トライボロジー

トライボロジーは、相対運動する相互作用表面の摩擦、潤滑、摩耗現象を理解する科学と工学です。物理学、化学、材料科学、数学、生物学、工学など、多くの学術分野を活用した高度に学際的な学問です。^[1]トライボロジーの研究の基本的な対象は、接触表面の物理システムであるトライボシステムです。トライボロジーのサブフィールドには、バイオトライボロジー、ナノトライボロジー、宇宙トライボロジーなどがあります。また、トライボ腐食における腐食とトライボロジーの結合や、接触面がどのように変形するかの接触力学など、他の分野にも関連しています。世界の総エネルギー消費量の約20％は、輸送、製造、発電、住宅部門での摩擦と摩耗の影響によるものです。 ^[2]

このセクションでは、トライボロジーの概要と、より専門的な分野の多くへのリンクを示します。

トライボロジーという言葉は、古典ギリシャ語で「こする」を意味する動詞τρίβω（tribo ）の語源τριβ- と、語尾の-logy （ -λογία（-logia）「～の研究」、「～の知識」）に由来しています。ピーター・ヨストは1966 年にこの言葉を造語しました。 ^[1]摩擦、摩耗、腐食が英国経済にもたらすコストを強調した同名のレポートの中で造語されました。 ^[2]

トライボロジーという分野が比較的最近命名されたにもかかわらず、摩擦の定量的研究は、レオナルド・ダ・ヴィンチが摩擦の2つの基本的な「法則」に初めて気づいた1493年まで遡ることができます。^[3]レオナルドによると、同じ重さの2つの異なる物体が異なる幅と長さで接触している場合、摩擦抵抗は同じでした。彼はまた、重量が2倍になると摩擦を克服するために必要な力が2倍になることを観察しました。しかし、レオナルドの発見はノートに書き留められ、未発表のままでした。^[3]

摩擦の2つの基本的な「法則」は、1699年にギヨーム・アモントンによって初めて発表されました。この法則は現在では彼の名前と結び付けられています。その法則は、次のように述べています。^[3]

• 2つの滑り面の間に働く摩擦力は、その面を押し付ける荷重に比例する。
• 摩擦力は、2 つの表面間の見かけの接触面積とは無関係です。

普遍的に適用できるわけではないが、これらの単純な記述は驚くほど広範囲のシステムに当てはまる。^{[4]これらの法則は}シャルル＝オーギュスタン・ド・クーロン（1785年）によってさらに発展し、彼は静摩擦力は接触時間に依存し、滑り（動）摩擦は滑り速度、垂直力、接触面積に依存することに気づいた。^{[5] [6]}

1798年、チャールズ・ハッチェットとヘンリー・キャベンディッシュは摩擦摩耗に関する最初の信頼できる試験を行った。英国枢密院の委託を受けた研究では、彼らは単純な往復運動機械を使用して金貨の摩耗率を評価した。彼らは、砂利が挟まったコインは、砂利が挟まったコインよりも摩耗率が速いことを発見した。^[7] 1860年、セオドア・ライ^[a]はライの仮説 [it]を提唱した。^[9] 1953年、ジョン・フレデリック・アーチャードは、滑り摩耗を記述し、粗面接触の理論に基づいたアーチャード方程式を開発した。^[10]

トライボロジー研究の他の先駆者には、ケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所のオーストラリア人物理学者フランク・フィリップ・ボウデン^[11]とイギリス人物理学者デイビッド・テイバー[ ^{12]がいます。彼らは共同で、画期的な教科書}『固体の摩擦と潤滑』^[13]（第1部は1950年に初版、第2部は1964年に出版）を執筆しました。マイケル・J・ニールも1900年代中期から後半にかけてこの分野をリードした人物の1人です。彼はトライボロジーの知識を応用して機械設計の問題解決を専門としていました。ニールは理論研究と自身の実務経験を統合してわかりやすい設計ガイドを作成する才能を持つ教育者として尊敬されていました。彼が1973年に初版を編集し、1995年に改訂した『トライボロジー ハンドブック』 [ ^14]は、現在でも世界中で使用されており、エンジニアリング設計者向けの数多くのトレーニングコースの基礎となっています。

ダンカン・ダウソンは、1997年の著書『トライボロジーの歴史（第2版）』でトライボロジーの歴史を概観しました。^{[5]この本では、先史時代から初期文明（}メソポタミア、古代エジプト）までの発展を網羅し、20世紀末までの主要な発展に焦点を当てています。

トライボロジーという用語は、1966 年に発表されたジョストレポート以降、広く使用されるようになりました。 ^{[1]このレポートでは、摩擦、摩耗、腐食が英国経済に}与える莫大なコスト ( GDPの 1.1 ～ 1.4% ) が強調されています。^[1]その結果、英国政府はトライボロジーの問題に対処するためにいくつかの国立センターを設立しました。それ以来、この用語は国際社会に広まり、現在では多くの専門家が「トライボロジスト」を自称しています。

