chemical Solutions)，该公司位于宾夕法尼亚州的Willow Grove。 Tech Beat的想法可以通过[email protected]提交给他。

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图1.锂离子电池能够在10分钟内快速充电，并且在2000次循环中表现出良好的耐久性，而性能没有下降。 图由EC Power Group Inc.提供。 此内容受密码保护。 要查看，请输入您的密码:

随着行业开始从Covid-19大流行中崛起，拥有20年机器摩擦学经验的资深人士领导着技术社会 Park Ridge, Illinois（2022年5月17日）─ 摩擦学家和润滑工程师协会（STLE）——为构成摩擦学和润滑工程业务部门的个人、公司和组织提供服务的技术协会——今天宣布，Ryan Evans博士，Timken公司研发总监，将担任2022-2023年总裁，任期一年，从2022年5月17日开始。 在他的新角色中，Evans将担任该协会的首席执行官和董事会主席。在他为期一年的任期内，他将实施一项战略计划，强调摩擦学和润滑领域的技术创新、教育和全球宣传，促进摩擦学在广泛的应用中产生的积极影响。 “Ryan对机器摩擦学和润滑行业的深入了解以及他对STLE的众多贡献使他成为领导我们技术社会的理想选择，”STLE执行董事CAE的Edward P. Salek说。“他丰富的现场经验和成就将为我们的社区提供他们所需的工具，以应对下一个常态。 Evans于2015年加入STLE董事会，并于2019年成为STLE执行委员会成员，担任一年的财务主管，秘书和副总裁。与他一起参加2022-2023年任期的STLE执行委员会的有：副总裁Hong Liang博士（德克萨斯A&M大学），秘书Jack McKenna（Sea-Land Chemical Company），财务主管Kevin Delaney（Vanderbilt Chemicals，LLC），前任总裁Ken Hope博士（雪佛龙菲利普斯化学公司）和STLE执行董事Edward P. Salek。 “STLE正在引领复苏，我作为总裁的目标是 帮助摩擦学和润滑行业从大流行中变得更强大，” Evans说。“通过将这个技术含量高、多样化的社区重新聚集在一起，并利用我们在技术研究、教育和专业发展方面的广泛资源，我们可以为创新创造一条新的前进道路。 Evans 目前在Timken公司任职期间，负责领导团队识别和开发新产品、材料和制造技术，以满足客户需求。在 2018 年转任此职位之前，他曾担任工程基础和物理测试经理，负责Timken公司的轴承和齿轮基础、摩擦学、高级建模和仿真以及轴承产品性能测试。从 2015 年到 2017 年，Evans 在Timken公司运营部门的制造持续改进和供应链规划小组工作。 Evans于2002年首次加入Timken公司，担任先进材料领域的研究员，并在研发部门的薄膜涂层、润滑、先进材料表征和摩擦学领域做出了重大贡献。在铁姆肯公司任职期间，Evans 撰写了 40 多篇同行评审的技术出版物，并在这些领域获得了14项专利。 Evans是STLE，ASM International和美国机械工程师协会（ASME）的成员。他曾获得多个STLE出版奖项，并被引用为2017年ASM国际工程材料成就奖的获得者（代表Timken公司）。 在他的领导下，Timken公司的研发和技术团队在 2021 年因风力涡轮机轴承解决方案而获得了久负盛名的研发 100 强奖。 Evans拥有Akrond大学的学士学位、Case Western Reserve大学化学工程硕士学位和博士学位。 自2004年以来，他在STLE的表面工程和滚动轴承技术委员会、颁奖委员会和年会计划委员会担任志愿者。 关于摩擦学家和润滑工程师协会（STLE） 摩擦学家和润滑工程师协会（STLE）是首屈一指的技术协会，为构成摩擦学和润滑工程业务部门的13000多名个人和250家公司和组织提供服务。STLE成员受雇于世界领先的公司，学术机构和处理科学和技术的政府机构。STLE为这些杰出的技术专家提供各种专业教育和认证计划。STLE是一个专业的技术协会，通过编程、课程、活动和期刊，为您提供技术研究，教育和专业发展方面的强大资源，主题是安全、能源使用、维护、自然资源、磨损和生产力。 摩擦学的进步可以提高许多行业的生产力、盈利能力、可持续性和安全性，包括制造业、金属加工、运输和电力能源。 对于那些有兴趣了解最新技术，推进其职业发展并建立来自世界各地的新专业联系的人来说，都可以获得会员资格。 STLE会员资格是一项低成本投资，具有高专业回报。欲了解更多信息或立即加入，请访问 www.stle.org。

