O desgaste tem grandes impactos na eficiência econômica e na saúde. Todas as partes móveis são afetadas, incluindo coisas como rolamentos em usinas de energia eólica ou articulações artificiais do quadril. Contudo, a causa exata do desgaste ainda não está clara. Cientistas do Karlsruhe Institute of Technology (KIT) provaram recentemente que o efeito ocorre no primeiro contato, e sempre ocorre no mesmo ponto do material. Suas descobertas podem ajudar a desenvolver materiais otimizados e reduzir o consumo de energia e matérias-primas. Os pesquisadores apresentam resultados de dois estudos no Scripta Materialia .

O atrito ocorre sempre que os objetos aderem uns aos outros ou têm contato deslizante ou giratório. As forças de fricção causam desgaste, o que resulta em custos enormes. Cerca de 30% da energia consumida no setor de transporte é usada para superar o atrito. Na Alemanha, fricção e desgaste produzem custos correspondentes a cerca de 1,2 a 1,7 por cento do produto interno bruto, ou seja, entre 42,5 e 55,5 bilhões de euros em 2017.

É bem sabido que a fricção de esfregar as mãos as aquece. A reação dos materiais ao atrito é muito mais complicada. "Aqui, muitas coisas mudam ao mesmo tempo. Mas como exatamente esse processo começa, onde usar formas, e qual efeito a energia de atrito tem dificilmente é compreendido, como tem sido impossível até agora olhar diretamente abaixo da superfície dos parceiros de fricção, "diz o professor Peter Gumbsch, titular da cadeira de Mecânica de Materiais do KIT e chefe do Instituto Fraunhofer de Mecânica de Materiais. "Com nossos novos métodos microscópicos, Contudo, nós podemos fazer isso. Eles revelam uma interface nítida no material, em que as partículas de desgaste são destacadas. Queremos encontrar a causa desta fraqueza material. "

Em seus experimentos, os cientistas detectaram uma linha nítida a uma profundidade de 150 a 200 nm. Forma-se no primeiro contato, e é irreversível. É a fonte da última fraqueza do material. Os cientistas testaram vários materiais, incluindo cobre, ligas de latão, níquel, ferro e tungstênio, e sempre obteve o mesmo resultado. "Esses resultados são inteiramente novos. Não os esperávamos, "Gumbsch diz. As descobertas contribuem para a compreensão e reprodução dos processos que ocorrem no nível molecular durante o atrito." Assim que entendermos os efeitos, podemos interferir especificamente. É meu objetivo desenvolver diretrizes para a produção futura de ligas ou materiais com melhores propriedades de atrito, "Gumbsch acrescenta.

A Wave Forms

O defeito do material é o chamado deslocamento. As luxações são responsáveis ​​por deformações irreversíveis. Os deslocamentos ocorrem quando os átomos mudam em relação uns aos outros. Como resultado, uma onda atômica se propaga no material, semelhante ao movimento de uma cobra. "Descobrimos que esses deslocamentos durante o atrito formam a estrutura em forma de linha observada de forma auto-organizada. Esse efeito ocorreu em todos os experimentos, "explica o Dr. Christian Greiner do Instituto de Materiais Aplicados do KIT - Ciência de Materiais Computacionais (IAM-CMS).

Os cientistas compararam o efeito observado com a distribuição de tensão mecânica no material que pode ser calculada analiticamente. Os cálculos confirmaram que certos tipos de deslocamento se auto-organizam em um campo de tensão a uma profundidade entre 100 e 200 nm.

Oxidação mais rápida por fricção

Além do efeito mencionado, os cientistas usaram amostras de cobre para estudar o efeito do atrito na oxidação de superfícies. Depois de alguns ciclos de fricção, manchas de óxido de cobre formadas na superfície. No decorrer do tempo, eles cresceram para aglomerados de óxido de cobre nanocristalino semicircular. Os nanocristais de cobre-2-óxido de 3 a 5 nm de tamanho foram circundados por uma estrutura amorfa. Eles cresceram cada vez mais no material até que se sobrepuseram e formaram uma camada de óxido fechada. De acordo com Greiner, este fenômeno é conhecido há muito tempo, mas a causa desse efeito ainda é desconhecida. "É muito importante entender como ocorre a oxidação causada por fricção. Na ciência dos materiais, o cobre é usado com bastante frequência. E o cobre também é um material importante para peças móveis, "Greiner diz. Muitos rolamentos consistem em ligas de cobre, como bronze ou latão. Consequentemente, os resultados do estudo são de considerável interesse para as indústrias de processamento de cobre.

Bola dura encontra cobre macio

A abordagem usada para ambos os estudos é simples:uma bola de safira é movida de uma maneira muito suave, devagar, e de forma controlada através de uma placa de cobre puro. A bola de safira sempre garante o mesmo contato reproduzível e atrito devido à dureza da safira. Depois de cada movimento na placa, os pesquisadores mediram a deformação que causou, e as modificações estruturais resultantes dentro dos metais. Em sua abordagem única, eles combinaram experimentos de fricção com métodos de teste não destrutivos, algoritmos de ciência de dados, e microscopia eletrônica de alta resolução.