ジョスト報告書以降、かなりの研究が行われているにもかかわらず、摩擦と摩耗がエネルギー消費、経済支出、二酸化炭素排出量に及ぼす世界的な影響は依然として大きい。2017年、ケネス・ホルムバーグとアリ・エルデミールは、世界規模での影響を定量化しようと試みた。^{[15]彼らは、}輸送、製造、発電、住宅という4つの主要なエネルギー消費部門を検討した。次のような結論が下された。^[15]

• 全体として、世界のエネルギー消費量の約 23% は摩擦接触に起因しています。そのうち 20% は摩擦を克服するためのもので、3% は摩耗や摩耗関連により摩耗した部品や予備機器を再製造するためのものです。
• 摩擦低減と摩耗防止のための新技術を活用することで、世界中の車両、機械、その他の機器における摩擦と摩耗によるエネルギー損失を、長期的には（15年間）40％、短期的には（8年間）18％削減することができます。世界規模で見ると、これらの節約は年間GDPの1.4％ 、長期的には総エネルギー消費量の8.7％に相当します。
• 短期的には、輸送（25%）と発電（20%）で最大のエネルギー節約が見込まれますが、製造部門と住宅部門での潜在的な節約は約10%と推定されます。長期的には、節約額はそれぞれ55%、40%、25%、20%になります。
• 高度なトライボロジー技術を導入することで、世界の二酸化炭素排出量を二酸化炭素換算で 1,460 百万トン (MtCO ₂ ) も削減し、短期的には450,000 百万ユーロのコスト削減を実現できます。長期的には、削減量は 3,140 MtCO ₂まで拡大し、コスト削減額は 970,000 百万ユーロに達する可能性があります。

ボールベアリング、ギアドライブ、クラッチ、ブレーキなどの用途をカバーする古典的なトライボロジーは、機械工学の文脈で開発されました。しかし、ここ数十年でトライボロジーは、特にマイクロテクノロジーやナノテクノロジー、生物学や医学など、質的に新しい応用分野に拡大しました。^[16]

トライボシステムの概念は、トライボロジー システムへの関連する入力、出力、損失の詳細な評価を提供するために使用されます。これらのパラメータの知識により、トライボロジストはトライボロジー システムのテスト手順を考案できます。

トライボフィルムは、摩擦応力を受けた表面に形成される薄い膜です。トライボフィルムは、トライボロジー システムにおける 摩擦と摩耗の低減に重要な役割を果たします。

ストライベック曲線は、流体潤滑接触における摩擦が潤滑剤の粘度、引き込み速度、接触荷重の非線形関数であることを示しています。

摩擦という言葉は、摩擦を意味するラテン語の「frictionem」に由来しています。この用語は、熱を生成し、2 つの表面間の相対運動に対抗する可能性のあるすべての消散現象を説明するために使用されます。摩擦には主に 2 つの種類があります。

静止摩擦

固定された状態、または比較的静止した表面間で発生します。

動摩擦

相対的に動く表面間で発生します。

摩擦現象の研究は主に経験的な研究であり、正確な結果を得ることはできず、有用な近似的な結論しか得られない。明確な結果を得ることができないのは、この現象が極めて複雑であるためである。さらに詳しく研究すると、新たな要素が提示され、全体的な説明がさらに複雑になる。^[17]

摩擦に関するすべての理論と研究は、ほとんどの場合に有効な 3 つの主な法則に簡略化できます。

アモントンの第一法則

摩擦力は法線荷重に正比例します。

アモントンの第二法則

摩擦は見かけの接触面積とは無関係です。

クーロンの第三法則

動摩擦は相対的な滑り速度とは無関係です。

クーロンは後に、いくつかのケースでアモントンの法則からの逸脱を発見した。^[6]著しく不均一な応力場を持つシステムでは、システム全体が滑る前に局所的な滑りが発生するため、アモントンの法則は巨視的には満たされない。^[18]

ある質量mのブロックを水平面上に静止状態で置いたとします。ブロックを動かすには外力を加えなければなりません。このとき、加えられた力と等しく反対の力によって運動に対する一定の抵抗が生じます。この抵抗はまさに静摩擦力です。^[19]${\displaystyle {\vec {F}}_{out}}$${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$

加える力を継続的に増加させることで、ブロックが瞬時に動き始める値が得られます。この時点で、上記の最初の2つの摩擦法則も考慮すると、静摩擦力をブロックの動きを引き起こすために必要な最小の力に等しい係数として定義し、静摩擦係数を静摩擦力とブロックの法線力の比として定義することができます。${\displaystyle \mu }$${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$${\displaystyle {\vec {N}}}$$${\displaystyle {\left|{\vec {F}}_{s.f.}\right|}\leq \mu {\left|{\vec {N}}\right|}}$$