目录 白色蚀刻裂纹 白色蚀刻裂纹形成的原因 滚动接触疲劳中的WEC 加速疲劳（过早剥落）中的偏裂酶 由于较高应力而产生WEC的示例 由于材料强度较低而产生WEC的示例 混合摩擦和润滑剂影响下WEC生成示例 讨论 建议 如今，由于滚动接触疲劳引起的轴承故障通常很少发生，滚动轴承的最终使用寿命通常远远超过计算的额定寿命。然而，在某些情况下，在特定应用中，轴承有时会在计算的额定寿命的5%至10%时过早失效。 轴承过早失效通常以非常短的间隔发生，即，与正常滚动接触疲劳相比，威布尔分布显示出较高的斜率（图 2）。 许多过早失效的一个特征是具有“白色蚀刻外观”的广泛次表面裂纹网络，通常称为白色蚀刻裂纹（WEC）（图1）。这种裂纹通常会蔓延到表面，导致滚道剥落，这在风力涡轮机齿轮箱 [1]、汽车传动系统、交流发电机和外围辅助设备 [2] [3]、造纸厂和船舶推进系统 [4] 等应用的现场返回中常见。一些典型示例如图3所示。这种失败的根本原因已经广泛讨论了大约15年，并提出了基于不同角度检查的各种假设。对各种假设的全面回顾和分析可以在[5][6]中找到。在过去的几十年里，轴承过早失效已经从不同的角度得到了解决，这一事实使人们对问题的具体方面有了更多的了解。然而，轴承失效分析领域的主要参与者对根本原因和失效机理仍缺乏共识。 图1：典型的扩展白色蚀刻裂纹网络;大尺寸调心滚子轴承。 在过去四年中，SKF加强了对WEC现象的研究、调查和研究，以阐明WEC相对于轴承滚动接触疲劳以及加速疲劳（轴承过早剥落）的作用。虽然这个问题仍在材料科学界讨论中，但SKF的研究结果强烈支持WEC发生在失效链的末端，并且是过早失效轴承中裂纹网络的自然结果。WEC被认为是疲劳失效的症状，而不是根本原因。本文阐述了SKF专家对过早失效和WEC的多数共识。还提出了WEC的定义，讨论了其原因，并提出了导致WEC的所有故障原因的方案。 图2：轴承失效的威布尔分布;红坡：典型的过早失效案例;蓝色斜率：正常接触疲劳试验的斜率。 白色蚀刻裂纹 白色蚀刻裂纹是轴承钢微观结构内的裂纹。它们由白色蚀刻区域 （WEA） 装饰。白色蚀刻是指抛光和蚀刻钢样品的微观结构改变的白色外观。受影响的区域由超细、纳米晶体、无碳化物铁氧体或具有非常细小的碳化物颗粒分布的铁氧体组成。WEA是通过过度轧制过程中裂纹面的摩擦引起的非晶化形成的。这些区域在光学显微镜下呈白色，因为它们对蚀刻剂的蚀刻响应低。裂纹周围的白色蚀刻区域比周围未受影响的微观结构硬10%至50%。 白色蚀刻裂纹形成的原因 滚动接触疲劳中的WEC 众所周知，小型、重载、长时间运行的轴承可以经历几个疲劳阶段，直到失效（非常高的循环疲劳）[7]。第一阶段是摇晃阶段，导致微塑性变形、加工硬化，并最终积聚残余应力。在整顿过程中，轴承表面也可能发生一些微塑性变形，凹凸不平。整顿后，轴承寿命的主要部分开始，其特征是微观结构的逐渐变化[8]。在此阶段，由于微塑性变形，碳化物分布正在发生变化[9][10]。此外，残余的奥氏体可能会腐烂，所有微观结构的变化都伴随着残余应力的积累。在轴承滚动接触疲劳的高级状态下，可以找到暗蚀刻区域 （DER） 以及白色蚀刻、低角度带 （LAB） 和高角度带 （HAB）（图 4 左）。尽管LAB和HAB也是白色蚀刻，但与早期轴承失效中发现的不规则WEC形成相比，它们具有不同的外观。由此得出的结论是，不规则的WEC形成不是滚动接触疲劳（RCF）的一部分。然而，这些白色蚀刻区域的微观结构在晶体结构上与过早失效中观察到的白色蚀刻区域没有太大区别。 图3：风力涡轮机齿轮箱的（a）造纸机，（b）压缩机，（c）低速和（d）高速级轴承过早失效的一些典型例子。 对于中大型轴承，上述影响不一定以与小型重载轴承相同的方式发生。与其他机械部件一样，这些轴承通常由于最薄弱环节的断裂（例如，材料结构中预先存在的偏差，如夹杂物和孔隙率）而失效。