Los investigadores han descubierto un mecanismo previamente desconocido para el desgaste de los metales:un remolino, comportamiento microscópico similar a un fluido en una pieza sólida de metal que se desliza sobre otra.

Los hallazgos podrían usarse para mejorar la durabilidad de las piezas metálicas en numerosas aplicaciones.

"El desgaste es una de las principales causas de fallas en las aplicaciones de ingeniería, "dijo Srinivasan Chandrasekar, profesor de ingeniería industrial e ingeniería de materiales de la Universidad de Purdue. "Sin embargo, nuestros hallazgos tienen implicaciones más allá del desgaste en sí, que se extiende a la fabricación y el procesamiento de materiales ".

Los hallazgos son el resultado de una colaboración de investigadores de Purdue, el Instituto Indio de Ciencias en Bangalore, India, y M4 Sciences, una empresa en West Lafayette, Indiana.

"Utilizando imágenes de alta resolución de contactos deslizantes en metales, Hemos demostrado una nueva forma de formar partículas de desgaste y defectos superficiales, "dijo el asociado de investigación postdoctoral de Purdue, Anirban Mahato, quién está trabajando con Chandrasekar; Narayan Sundaram, profesor asistente en el Instituto Indio de Ciencias; y Yang Guo, un científico investigador en M4 Sciences.

Los hallazgos se detallan en un artículo de investigación que aparecerá el miércoles (23 de julio) en Actas de la Royal Society A , una publicación de la Royal Society en el Reino Unido.

Los investigadores, usando un microscopio, cámara de alta velocidad y otras herramientas, había revelado previamente la formación de protuberancias, pliegues y características de vórtice en superficies metálicas deslizantes. Los nuevos hallazgos se basan en el artículo anterior, publicado en 2012 en Cartas de revisión física , para mostrar cómo el comportamiento conduce a grietas y partículas de desgaste.

Los hallazgos fueron contrarios a la intuición porque el experimento se llevó a cabo a temperatura ambiente, y las condiciones de deslizamiento no generaron suficiente calor para ablandar el metal. Todavía, el flujo arremolinado se parece más al comportamiento que se observa en los fluidos que en los sólidos, Dijo Chandrasekar.

El equipo observó lo que sucede cuando una pieza de acero en forma de cuña se desliza sobre una pieza plana de aluminio o cobre. Los metales se utilizan comúnmente para modelar el comportamiento mecánico de los metales.

"En el artículo anterior, especulamos que el flujo superficial similar a un fluido que se encuentra en las superficies metálicas deslizantes es probable que tenga un impacto en el desgaste de los sistemas metálicos deslizantes. ", dijo." Ahora estamos confirmando esta especulación mediante observaciones directas ".

Las observaciones muestran cómo se forman pequeñas protuberancias frente a la cuña, seguido por el movimiento de remolino. Cuando el ángulo de la cuña es poco profundo, el flujo es laminar, o suave. Sin embargo, cambia a un flujo de remolino cuando el ángulo se ajusta a un ángulo menos superficial, imitando lo que sucede en las piezas metálicas deslizantes reales. A medida que la cuña se desliza por la muestra de metal, se forman pliegues entre las protuberancias, y luego los pliegues se transforman en lágrimas y grietas a raíz de la cuña, eventualmente cayéndose como partículas de desgaste.

"Una sola pasada de deslizamiento es suficiente para dañar la superficie, y las pasadas posteriores dan como resultado la generación de partículas de desgaste en forma de plaquetas, "Dijo Chandrasekar.

El comportamiento se capturó en películas que muestran el flujo en capas codificadas por colores justo debajo de las superficies de las muestras de cobre y aluminio.

Los defectos varían en tamaño de 5 a 25 micrones y son similares a los que se encuentran en los componentes deslizantes, como las piezas de los motores de automóviles, compresores y numerosos tipos de equipos y maquinaria. 1 "En el pasado, solo veíamos estas características después de que se habían formado, y los atribuimos a varios posibles mecanismos, ", dijo." Aquí, mostramos un mecanismo de cómo se forman. Las características de defecto observadas también ocurren en superficies creadas por procesos de fabricación como esmerilado, pulido, bruñido peening dibujo, extrusión, laminación, etcétera, que se utilizan comúnmente en la fabricación de componentes estructurales y mecánicos en el transporte terrestre, aeroespacial, procesamiento de chapas y alambres de metal, y sectores de sistemas energéticos ".

La investigación en curso explorará posibles rutas para reducir el desgaste derivado de este tipo de mecanismo. Los metales están formados por grupos de cristales llamados granos. El trabajo futuro estudiará cómo el tamaño de grano y la ductilidad de un material influyen en este tipo de desgaste, cómo se pueden eliminar estos tipos de defectos superficiales en los procesos de fabricación mediante el diseño modificado de herramientas y matrices, modelos mejorados para estrategias de control de desgaste y desgaste por deslizamiento.

"Queremos observar este mecanismo en materiales que tienen cristales más pequeños, en el rango de 5-30 micrones, ", Dijo Chandrasekar." Queremos mostrar que el mecanismo es más general y se extiende hasta los metales de grano aún más fino ".