ブロックが動き出すと、ブロックは静止摩擦力よりも弱い摩擦力を受けます。相対運動中の摩擦力は動摩擦力と呼ばれます。この場合、アモントンの法則の最初の 2 つだけでなく、クーロンの法則も考慮する必要があります。そうすることで、動摩擦力、動摩擦係数k、および法線力Nの関係が次のようになることがわかります。${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$${\displaystyle {\vec {F}}_{d.f.}}$${\displaystyle {\vec {F}}_{d.f.}}$$${\displaystyle \left|{\vec {F}}_{d.f.}\right|=k{\left|{\vec {N}}\right|}}$$

この時点で、静摩擦係数と動摩擦係数の主な特性をまとめることができます。 ${\displaystyle \mu }$${\displaystyle k}$

これらの係数は、相互接触に関与する表面の種類に応じて、摩擦力の強さと適用される荷重の強さの比によって与えられる無次元量であり、いずれの場合も、次の条件が常に有効です。 ${\displaystyle {\vec {F}}_{f}}$${\displaystyle {\vec {W}}}$${\displaystyle \mu >k}$

通常、両方の係数の値は単位を超えることはなく、力と速度の特定の範囲内でのみ一定であると見なすことができます。その範囲外では、これらの係数と変数を変更する極端な条件が存在します。

著しく不均一な応力場を持つシステムでは、システムが滑る前に局所的な滑りが発生するため、マクロ的な静摩擦係数は外部圧力、システムのサイズ、または形状に依存します。^[18]

次の表は、一般的な材料の静摩擦係数と動摩擦係数の値を示しています。

転がり可能な物体の場合、動摩擦に典型的な滑り現象は発生しない特殊なタイプの摩擦がありますが、動きに反対する力も発生し、これも静摩擦のケースを除外します。このタイプの摩擦は転がり摩擦と呼ばれます。ここで、水平面上を転がる車輪に何が起こるかを詳しく観察します。最初、車輪は動かず、車輪に作用する力は重力と、床の重さに対する反応によって生じる 法線力です。${\displaystyle m{\vec {g}}}$${\displaystyle {\vec {N}}}$

この時点で車輪が動き出し、車輪の中心から距離bだけ前方に加わる法線力の作用点で変位が生じます。この変位は、転がり摩擦係数の値に等しくなります。運動に対する抵抗は、転がりが始まった瞬間に法線力と重力が分離することによって生じるため、転がり摩擦力によって与えられるトルクの値は、車輪と支持面の間で微視的レベルで何が起こるかを詳細に図に示します。この図では、動かない車輪に作用する変形面の反力の挙動を観察できます。 $${\displaystyle {{\vec {M}}_{r.f.}}={\vec {b}}\times m{\vec {g}}}$$

車輪を連続的に転がすと、平面にわずかな変形が生じ、次のポイントを通過すると、平面は最初の状態に戻ります。圧縮段階では、平面は車輪の動きに反対しますが、減圧段階では動きにプラスの影響を与えます。

したがって、転がり摩擦の力は、支持面と車輪自体が受ける小さな変形に依存し、 と表すことができます。ここで、滑り摩擦係数との関係でbをと表すことができます。ここで、rは車輪の半径です。 ${\displaystyle |{\vec {F}}_{r}|=b|{\vec {N}}|}$${\displaystyle \mu }$${\textstyle b={\mu v \over r}}$

さらに深く調べると、金属の最も外側の表面だけでなく、金属の歴史、その組成、およびその製造プロセスに関連する、より内部の状態も研究できるようになります。

金属を 4 つの異なる層に分けることができます。

1. 結晶構造 - 金属の基本構造、バルク内部の形状。
2. 機械加工層 – 金属が受けた加工プロセスから生じた層で、異物が含まれる場合もあります。
3. 硬化層 - 作業工程で急速な冷却を受けるため、内層よりも硬度の高い結晶構造を持ちます。
4. 外層または酸化層 - 金属の環境との化学的相互作用および不純物の堆積によって生成される層。

酸化物と不純物の層 (第 3 の物体) は、摩擦学上、基本的な重要性を持ち、実際、摩擦の低減に寄与します。酸化物に関するもう 1 つの基本的な重要性は、表面を洗浄して滑らかにし、純粋な「金属表面」を得ることができれば、接触する 2 つの表面が結合していることが観察されるということです。実際、汚染物質の薄い層がなければ、問題の金属の原子は物体を別の物体と区別することができず、接触すると単一の物体を形成します。

表面間の接触は、文献では原子同士の接触が起こる凹凸または接触接合部と呼ばれる多数の微細領域で構成されています。摩擦現象、つまりエネルギー散逸は、まさに負荷と相対運動によってこのような領域が受ける変形が原因です。塑性変形、弾性変形、または破断変形が観察されます。