如ISO/TR 1281-2：2008中所述，轴承尺寸高于100 mm的轴承平均直径时，疲劳极限会降低。此外，当比较接触压力对较小轴承和较大轴承的影响时，较大轴承中受影响的应力体积会增加，薄弱环节的负面影响也会增加。一个例子是夹杂物，它是所有轴承钢的天然组成部分[11]。另一个起作用的因素是接触压力本身;在图4中给出的示例中，产生低角度和高角度带，接触压力相对较高（> 3.2 GPa）。在许多大中型轴承中，施加的接触压力远低于 3 GPa，这意味着疲劳载荷处于另一种状态，导致整体损伤较小，非金属夹杂物周围的局部损伤更多。 早在 1960 年代[12] 和 SKF 内部就报道了 WEC 和深色蚀刻装饰，早在 1960 年代 [12] 和 SKF 内部就报道了 WEC 和深色蚀刻装饰。对大中型过早失效轴承（来自高加速寿命试验或标准耐久性试验）的后期调查证实，长时间、不规则的WEC网络的出现是滚动接触疲劳轴承的自然副产品（图4右）。 图 4：左：深沟球轴承中的深蚀刻区域 （DER）、低角度 （LAB） 和高角度 （HAB） 带（红线：轴承滚道）;右：大型圆锥滚子轴承耐久性试验中出现的白色蚀刻裂纹。 加速疲劳（过早剥落）中的偏裂酶 过早剥落（在工业中通常被解释为WEC失效）和正常轴承滚动接触疲劳之间的区别可以在剥落开始之前不同事件发生所需的时间中找到（图5）。此外，与耐久性测试或正常的滚动接触疲劳相比，过早失效通常与轴承失效分析所揭示的多个位置/区域的裂纹萌生有关。 轴承钢中出现裂纹的原因可能不同，在更高的应力或由于环境影响而降低强度的情况下，裂纹会加速（图 6）。 影响轴承的应力可能高于预期。这种情况的例子： 简而言之，重载荷可能是由意外的动力学或温度效应引起的，会产生结构变形、边缘载荷等的重预载荷。 轴承散装材料中的结构应力（例如，由形状偏差、不对中或其他因素引起的）将增加材料中的应力[14]。 严重的摩擦接触条件（例如，膜厚过低和/或滑移条件）与某些润滑剂相结合，也可能引起滚道应力增加[15]。 图5：导致白色蚀刻裂纹发展的简化事件链。 轴承的材料强度可能会受到怀疑会产生氢气的环境因素的负面影响[16]。这些可能包括： 水污染， 腐蚀 [17] 和 杂散电流。 在这些情况下，中等负载条件可能会导致过早失效。 已确定的加速疲劳驱动因素，与较高的应力和较低的材料强度有关，已通过SKF的专用轴承测试得到验证。 图 6： 滚动体轴承中出现白色蚀刻裂纹（简化）。 一旦产生裂纹核子（有时与暗蚀刻区域或DER的发生有关），裂纹面上的摩擦过程[18-22]会导致材料从裂纹的一侧转移到另一侧。这会导致蜿蜒的裂纹，在裂纹的接收侧积聚白色蚀刻微观结构。 白色蚀刻区域的发展还取决于次表面裂纹的方向，这可能与作用内力和变形模式有关。这就是为什么WEA更常见于水平方向的裂纹（平行于滚道），而裂纹的垂直方向部分通常显示出较少的WEA迹象（图7）。此外，WEA的产生取决于裂纹面之间的间隙和应力循环次数，以及材料中的内应力状态。 图 7： SKF 内部测试轴承（带氢轴承测试）次表面裂纹中的白色蚀刻裂纹装饰。 由于较高应力而产生WEC的示例 图8、9和10显示了与应力相关的WEC启动的两个示例。图 8 和图 9 中给出的结果与轴承试验台有关，该试验台旨在通过波纹度人为地将结构应力或结构变形引入轴承座。这会导致局部轴承内圈拉伸应力。该测试涉及一个圆柱滚子轴承，其内圈（孔径为 220 mm）以正常配合的方式安装在五叶波纹度套筒上，该套筒连接到有干涉的轴上。这种通过硬车削产生的波浪形套筒将在内圈的滚道表面附近产生五个约205 MPa的拉伸应力区域。试验轴承是改进的双列圆柱滚子轴承，在内圈的中心部分配备一排八个滚子，而不是两排24个滚子，以适应试验台的容量，以达到所需的接触应力（图8）。轴承材料为 SAE 52100 （100Cr6） 钢。轴承的微观结构为回火马氏体，残余奥氏体高达7%（体积），硬度为62 HRC。 轴承在最大赫兹接触压力为 1.8 GPa 和 kappa 值约为 2 的条件下进行了测试。对轴承进行测试直至失效。 图 8： 轴承过早失效，内圈滚道上出现轴向裂纹。 一个轴承在五叶波纹度套上 1，150 小时（相当于 6.35×108 次应力循环）后在滚道上出现一条可见的轴向裂纹。