El desgaste tiene un impacto importante en la eficiencia económica o la salud. Todas las partes móviles se ven afectadas, por ejemplo, el cojinete de una planta de energía eólica o una articulación de cadera artificial. Sin embargo, la causa exacta del desgaste aún no está clara. Científicos del Instituto de Tecnología de KarlsruheKIT demostró recientemente que el efecto ya ocurre en el primer contacto y siempre ocurre en el mismo punto del material. Sus hallazgos ayudan a desarrollar materiales optimizados y reducen 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 causan desgaste que resulta en costos enormes. Aproximadamente el 30% de la energía consumida en el sector del transporte se utiliza para superar la fricción. En Alemania, fricción y desgastecostes de producción correspondientes a entre el 1,2 y el 1,7% del producto interior bruto, es decir, entre 42,5 y 55,5 mil millones de euros en 2017. Es bien sabido que cuando se frotan las manos la fricción hace que las manos se calienten. 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, dónde se forman las partículas de desgaste y qué efecto tiene la energía de fricción, apenas se comprende, ya que hasta ahora ha sido imposible mirar directamente debajo de la superficie delos socios de fricción ", dice el profesor Peter Gumbsch, titular de la Cátedra de Mecánica de Materiales de KIT y director del Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales." Sin embargo, con nuestros nuevos métodos microscópicos podemos hacerlo. Revelan una interfaz nítida en elmaterial, en el que se desprenden las partículas de desgaste. Queremos encontrar la causa de esta debilidad del material. "
En sus experimentos, los científicos siempre detectaron una línea aguda a una profundidad de 150 a 200 nm. Ya se forma en el primer contacto y es irreversible. Es la fuente de la debilidad posterior en el material. Los científicos probaron varios materiales,como el cobre, diversas aleaciones de latón, níquel, hierro o tungsteno y siempre obtuvieron 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 entendemos los efectos que ocurren, podemos interferirespecíficamente. Mi objetivo es desarrollar pautas para la producción futura de aleaciones o materiales con mejores propiedades de fricción ", agrega Gumbsch.
formas de onda A
El defecto en el material es una dislocación. Las dislocaciones son responsables de deformaciones plásticas, es decir, irreversibles. Las dislocaciones se producen cuando los átomos se desplazan entre sí. Como resultado, una onda atómica se propaga en el material, similar a lamovimiento 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 - Ciencia de Materiales Computacionales de KITIAM-CMS.
Los científicos compararon el efecto observado con la distribución de esfuerzos mecánicos en el material que se puede calcular analíticamente. Los cálculos confirmaron que ciertos tipos de dislocaciones se autoorganizan en un campo de esfuerzos a una profundidad 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 en la oxidación de las superficies. Después de algunos ciclos de fricción, se formaron manchas de óxido de cobre en la superficie. Con el tiempo, crecieron hasta convertirse en semicircularesgrupos de óxido de cobre nanocristalinos. Los nanocristales de óxido de cobre-2 de tamaño 3-5 nm 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 ha sidoconocido 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 los", dice Greiner. Muchos cojinetes consisten en aleaciones de cobre, como bronce o latón. En consecuencia, los resultados del estudio son de considerable interés para las industrias de procesamiento de cobre.
la bola dura se encuentra con el cobre blando
El enfoque utilizado para ambos estudios es bastante simple: una bola de zafiro se mueve de manera muy suave, lenta y controlada directamente a través de una placa de cobre puro. Se eligió la bola de zafiro, ya que siempre garantiza lo mismo, reproducibleEl contacto y la fricción de la bola en sí pueden pasarse por alto debido a la dureza del zafiro. Después de cada movimiento a través de la placa, los investigadores midieron la deformación causada y las modificaciones estructurales resultantes dentro de los metales. En su enfoque único, combinaron experimentos de fricción con-métodos de prueba destructivos, algoritmos de ciencia de datos y microscopía electrónica de alta resolución.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Karlsruher Institut für Technologie KIT . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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