• 塑性変形 - 隆起の形状の永久変形。
• 弾性変形 - 圧縮段階で消費されたエネルギーが減圧段階でほぼ完全に回復される変形（弾性ヒステリシス）。
• 破壊変形 - バンプの破壊と新しい接触領域の生成につながる変形。

この現象中に消散するエネルギーは熱に変換され、接触している表面の温度が上昇します。温度の上昇は相対速度と材料の粗さにも依存し、非常に高くなると、関係する材料が融合することもあります。

摩擦現象において、温度は多くの応用分野で重要な役割を果たします。たとえば、温度が上昇すると摩擦係数が急激に低下し、結果としてブレーキの効き目も低下します。

接着理論によれば、球状の凹凸が互いに接触し、荷重を受けると変形が見られ、荷重が増加するにつれて弾性変形から塑性変形に移行します。この現象には実接触面積の拡大が伴うため、次のように表すことができます。ここで、D は材料の硬度であり、適用された荷重を接触面積で割った値として定義されます。 ${\displaystyle {\vec {W}}}$${\displaystyle A_{r}}$$${\displaystyle A_{r}={{\vec {W}} \over D}}$$

この時点で 2 つの表面がそれらの間で滑っている場合、塑性変形によって正確に生成された接着結合の存在によって示されるせん断応力t に対する抵抗が観察され、したがって摩擦力は次のように表されます。この時点で、摩擦係数は摩擦力の強さと適用された荷重の強さの比であるため、せん断強度tと硬度という 2 つの材料特性に関連していると言えます。低い値の摩擦係数を得るには、せん断応力が少なくて済むが非常に硬い材料に頼ることができます。実際、潤滑剤の場合、非常に硬い材料の上に、切削応力tが低い材料の基板を使用します。 $${\displaystyle {\vec {F}}_{a}=A_{r}{\vec {t}}}$$$${\displaystyle \mu ={t \over D}}$$${\displaystyle \mu }$

接触している 2 つの固体間に作用する力には、これまで示したように法線成分だけでなく、接線成分もあります。この接線成分により、塑性変形に伴う負荷は、この成分を無視した場合よりも低くなるため、粗さ間の相互作用の説明はさらに複雑になります。作成される各単一接合部の面積のより現実的な説明は、定数と接合部に適用された「接線」力で与えられます。 $${\displaystyle {A_{i}}^{2}=\left({\frac {{\vec {W}}_{i}}{D}}\right)^{2}+\alpha \left({\frac {{\vec {F}}_{i}}{D}}\right)^{2}}$$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle {\vec {F}}_{i}}$

さらに現実的な考察を行うには、接触する 2 つの固体の間に水分、酸化物、潤滑剤などの異物が存在するという、第 3 の物体の現象も考慮する必要があります。次に、純粋な「材料」のせん断強度tと第 3 の物体のせん断強度 tを 0 < c < 1 で相関させることができる係数 c を導入します。 ${\displaystyle t_{t.b.}}$$${\displaystyle t=c\cdot t_{t.b.}}$$

限界での挙動を調べると、c = 0、t = 0、c = 1 の場合は、表面が直接接触し、第 3 の物体が存在しない状態に戻ります。 先ほど述べたことを念頭に置いて、摩擦係数の式を次のように修正することができます。結論として、弾性体が相互に作用する場合について検討します。 $${\displaystyle \mu ={\frac {c}{[\alpha (1-c^{2})]^{1/2}}}}$$

先ほど見たのと同様に、Kが材料の弾性特性に依存するタイプの方程式を定義することが可能です。弾性体の場合、接線力は上記の係数cに依存し、したがって摩擦係数のかなり包括的な説明が得られます。$${\displaystyle A=K{\vec {W}}}$$$${\displaystyle {\vec {F}}_{T}=cAs}$$$${\displaystyle \mu =cKs}$$

2 つの表面の摩擦係数を評価する最も簡単で直接的な方法は、傾斜面を使用して材料のブロックをスライドさせることです。図からわかるように、平面の法線方向の力は で与えられ、摩擦力は に等しくなります。これにより、ブロックが滑り始める角度の接線によって、摩擦係数を非常に簡単に計算できると言えます。実際、次の式が得られます。次に、傾斜面から、クロス ローラー マシンやピン アンド ディスク マシンなど、測定が行われる可能性のあるすべての環境条件を考慮できる、より高度なシステムに移行しました。今日では、「摩擦テスター」などのデジタル マシンがあり、ソフトウェア サポートによって必要なすべての変数を挿入できます。広く使用されているもう 1 つのプロセスは、リング圧縮テストです。調査対象の材料の平らなリングをプレスによって塑性変形します。変形が内側の円と外側の円の両方で拡張である場合、摩擦係数は低いかゼロになります。そうでない場合、内側の円内でのみ拡大する変形では、摩擦係数が増加します。 ${\displaystyle mg\cos \theta }$${\displaystyle mg\sin \theta }$$${\displaystyle \mu ={F_{a} \over N}={mg\sin \theta \over mg\cos \theta }={\sin \theta \over \cos \theta }=\tan \theta }$$