第二个轴承在 1，570 小时后失效并出现两个可见的轴向裂纹（相当于 8.67×108 个应力循环）。轴向裂纹的位置与波纹峰之一圆周重合，其中存在拉伸应力区。 应该注意的是，之前在相同条件下使用标准轴配合（没有人为引入波纹度）对四个相同的轴承进行了测试，直到大约 > 2，200 小时（相当于 1.21×109 次应力循环）的悬挂才失效，并且在分析后未检测到表面裂纹和次表面白色蚀刻裂纹。 后分析包括通过超声波测试（UST）和染料渗透进行无损检测（NDT），环圆度测量，分形分析和显微镜下的金相检查。 图9：在光学显微镜下在轴向裂纹平行截面上显示的WEC和三个指示区域的放大图像。部分主裂纹和分枝裂纹伴有白色蚀刻区。（b）（c）和（d）中的图片是（a）中分别由数字1-3表示的放大区域。 如图9所示，在样品上做了一个平行的截面，并有一条开放的裂缝。可以看出，蚀刻后，部分主裂纹在光学显微镜下呈白色，在表面以下约500μm的深度处，裂纹已经分支。分支裂纹也是在与主裂纹平行于滚道约400 μm的方向上传播的WEC。分支裂纹的放大（图9（b）、（c）和（d））支持裂缝相互连接，在次表面形成网络WEC的论点。在另外两个圆周位置也制作了平行截面，对应于波浪形套筒轴的峰值。虽然在表面上没有观察到表面裂纹，但在这些区域的地下发现了多个WEC，在测试过程中存在由波纹引起的拉伸应力。有关详细信息，请参阅 [14]。 图 10 中给出的结果与 23024 个承受短期重载荷的球面滚子轴承的测试有关。 图 10： 23024 轴承外圈中由短期重载荷引起的地下 WEC 网络扩展。 在短期重载荷期间，轴承在良好的润滑条件下（kappa 约 3.5）暴露在高于 3 GPa 的接触压力下约 15 分钟。 先前承受短期重载荷的轴承随后安装到径向试验台中。在这里，施加约1.7 GPa的中等接触压力和约2的kappa。在这些条件下，轴承要么在大约 3.3×107 个循环后悬挂，要么在之前发生故障。图10显示了外圈的圆周切割和尼图蚀刻。相关轴承在1.9×107次循环后由于外圈加载区剥落而失效。 由于材料强度较低而产生WEC的示例 图7中已经显示了带氢轴承中的次表面WEC示例。在[22]中，可以找到带氢和非带氢角接触球轴承以及深沟球轴承的详细后期分析。 混合摩擦和润滑剂影响下WEC生成示例 在使用FE8钻机进行油评估测试时，在失效的81212圆柱滚子推力轴承中发现了WEC [23]。迄今为止，混合摩擦和高运动滑移（不代表径向滚子轴承）的组合测试条件表明结果尚无定论。到目前为止，如果FE8测试中的WEC更多是表面引发的疲劳（润滑剂也起着重要作用），还是氢气进入或两者结合的结果，则无法给出最终结论。 图 11：垫圈内滚子的典型 81212 轴承失效外观（左）和 WEC 发生（滚道下方 84 μm 的横向截面）（右）。 已经使用钢对钢 81212 圆柱滚子推力轴承进行了轴承测试。轴承材料为符合SAE 52100标准轴承钢，经过马氏体硬化处理，残余奥氏体含量为<3%，硬度约为60 HRC。这些轴承在中等载荷（最大接触压力约为 1.9 GPa）和润滑不足（kappa 约为 0.3）下进行测试。 已经测试了不同的油和油混合物。典型的失效外观如图 11 所示。 虽然这里没有详细显示，但在进行的所有测试中，滚筒大多失效，垫圈很少。测试要么一直运行到失败（剥落）要么挂起。对于因剥落而失效的轴承，并且已发现WEC，假设在剥落之前可能已经形成了白色蚀刻装饰的次表面裂纹。这是因为有时在非剥落的部件中也发现了次表面裂纹。有关详细信息，请参阅 [15]。 表 1：避免过早剥落故障的建议。 讨论 上述发现确实解释了为什么在所有类型的工业、所有类型的轴承和所有类型的热处理（淬火和表面硬化材料）中都可以找到蚀变碳[1]，因为蚀变发生在失效链的末端，是过早失效轴承中裂纹网络的自然结果。 确定轴承过早失效的根本原因的关键不仅是研究WEC，而是找出导致加速疲劳的相关弱化效应（与较高的应力或较低的材料强度有关）。 一般来说，任何机械部件的故障都是由于最薄弱环节的断裂造成的。这是局部应力超过局部强度的时候。过早失效是最薄弱环节显著削弱的结果。用于各种应用的滚动轴承的可靠性遵循最薄弱环节原则。薄弱点始终存在于材料内部或工作接触表面上。如果最薄弱的环节断开，轴承就会失效。