El desgaste tiene un impacto importante en la eficiencia económica y la salud. Todas las partes móviles se ven afectadas, incluyendo cosas como cojinetes en plantas de energía eólica o articulaciones de cadera artificiales. Sin embargo, la causa exacta del desgaste aún no está clara. Los científicos del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) demostraron recientemente que el efecto se produce en el primer contacto, y siempre tiene lugar en el mismo punto del material. Sus hallazgos podrían ayudar a desarrollar materiales optimizados y reducir el consumo de energía y materias primas. Los investigadores presentan resultados de dos estudios en el Scripta Materialia .

La fricción ocurre donde los objetos se adhieren entre sí o tienen contacto deslizante o rodante. Las fuerzas de fricción provocan desgaste, lo que resulta en enormes costos. Aproximadamente el 30 por ciento de la energía consumida en el sector del transporte se utiliza para superar la fricción. En Alemania, la fricción y el desgaste producen costos correspondientes a aproximadamente entre el 1,2 y el 1,7 por ciento del producto interno bruto, es decir, entre 42,5 y 55,5 mil millones de euros en 2017.

Es bien sabido que la fricción de frotarse las manos las calienta. La reacción de los materiales a la fricción es mucho más complicada. "Aquí, muchas cosas cambian al mismo tiempo. Pero, ¿cómo comienza exactamente este proceso? donde se forma el desgaste, y apenas se comprende qué efecto tiene la energía de fricción, ya que hasta ahora ha sido imposible mirar directamente debajo de la superficie de los socios de fricción, "dice el profesor Peter Gumbsch, titular de la Cátedra KIT de Mecánica de Materiales y director del Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales. "Con nuestros nuevos métodos microscópicos, sin embargo, podemos hacerlo. Revelan una interfaz nítida en el material, en el que se desprenden las partículas de desgaste. Queremos encontrar la causa de esta debilidad material ".

En sus experimentos, los científicos detectaron una línea nítida a una profundidad de 150 a 200 nm. Se forma en el primer contacto, y es irreversible. Es la fuente de la posterior debilidad del material. Los científicos probaron varios materiales, incluido el cobre, aleaciones de latón, níquel, hierro y tungsteno, y siempre obtuvo el mismo resultado. "Estos resultados son completamente nuevos. No los esperábamos, "Dice Gumbsch. Los hallazgos contribuyen a comprender y reproducir los procesos que tienen lugar a nivel molecular durante la fricción". Tan pronto como comprendemos los efectos, podemos interferir específicamente. Es mi objetivo desarrollar pautas para la futura producción de aleaciones o materiales con mejores propiedades de fricción, ", Añade Gumbsch.

Formas de una ola

El defecto en el material es lo que se conoce como dislocación. Las dislocaciones son responsables de deformaciones irreversibles. Las dislocaciones se producen cuando los átomos se desplazan entre sí. Como resultado, una onda atómica se propaga en el material, similar al movimiento de una serpiente. "Descubrimos que estas dislocaciones durante la fricción forman la estructura en forma de línea observada de manera autoorganizada. Este efecto ocurrió en todos los experimentos, "explica el Dr. Christian Greiner del Instituto de Materiales Aplicados de KIT - Ciencia de Materiales Computacionales (IAM-CMS).

Los científicos compararon el efecto observado con la distribución de la tensión mecánica en el material que se puede calcular analíticamente. Los cálculos confirmaron que ciertos tipos de dislocaciones se autoorganizan en un campo de tensión a una profundidad de entre 100 y 200 nm.

Oxidación más rápida por fricción

Además del efecto mencionado, los científicos utilizaron muestras de cobre para estudiar el efecto de la fricción sobre la oxidación de superficies. Después de algunos ciclos de fricción, manchas de óxido de cobre formadas en la superficie. En el transcurso del tiempo, crecieron a racimos de óxido de cobre nanocristalinos semicirculares. Los nanocristales de cobre-2-óxido de 3-5 nm de tamaño estaban rodeados por una estructura amorfa. Crecieron cada vez más en el material hasta que se superpusieron y formaron una capa de óxido cerrada. Según Greiner, este fenómeno se conoce desde hace mucho tiempo, pero la causa de este efecto aún se desconoce. "Es muy importante comprender cómo se produce la oxidación causada por la fricción. En la ciencia de los materiales, el cobre se utiliza con bastante frecuencia. Y el cobre también es un material importante para las piezas móviles, ", Dice Greiner. Muchos cojinetes consisten en aleaciones de cobre, como bronce o latón. Como consecuencia, Los resultados del estudio son de considerable interés para las industrias de procesamiento del cobre.

La bola dura se encuentra con el cobre blando

El enfoque utilizado para ambos estudios es simple:una bola de zafiro se mueve de forma muy suave, lento, y de forma controlada directamente a través de una placa de cobre puro. La bola de zafiro garantiza siempre el mismo contacto y fricción reproducible debido a la dureza del zafiro. Después de cada movimiento a través del plato, los investigadores midieron la deformación que causó, y las modificaciones estructurales resultantes dentro de los metales. En su enfoque único, combinaron experimentos de fricción con métodos de prueba no destructivos, algoritmos de ciencia de datos, y microscopía electrónica de alta resolución.