表面間の摩擦を減らし、摩耗を抑えるために、潤滑剤と呼ばれる物質が使用されます。^[20]皆さんが考えるのとは異なり、潤滑剤は単なる油や脂肪ではなく、空気や水など、粘性を特徴とするあらゆる流体物質です。もちろん、潤滑剤の種類は、その用途に応じて異なります。たとえば、空気と水は簡単に入手できますが、前者は限られた荷重と速度の条件下でしか使用できず、後者は材料の摩耗に寄与する可能性があります。

これらの材料によって私たちが実現しようとしているのは、完全な流体潤滑、または問題の表面間の直接接触を避け、その間に潤滑剤の膜を挿入できるような潤滑です。これを実現するには、用途の種類、対処するコスト、達成したい潤滑の「完璧さ」のレベルに応じて、2 つの方法があります。

• 流体静力学的潤滑（鉱油の場合は静水圧潤滑） - 接触する表面の間に圧力をかけた潤滑材を挿入するものです。
• 流体潤滑（または流体力学） - 表面間の相対的な動きを利用して潤滑材を浸透させます。

粘度は流体の摩擦に相当し、実際には、形状の変化を引き起こす力に抵抗する流体の能力を表します。

ニュートンの研究のおかげで、この現象に対するより深い理解が達成されました。実際、彼は層流の概念を導入しました。「層ごとに速度が変化する流れ」です。理想的には、領域 A の 2 つの表面 ( 、 )の間で、さまざまな層に流体を分割することができます。${\displaystyle S_{1}}$${\displaystyle S_{2}}$

表面 に接触している層は、加えられた力Fにより速度vで動き、スラブのvと同じ速度を持ちますが、直後の各層は、この速度を量dvだけ変化させます。この変化は、速度がゼロになる 不動の表面 に接触している層まで続きます。${\displaystyle S_{2}}$${\displaystyle S_{1}}$

これまで述べたことから、2 枚のプレートの間にある流体に回転運動を引き起こすために必要な力Fは、2 つの表面の面積と速度勾配に比例すると言えます。この時点で、流体の動粘性係数に対応する比例定数 を導入して、ニュートンの法則として知られる次の式を得ることができます。速度は層ごとに同じ量dvだけ変化し、 dv / dy = v / Lとなる条件が発生します。ここで、L は表面と の間の距離です。この式を簡略化して、次のように書きます。運動に強く抵抗する流体では粘度が高く、流れやすい流体では粘度が低くなります。 $${\displaystyle F\propto A{dv \over dy}}$$${\displaystyle \mu }$$${\displaystyle F=\mu A{dv \over dy}}$$${\displaystyle S_{1}}$${\displaystyle S_{2}}$$${\displaystyle F=\mu A{v \over L}}$$${\displaystyle \mu }$

研究対象の流れの種類を決定するには、レイノルズ数を観察します。レイノルズ数は、流体の流体質量、粘度、流体が流れる管の直径Lに依存する定数です。レイノルズ数が比較的低い場合は層流となり、 低い場合は乱流となります。 $${\displaystyle Re={{\rho Lv} \over \mu }}$$${\displaystyle \rho }$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle Re\simeq 2000}$

最後に、粘度に応じて流体を 2 つのタイプに分類できることを強調したいと思います。

1. ニュートン流体、つまり粘度が速度勾配ではなく温度と流体圧力のみの関数となる流体。
2. 非ニュートン流体、つまり粘度が速度勾配にも依存する流体。

温度と圧力は、潤滑剤を選択する際に評価する 2 つの基本的な要素です。まず、温度の影響を考慮してください。

潤滑剤の挙動に影響を及ぼす温度変化の主な原因は 3 つあります。

• 気象条件;
• 局所的な熱要因（自動車のエンジンや冷凍ポンプなど）
• 表面間の摩擦によるエネルギーの消散。

1929 年に Dean と Davis は、温度の関数としての粘度挙動に従ってさまざまな潤滑剤を分類するために、粘度指数 (VI) を導入しました。彼らは、当時入手可能な最高の潤滑剤、つまりペンシルバニアの石油に粘度指数 100 を割り当て、最悪の潤滑剤であるメキシコ湾岸のアメリカの石油に値 0 を割り当てました。中間の石油指数の値を決定するには、次の手順を使用します。問題の石油が 100 °C で同じ粘度になるように 2 つの基準油を選択し、次の式を使用して粘度指数を決定します。このプロセスには、いくつかの欠点があります。 $${\displaystyle V.I.={{L-O_{\text{Test}}} \over {L-H}}\times 100}$$

• オイルの混合物の場合、結果は正確ではありません。
• 固定温度範囲外の場合は情報がありません。
• 技術の進歩により、VI が 100 を超えるオイルは、上記の方法では説明できなくなります。