当润滑条件差或表面粗糙时（例如，在颗粒压痕之后），最薄弱的环节很可能在表面上，并且轴承由于表面损坏（例如表面疲劳或磨损）而失效。在良好的润滑条件下，最薄弱的环节可能是在次表面，因为存在材料缺陷，例如赫兹接触引起的夹杂物和高剪切应力，以及由于先前存在的材料缺陷引起的裂纹萌生和扩展而导致轴承失效。对于滚动轴承，最薄弱环节的强度可能与称为疲劳极限的载荷或应力极限有关。如果超过疲劳极限，轴承就会失效。当疲劳极限大大降低时，或者换句话说，当最薄弱环节的强度显着降低时，就会发生轴承过早失效。由于应力较高或材料强度降低，导致裂纹早期萌生和裂纹加速扩展，导致轴承过早失效，但不是WEC。当没有弱化时，轴承可能会由于单个剥落的正常滚动接触疲劳而失效，显示很少或没有WEC发生，因为当材料达到其使用寿命时，裂纹会迅速扩展[7]。换句话说，裂纹系统内没有时间进行材料转化。随着弱化程度的提高，轴承可能会以广泛的WEC形式过早失效，因为引发裂纹系统中的材料有时间从DEA局部转变为WEA。随着严重程度的提高，可能会出现轴向裂纹，WEA装饰的扩展减少，甚至没有WEA修饰的断裂，因为裂纹扩展得太快[14]。 建议 每个轴承过早失效都是独一无二的。再看图6，可以看出过早剥落的原因可能非常不同。不存在单一的根本原因，每个故障案例都需要根据相应的操作条件进行审查。 根据弱化驱动因素分为“较高应力”和“较低材料强度”，可以给出非常笼统的建议，如表1所示。该表区分了针对应用本身（轴承系统、设计过程）的建议以及进一步提高轴承坚固性的可能性。哪个选项最适合防止过早失效，具体取决于具体的应用环境。如需更多建议，请联系 SKF 应用工程服务部门。 材料由进化杂志提供 References K. Stadler, A. Stubenrauch, Premature bearing failures in wind gearboxes and white etching cracks (WEC), SKF Evolution #2, 2013, http://evolution.skf.com/premature-bearing-failures-in-wind-gearboxes-and-white-etching-cracks-wec/ K. Tamada, H. Tanaka, Occurrence of brittle flaking on bearings used for auto-motive electrical instruments and auxiliary devices, Wear 199 (1996) 245–252. N. Kino, K. Otani, The influence of hydrogen on rolling contact fatigue life and its improvement, JSME Rev. 24 (2003) 289–294. B. Carr, More bearing failures for cruise ship pod drives, The eBearing News, http://www.ebearing.com/news2006/052201.htm, May 2006. M.H. Evans, An updated review: white etching cracks (WECs) and axial cracks in wind turbine gearbox bearings, Mat. Sci. Tech., DOI: 10.1080 / 02670836.2015.1133022, 2016, 1-37. K. Stadler, J. Lai, R.H. Vegter, A review: the dilemma with premature white etching crack (WEC) bearing failure, J. ASTM Int. (2015), STP1580. A. 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使用调幅电形成对单个红细胞进行疲劳测试。（A）用于实时测量微流控芯片中细胞变形的实验装置。