VI が 100 を超えるオイルの場合は、正確な結果を得ることができる別の関係を使用できます。この場合、H は VI = 100 のオイルの 100 °F (38 °C) での粘度であり、v は研究対象オイルの 210 °F (99 °C) での動粘度です。 $${\displaystyle V.I.={{10^{N-1}} \over {0.00715}}+100}$$$${\displaystyle N={{\operatorname {Log} (H)-\operatorname {Log} (O_{\text{Test}})} \over {\operatorname {Log} (v)}}}$$

したがって、結論として、温度の上昇はオイルの粘度の低下につながると言えます。同様に、圧力の上昇は粘度の増加を意味することにも留意してください。圧力が粘度に与える影響を評価するには、次の式を使用します。ここで、は圧力粘性係数 p、は大気圧での粘性係数、は粘度と圧力の関係を表す定数です。 $${\displaystyle \mu =\mu _{0}\exp {(\alpha p)}}$$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle \mu _{0}}$${\displaystyle \alpha }$

流体の粘度を測定するために粘度計が使用されますが、粘度計は主に 3 つのカテゴリに分けられます。

• 毛細管粘度計。毛細管に流体を滑り込ませて粘度を測定します。
• 固体滴下粘度計。流体中を移動する固体の速度を計算することによって粘度を測定します。
• 回転粘度計。相対的に動く 2 つの表面の間に置かれた流体の流れを評価することによって粘度を取得します。

最初の 2 種類の粘度計は主にニュートン流体に使用され、3 番目は非常に汎用性があります。

摩耗とは、ある表面から別の表面または流体と相対的に動く物質が徐々に不本意に除去されることです。摩耗には、中程度の摩耗と重度の摩耗の 2 種類があります。前者は低荷重で滑らかな表面の場合で、後者は大幅に高い荷重と適合性のある粗い表面の場合で、摩耗プロセスははるかに激しくなります。摩耗はトライボロジー研究において基本的な役割を果たします。なぜなら、摩耗は機械 (例) の製造に使用される部品の形状に変化をもたらすからです。これらの摩耗した部品は交換する必要があり、交換コストによる経済的な問題と、これらの部品が時間内に交換されない場合、機械全体にさらに深刻な損傷が発生する可能性があるため機能上の問題の両方を伴います。ただし、この現象にはマイナス面だけでなく、実際には、一部の材料の粗さを減らして凹凸をなくすためによく使用されます。私たちは誤って、摩耗を摩擦と直接相関関係にあると想像しがちですが、実際には、これら 2 つの現象を簡単に結び付けることはできません。低摩擦が大きな摩耗につながる場合や、その逆の場合もあります。この現象が発生するには、一定の実行時間が必要ですが、これは負荷、速度、潤滑、環境条件などのいくつかの変数に応じて変化する可能性があり、同時に発生するか、互いに組み合わさって発生する可能性のあるさまざまな摩耗メカニズムがあります。

1. 粘着摩耗;
2. 摩耗;
3. 疲労摩耗;
4. 腐食摩耗;
5. 擦れによる摩耗またはフレッティング。
6. 侵食摩耗;
7. その他の軽微な摩耗現象（衝撃による摩耗、キャビテーション、摩耗融着、摩耗拡散）。

ご存知のように、2つの表面の接触は、凹凸の相互作用によって発生します。^[21]接触領域にせん断力が加わると、より硬い表面に接着しているため、より弱い材料の一部が剥がれる可能性があります。ここで説明されているのは、まさに図に示されている凝着摩耗のメカニズムです。このタイプの摩耗は、摩耗速度が速いため非常に問題がありますが、同時に、関係する表面の表面粗さと硬度を高めるか、酸素、酸化物、水、油などの汚染物質の層を挿入することで、凝着を減らすことができます。結論として、凝着摩耗量の挙動は、3つの主な法則によって説明できます。

法則 1 – 距離

摩耗に関与する質量は、表面間の摩擦で移動した距離に比例します。

法則2 – 負荷

摩耗に関与する質量は、加えられる荷重に比例します。

法則3 – 硬さ

摩耗に関与する質量は、硬度の低い材料の硬度に反比例します。

摩耗の重要な側面は、摩耗粒子が環境中に放出され、それが人間の健康と生態系をますます脅かすことです。この問題を調査した最初の研究者はアーネスト・ラビノヴィッチでした。^[22]

研磨摩耗は、硬い表面の切削力が柔らかい表面に作用することで発生し、先端が擦れる材料を削り取る粗さによって発生する場合（2 体研磨摩耗）、または相対運動する 2 つの表面の間に挟まる硬い材料の粒子によって発生する場合（3 体研磨摩耗）があります。アプリケーション レベルでは、2 体摩耗は適切な表面仕上げによって簡単に除去できますが、3 体摩耗は深刻な問題を引き起こす可能性があるため、重量のある機械設計を行う前であっても、適切なフィルターを使用して可能な限り除去する必要があります。