示意图显示了测试系统的关键组件，包括带有叉指微电极的微流体装置、用于产生调制正弦载波的信号发生器以及用于数据采集、分析和建模的计算机。（B）当电场（E场）打开和关闭时代表性RBC的显微图像。 RBC的尺寸沿x轴和y轴（分别为a和b）测量。（C） 施加的 0.5、0.8、1.0 和 1.2 V 电压引起的 4 个代表性负载水平下的电池变形的显微图像作为加载循环 （N = 1、50、450 和 900） 的函数。（B 和 C 比例尺，5 μm。信用@强宇浩、刘佳、道明、苏布拉苏雷什和杜大 人类红细胞（RBC）用途广泛，当它们在不同的小血管和毛细血管周围移动时，能够经历细胞变形。它们的平均寿命约为 120 天，在此期间，红细胞会经历周期性拉伸和放松，并且可能相对较大。然而，在心肌梗塞、糖尿病和其他疾病等几种疾病下，红细胞畸形异常。 在机械工程中，众所周知，循环加载会导致疲劳 - 导致许多机器故障的现象。疲劳还会损坏和在生物材料（如骨骼）中产生裂缝，也会在用于牙科植入物或人工心脏瓣膜的合成生物材料中造成裂缝。显然，这种周期性应变也会导致红细胞疲劳。然而，生物细胞疲劳的降解机制尚不清楚。几十年来，测量健康和患病生物细胞的疲劳反应一直是一个挑战。 最近，来自佛罗里达大西洋大学工程与计算机科学学院，麻省理工学院和新加坡南洋理工大学的研究人员建立了一种新的方法来量化机械疲劳对自然细胞行为的影响。他们发现疲劳对天然细胞（如红细胞）的物理特性有显着影响。 研究结果也为血液再循环过程中细胞膜损伤的积累提供了线索。未来的研究可能会解决红细胞的最终失败以及不同血液疾病下细胞降解的机制。 新开发的程序利用采用调幅电变形的一般微流体技术评估红细胞的机械强度和疲劳行为。它将静态和循环机械变形应用于红细胞，并精确测量健康人类红细胞的形态和生物力学质量的变化及其膜的机械性能。该策略还允许在较长时间内施加静态载荷，以及大量的疲劳循环。该方法允许量化单个细胞的机械疲劳行为，但它也相对简单和灵活。灵活性允许以静态或循环方式施加负载，也可以一次研究一个或多个电池。 科学家们需要解决生物细胞应力或变形变化对其机械和物理属性以及性能的影响。检查结果进一步表明，在相同最大载荷和同一时间内，循环变形过程中红细胞的变形能力损失比静态变形下快得多。在变形循环的较高振幅下，可分解性损失也更为明显。 更多信息：Yuhao Qiang等，人类红细胞的机械疲劳，美国国家科学院院刊（2019）。DOI： 10.1073/pnas.1910336116

Flexible Triboelectric Generator. Credit for image: www.gatech.edu 尽管便携式电子设备取得了许多进步，但有一件事是不变的:需要把它们插到墙上的插座上充电。目前，研究人员在《ACS Nano》杂志上发表了一篇文章，他们受中国和日本剪纸艺术的启发，开发了一种重量轻、基于纸张的装置，可以从身体动作中获取并储存能量。 便携式电子设备，如手表、助听器和心脏监护仪，通常只需要一点能量。它们通常从传统的可充电电池获得这种功率。但Zhong Lin Wang, Chenguo Hu及其同事想看看，他们是否可以通过从用户的身体动作中收集能量来解开我们对壁槽的小能量需求。近年来，Wang和其他人一直在研究这种方法，创造了摩擦电纳米发电机（TENGs），该发电机可以利用我们周围的机械能，例如我们的脚步产生的机械能，然后用它来为便携式电子产品供电。但大多数TENG设备需要几个小时才能为传感器等小型电子设备充电，并且它们由丙烯酸制成的，很重。 因此，研究人员转向了几英寸长的超轻，菱形剪纸设计，并用不同的材料覆盖，将其变成一个动力装置。由金和石墨涂层砂纸制成的四个外侧构成了该装置的超级储能电容器元件。内表面由纸制成，涂上金和氟化乙烯丙烯薄膜，组成了TENG能量收集器。在短短几分钟内按下并释放它，就能给设备充电至1伏，这足以为遥控器，温度传感器或手表供电。 材料由美国化学学会提供。