疲労摩耗は、交互荷重によって引き起こされる摩耗の一種で、時間の経過とともに繰り返される局所的な接触力を引き起こし、その結果、関連する材料の劣化につながります。このタイプの摩耗の最も直接的な例は、櫛の摩耗です。櫛の歯の上で指を何度も滑らせると、ある時点で櫛の 1 つ以上の歯が外れることが観察されます。この現象は、機械的または熱的原因により表面の破損につながる可能性があります。最初のケースは、上記のように、繰り返し荷重によって高い接触応力が発生するケースです。一方、2 番目のケースは、プロセスに関係する材料の熱膨張によって引き起こされます。したがって、このタイプの摩耗を減らすには、接触力と熱サイクル (異なる温度が介入する頻度) の両方を減らすように努めることをお勧めします。最適な結果を得るには、表面間の不純物、局所的な欠陥、および関連する物体内の異物混入を可能な限り排除することもお勧めします。

腐食摩耗は、酸化または腐食する金属が存在する場合に発生します。純粋な金属表面が周囲の環境と接触すると、水、酸素、酸など、環境自体に存在する汚染物質のために表面に酸化膜が生成されます。これらの膜は、研磨摩耗および粘着摩耗メカニズムによって継続的に除去され、純粋な汚染金属の相互作用によって継続的に再生成されます。明らかに、このタイプの摩耗は、汚染物質がなく、熱変化が最小限に抑えられた「アドホック」環境を作成することで軽減できます。腐食摩耗は、一部の用途ではプラスになることもあります。実際、生成された酸化物は、表面間の摩擦係数を低下させるのに役立ち、多くの場合、それが属する金属よりも硬いため、優れた研磨剤として使用できます。

摩擦摩耗は、多かれ少なかれ激しい振動を受けるシステムで発生し、接触面間の相対運動をナノメートルオーダーで引き起こします。この微視的な相対運動は、変位自体によって引き起こされる粘着摩耗と、接着相で生成された粒子が表面間に閉じ込められることによって引き起こされる研磨摩耗の両方を引き起こします。このタイプの摩耗は、腐食性物質の存在と温度の上昇によって加速される可能性があります。^[23]

侵食摩耗は、固体または液体の自由粒子が表面に衝突して摩耗を引き起こすときに発生します。関与するメカニズムは多種多様であり、衝突角度、粒子サイズ、衝突速度、粒子を構成する材料などの特定のパラメータに依存します。

摩耗に影響を与える主な要因としては、

• 硬度
• 相互溶解性
• 結晶構造

材料が硬いほど摩耗が減少することが実証されています。同様に、2 つの材料の相互溶解性が低いほど、摩耗が減少する傾向があります。最後に、結晶構造に関しては、ベース面に沿って滑ることによってのみ変形できる、密集した分布を持つ六角形構造など、一部の構造は他の構造の摩耗に耐えるのに適していると言えます。

摩耗による損傷を評価するために、物体の高さの変化と相対的な滑りの長さの比率で表された、摩耗率と呼ばれる無次元係数を使用します。この係数により、さまざまな状況でさまざまな材料が受ける損傷を、その大きさに応じて、中程度の摩耗から中程度の摩耗、そして深刻な摩耗まで細分化することができます。 ${\displaystyle \Delta h}$${\displaystyle \Delta l}$$${\displaystyle T_{\text{wear}}={\delta h \over \Delta l}}$$

代わりに、摩耗量Vを表すためにホルム方程式を使用することができる。

• ${\displaystyle V=k{W \over H}l}$（粘着摩耗用）
• ${\displaystyle V=k_{a}{W \over H}l}$（摩耗用）

ここで、W / H は実際の接触面積、l は移動距離の長さ、k と は実験的な寸法係数です。 ${\displaystyle k_{a}}$

材料の摩耗を実験的に測定する場合、かなり小さな摩耗率を再現し、時間を加速させる必要があることがよくあります。実際には数年後に発生する現象が、実験室では数日後に発生するはずです。摩耗プロセスの最初の評価は、研究対象物体の表面プロファイルの目視検査であり、摩耗現象の発生前と発生後の比較が含まれます。この最初の分析では、材料の硬度と表面形状の考えられる変化が観察されます。別の調査方法は、摩耗をマクロレベルで評価するために使用される放射性トレーサーです。摩耗プロセスに関与する接触する 2 つの材料のうちの 1 つに、放射性トレーサーでマークを付けます。このようにして、除去されるこの材料の粒子が簡単に見え、アクセス可能になります。最後に、摩耗時間を加速するために使用される最もよく知られている技術の 1 つは、高圧接触テストです。この場合、望ましい結果を得るには、非常に小さな接触面積に負荷をかけるだけで十分です。