Credit for image: flickr 当你把意大利面酱洒在你最喜欢的衬衫上，但洗完后却没有痕迹时，你应该感谢它的疏油性，这是一种通常应用于纺织品的耐油性的涂料。 然而，这种阻力是有代价的。使纺织品耐油的涂层是含氟基的，他能分解出一种对环境有害的温室气体--氯氟烃气体。 康奈尔大学(Cornell University)工程学院材料科学与工程教授Emmanuel Giannelis和人类生态学院纤维科学与服装设计系教授兼系主任范金图(Jintu Fan)的跨校园合作可能会改变这种情况。他们的实验室工作已经研究出了一种很有前途的新材料，两人向技术许可中心（CTL）提交了专利，这可能有助于改变疏油性的开发方式。 据Giannelis说，CTL已经为该材料申请了临时专利。 范主对这次合作感到很兴奋，并指出工程师们并不总是把他们的专业知识贡献给时尚行业。 他说:“总的来说，与工程部门的合作是非常有趣和富有成效的。”“他们非常好，带来了很多很棒的想法。但在过去，他们可能没有瞄准纺织和时尚行业，这是一个每年3万亿美元的行业。” 研讨会上，Giannelis和其团队正在研究用于水净化的超亲水性聚合物膜，Fan问他们是否可以合作。Giannelis说：“基本上是将我们在聚合物膜中所做的一些工作应用于纺织品中”。 他们与一家服装制造商合作，研制出一种聚合物，这种聚合物可以使面料在保持抗皱性能的同时更透气——这一直是一个挑战——Giannelis说他们在这方面取得了很好的进展。 Giannelis 从该公司回来后说：“这很好，很棒。但你能在疏油涂层上做类似的事情吗?这是一种非常不同的化学，是我们以前没有研究过的东西，但在康奈尔大学，我们有优秀的学生和博士后，他们可以接受这种挑战，做伟大的事情。” 博士后研究员Genggeng Qi开发了一种聚合物，该聚合物将众所周知的化学成分与粗糙的表面纹理相结合，可产生很少的气穴。表面张力足够高的液体会聚集在纤维上，不粘在一起，这样就很容易清洗。 这种粗糙度使用与荷叶的防水质量相同的原理，荷叶具有粗糙的纳米结构并自然排斥水。 Fan对这种材料的早期结果感到兴奋，并指出他们刚刚使用矿物油进行了测试，该矿物油具有较低的表面张力。 “我们发现，即使经过30次洗涤，它仍然耐用，这很棒，”他说。“即使我们能够实现[疏油性]甚至接近氟基[聚合物]，那也将是一个巨大的突破”。 Giannelis对这项工作持谨慎乐观态度。 “我不想宣布完全胜利，”他笑着说，“但我们相信，我们是第一个证明非氟基化学开辟了创造疏油涂层的可能性的团体，这些涂层可能足以抵抗植物油，橄榄油和其他油的污渍。 “对于工业应用，我们还没到那一步，“他补充道。“但我们相信，我们已经开辟了一个机会，需要付出跟多努力才能实现这一目标。 请参阅此视频中的采访和演示： 材料由康奈尔大学 提供 作者：Daryl Lovell 图片来源：flickr

对于道路车辆，风的阻力会增加油耗。但对抗风的一种方法是用风。瑞典的研究人员正在试验用电动风装置减少卡车上的阻力，这种装置模拟涡旋发电机增加飞机机翼升力的方式。 当你凝视飞机窗外，研究机翼时，可能已经注意到了它们。这些小翼片——机翼上部的涡流发生器——在起飞和降落时产生涡流以增强升力。目前，KTH皇家理工学院的研究人员正在用这种方法进行测试，通过在车辆的前角制造类似空气涡流来减少卡车的阻力。 但与由固体材料制成的飞机涡旋发生器不同，这些是在电风的帮助下制造的隐形发电机。 KTH的研究员Julie Vernet说，她正在测试的电动风力旋涡可以减少燃料消耗高达5%的平鼻，驾驶室高于发动机的设计，这是欧洲和日本拖拉机的标准。 Vernet说，电风是由等离子体致动器产生的，等离子体致动器在两个电极之间施加高压。周围的空气分子被电离并通过电场加速 - 这导致风。没有移动的机械部件，与飞机机翼上的涡流发生器不同，这些执行器可以适应风的强度和方向。 KTH流体物理学教授、项目主管HenrikAlfredsson说:“此外，卡车的车身不能有尖锐的东西伸出来，所以这是一种达到相同效果的方法。” 涡流发生器的工作原理是基本的空气动力学原理 - 如果减少翼型背风侧气流的分离，则可以增强升力，同时减少阻力。 同样，当风以一定角度撞击卡车时，摩擦力会剥夺空气所需的能量，使其一直推动卡车的另一侧。当它在拐角处向车辆的背风面移动时，边界层中的空气会减慢，不能再跟随表面。这种流动的分离形成了一个充满漩涡和空气漩涡的气泡。但是，这也解释了为什么雨滴不会从你的后窗上吹下来，而是旋转。 放置在前角的涡流发生器通过其头部的边界层切片，形成一个螺旋状的空气，将高速空气混合到边界层中。这种向表面注入高速空气可以防止空气分离并使其跟随表面，从而大大降低了阻力。 减少这种阻力具有可衡量的影响。据估计，超过20%的车辆能量损失来自风阻力。 “我们的最终目标是减少卡车前角发生的流动分离，”Vernet说。“通过增加靠近地表的动量，分离区域的大小就减小了。 该项目由瑞典能源署资助，由卡车制造商斯堪尼亚CV AB与KTH的航空和车辆工程和机械部门合作进行。 材料由瑞典KTH提供 Save Save Save Save