歴史的に、トライボロジー研究は機械部品、特にベアリングの設計と効果的な潤滑に集中していました。しかし、トライボロジーの研究は現代の技術のほとんどの側面にまで及び、ある材料が別の材料の上を滑るシステムは複雑なトライボロジー相互作用の影響を受ける可能性があります。^[24]

伝統的に、輸送産業におけるトライボロジー研究は信頼性に焦点を当て、機械部品の安全で継続的な動作を確保してきました。今日では、エネルギー消費への注目が高まったため、効率がますます重要になってきており、これを実現するために潤滑剤は次第に複雑で洗練されたものになっています。 ^{[24]トライボロジーは}製造においても重要な役割を果たしています。たとえば、金属成形作業では、摩擦により工具の摩耗と部品の加工に必要な電力が増加します。その結果、工具の交換頻度が増え、工具の寸法が変化すると許容誤差が失われ、部品の成形に必要な力が大きくなるため、コストが増加します。

直接的な表面接触を最小限に抑える潤滑剤の使用は、工具の摩耗と電力要件を削減します。^[25]また、製造の影響を知ることも必要です。すべての製造方法は、摩擦接触（例：潤滑膜の形成）に影響を与える 独自のシステム指紋（つまり表面トポグラフィー）を残します。

トライボロジー研究は、マクロからナノスケールまで、大陸プレートや氷河の動きから動物や昆虫の移動まで、多岐にわたります。^{[24]トライボロジー研究は伝統的に}輸送と製造部門に集中していましたが、これはかなり多様化しています。トライボロジー研究は、大まかに次の分野に分けることができます（一部重複しています）。

• 古典的なトライボロジーは、機械要素（転がり軸受、ギア、滑り軸受、ブレーキ、クラッチ、ホイール、流体軸受など）および製造プロセス（金属成形など）における摩擦と摩耗を研究します。
• バイオトライボロジーは、生物システムにおける摩擦、摩耗、潤滑を研究する分野です。この分野は、人間の平均寿命が延びるにつれて重要性を増しています。人間の股関節と膝関節は、典型的なバイオトライボロジーシステムです。^[26]
• グリーントライボロジーは、トライボロジーシステムのライフサイクル全体にわたって環境への影響を最小限に抑えることを目的としています。特に、グリーントライボロジーは、環境への影響を最小限に抑える技術を使用して、トライボロジー損失（摩擦や摩耗など）を削減することを目指しています。これは、トライボロジー損失を削減する手段が全体的に評価されていない従来のトライボロジーとは対照的です。^[27]
• 地質摩擦学は、氷河や断層などの地質系の摩擦、摩耗、潤滑を研究します。
• ナノトライボロジーは、ナノスケールでのトライボロジー現象を研究する分野です。この分野は、デバイスが小型化するにつれて（例：マイクロ/ナノ電気機械システム、 MEMS / NEMS ）、ますます重要になってきており、研究は原子間力顕微鏡の発明によって促進されてきました。
• 計算トライボロジーは、接触力学、破壊力学、計算流体力学などの分野を組み合わせたマルチフィジックスシミュレーションを通じて、トライボロジーシステムの挙動をモデル化することを目的としています。
• 宇宙トライボロジーは、宇宙空間の過酷な環境条件下で動作できるトライボロジーシステムを研究します。特に、極端な温度変動に耐えられる低蒸気圧の潤滑剤が必要です。
• 開放系トライボロジーは、自然環境にさらされ、その影響を受けるトライボロジーシステムを研究します。
• トライボインフォマティクスは、人工知能、機械学習、ビッグデータ手法をトライボロジシステムに応用したものです。 ^[28]

最近では、省エネの需要が高まっているため、超潤滑（摩擦が消失する現象）に関する集中的な研究が活発化しています。 ^{[29]さらに、}グラフェンやイオン液体などの新材料の開発により、摩擦学的問題を解決するための根本的に新しいアプローチが可能になっています。^[30]

現在、米国の摩擦潤滑学会(STLE)、英国の機械技術者協会および物理学研究所(IMechE トライボロジー グループ、IOP トライボロジー グループ)、ドイツ摩擦学会 (Gesellschaft für Tribologie)、韓国摩擦学会 (KTS)、マレーシア摩擦学会 (MYTRIBOS)、日本摩擦学会 (JAST)、インド摩擦学会 (TSI)、中国機械工学会 (Chinese Tribology Institute)、国際摩擦学会など、数多くの国内および国際学会があります。

トライボロジー研究は主に経験的であり、トライボロジー接触における摩擦と摩耗に影響を与えるパラメータが膨大であることから説明できます。そのため、ほとんどの研究分野では、標準化されたトライボメータとテスト手順、およびコンポーネントレベルのテスト装置の使用に大きく依存しています。

• Bernhard, Adrienne (7 April 2020). "How the Obscure Science of Rubbing Built the Past and Will Shape the Future". Popular Mechanics. Archived from the original on 8 April 2020. Retrieved 6 June 2022.{{cite magazine}}: CS1 maint: unfit URL (link)