这是灾难电影中常见的比喻:地震来袭，导致地面裂开，吞没了人和汽车。 裂开的地球可能会成为电影情节的一部分，但地震科学家长期以来一直认为这种情况不会发生。 但根据加州理工学院的新实验研究，事实并非如此。 这项研究发表在5月1日的《自然》杂志上，展示了在沿逆冲断层发生的地震中，地球是如何裂开然后迅速闭合的。 逆冲断层是世界上一些最大地震的发生地，比如2011年日本东北地区发生的地震，破坏了福岛核电站。 它们发生在地壳的薄弱区域，在那里，一块岩石挤压另一块岩石，在地震中向上滑动并覆盖它。 地壳断层地震通常发生在两块岩石相互挤压时，压力克服了使它们保持在原地的摩擦。 长期以来，人们一直认为，在较浅的深度，板块只会相互滑动一小段距离，而不会打开。 然而，研究人员在调查东北地震时发现，断层不仅在浅层发生了滑动，在一些地方甚至发生了50米的滑动。 这种巨大的移动发生在近海，引发了海啸，破坏了日本沿海的设施，包括福岛第一核电站。 在《自然》杂志的论文中，该团队假设东北地震的破裂沿断层向上传播，一旦它接近地表，就会导致一块岩石从另一块岩石上扭开，打开一个缺口，并暂时消除两壁之间的任何摩擦。 这使得断层滑动了50米。 断层的开口被认为是不可能的。 “这实际上是目前大多数地震的计算机模型所内置的。 这些模型的编程方式决定了断层壁不能彼此分开，” Ares Rosakis说, 加州理工学院航空和机械工程Theodore von Kármán教授，《自然》杂志论文的资深作者之一。 “这些发现证明了实验和观察的价值。 计算机模型只能在其内置假设允许的情况下才具有现实性。” 这个国际团队在加州理工学院的一个设施中模拟地震，发现了扭曲现象，该设施被非正式地称为“地震风洞”。 该设施一开始是Rosakis和HirooKanamori的合作项目。Rosakis是一名研究材料失效机理的工程师，Kanamori是一名探索地震物理学的地震学家，也是《自然》杂志研究的合著者。 “加州理工学院的研究环境极大地帮助了我们在不同科学学科之间进行密切合作，”Kanamori说。 “我们地震学家从与Rosakis教授的团队的合作中获益良多，因为在地震学中进行实验来检验我们的想法通常非常困难。” 在该设施中，研究人员使用先进的高速光学诊断技术来研究地震破裂是如何发生的。 为了在实验室中模拟逆冲断层地震，研究人员首先将力学特性与岩石相似的透明塑料块切成两半。 然后，他们在压力下把破碎的碎片重新组装起来，模拟断层线的构造负荷。 接下来，他们在他们想要的震中位置放置一个小的镍铬丝保险丝。 当他们引爆引信时，引信所在位置的摩擦会减少，从而使一个非常快的破裂沿微型断层传播。 这种材料是光弹性的，这意味着它在透明材料中通过光的干涉直观地显示应力波的传播。 模拟的地震用高速摄像机记录下来，产生的运动由激光测速仪(粒子速度传感器)捕捉下来。 “这是地震学家、构造学家和工程师合作的一个很好的例子。 而且，不要说得太细，这是美国和法国的合作，”该论文的合著者、法国国家科学院的研究科学家Harsha Bhat说。Bhat此前是加州理工学院的博士后研究员。 研究小组惊讶地发现，当断裂撞击地表时，断层扭开，然后啪地关上。 随后的计算机模拟——修正了模型，去掉了防止断层开启的人工规则——证实了研究小组在实验中观察到的情况:一块平板会剧烈地扭离另一块。 这种情况可能发生在陆地和水下逆冲断层上，这意味着这种机制有可能改变我们对海啸如何产生的理解。 这篇论文的题目是“逆冲地震破裂可能打开断层的实验证据”。 第一作者是Vahe Gabuchian(08届硕士，15届博士)，加州理工学院研究生航空航天实验室(GALCIT)的前博士生，合作作者包括法国国家科学院的Raúl Madariaga。 Material Provided by CalTech Author: rperkins