Warfighters no campo de batalha muitas vezes dependem de máquinas, veículos e outras tecnologias com peças rotativas para completar sua missão. Os pesquisadores do Exército desenvolveram um novo método de teste para um fator importante na falha e avaria do equipamento, a fim de garantir que essas ferramentas atendam ao padrão de qualidade adequado.

Quando as peças mecânicas deslizam umas contra as outras por longos períodos de tempo, o desgaste constante pode desgastar as superfícies metálicas até que as peças não funcionem mais. O estudo da fricção, desgaste e lubrificação quando duas ou mais superfícies interagem em movimento relativo é conhecido como tribologia, e sua importância na ciência e engenharia de materiais levou os pesquisadores a encontrar novas maneiras de examinar o contato mecânico seco.

Pesquisadores do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA desenvolveram recentemente uma nova abordagem para analisar a resposta tribológica entre o aço e o nitreto de silício que ocorre quando os dois metais interagem, em vez de depois que as amostras esfriaram.

Este último método de estudar o desgaste pode permitir que os pesquisadores observem reações químicas fugazes que ocorrem no local de contato.

"O sistema mecânico é muito dinâmico durante a operação, "disse o Dr. Stephen Berkebile, Físico pesquisador do Exército. "Se não for capturado durante a operação e, em vez de, medido quando não está se movendo rapidamente, as reações químicas transitórias e as mudanças físicas não seriam capturadas, uma vez que o sistema pode mudar após o resfriamento do aquecimento por atrito. "

Berkebile atuou como um dos pesquisadores do Exército trabalhando junto com a Universidade do Norte do Texas para estudar a interação deslizante entre o aço e o nitreto de silício. Mais especificamente, a equipe estava tentando investigar por que o aumento da velocidade de deslizamento entre o aço e o nitreto de silício diminuiu sua taxa de atrito e desgaste quando eles fizeram contato.

De acordo com os pesquisadores, a interação entre o aço e o nitreto de silício ocorre comumente durante o processo de usinagem a seco de certas ferramentas de corte e em situações de emergência com rolamentos de alta velocidade quando perdem sua fonte de lubrificação, como aqueles em turbinas de motores a jato. Compreender a cinética por trás do contato deslizante de alta velocidade entre esses dois metais seria vital para o desenvolvimento de veículos e equipamentos melhores e mais seguros para os soldados.

"Os rolamentos híbridos com contato de aço / nitreto de silício estão cada vez mais sendo usados ​​em turbomáquinas dentro de sistemas de propulsão de helicópteros, "Berkebile disse." Esses rolamentos híbridos estão encontrando cada vez mais uso em aeronaves de asas rotativas e sistemas de propulsão de helicópteros, onde são operados em altas velocidades. "

Os pesquisadores conduziram o experimento usando um tribômetro Ball on Disk que deslizou uma bola de nitreto de silício contra um disco giratório de aço que foi aquecido a 120 graus Celsius com uma placa quente embaixo.

Um microscópio estéreo-óptico com um dispositivo acoplado de carga colorido, ou CCD, Uma câmera e uma câmera infravermelha obtiveram dados de imagens térmicas conforme a velocidade de rotação do disco aumentou de 1 m / s para 16 m / s. Após, os pesquisadores realizaram uma análise das faixas de desgaste usando um detector de elétrons retroespalhado que mapeou a composição elementar do resíduo de filme restante.

"Combinando dois métodos ópticos com dados de fricção em tempo real, pudemos entender a transição química no mecanismo de desgaste, "Berkebile disse." Fomos capazes de correlacionar o atrito, temperatura e estado químico do contato mecânico durante a operação ativa do experimento enquanto a reação química estava ocorrendo. "

De acordo com os pesquisadores, este experimento representou a primeira tentativa conhecida de analisar a resposta tribológica do aço e do nitreto de silício no meio de um teste de alta velocidade de deslizamento.

Além disso, os dados resultantes desse empreendimento ousado forneceram novas informações sobre a natureza dos efeitos tribológicos ocorridos.

A equipe descobriu que o aquecimento por atrito causado a uma velocidade de deslizamento limite de cerca de 4,5 m / s induziu uma reação química que deixou para trás uma película fina lubrificante na zona de contato altamente carregada.

Essa película fina e escorregadia foi o que permitiu a interação mecânica entre o aço e o nitreto de silício para demonstrar menor atrito e desgaste conforme a velocidade de deslizamento aumentava. Usando a nova abordagem, a equipe conseguiu localizar o momento exato em que a reação química ocorreu a partir de observações da mudança de cor das faixas de desgaste durante o experimento.

Adicionalmente, os pesquisadores determinaram que esse fenômeno é totalmente ativo quando a velocidade de deslizamento fica acima de 9 m / s em condições semelhantes a engrenagens e rolamentos.

Com base na análise das faixas de desgaste, os pesquisadores verificaram que uma série de reações de oxidação deve ter ocorrido como resultado da interação entre o ferro, oxigênio e silício sob altas temperaturas de aquecimento por atrito.

"Descobrimos que uma transição suave entre uma reação química para outra ocorre durante a transição entre o estado de baixo atrito e desgaste e o alto atrito e estado de desgaste, "Berkebile disse." A reação química também requer aquecimento friccional para ser mantida, e, portanto, pode se 'extinguir' após alguns segundos se o estado de baixa fricção for alcançado e o aquecimento por atrito for reduzido em velocidades intermediárias. "

De acordo com Berkebile, esta nova abordagem in situ para examinar contatos mecânicos deslizantes a seco tem o potencial de melhorar significativamente os esforços do Exército para desenvolver máquinas que possam suportar melhor as altas temperaturas, cargas e velocidades.

"Os helicópteros do exército precisam operar por 30 minutos após a perda de lubrificação do sistema de acionamento, "Berkebile disse." A partir deste estudo, aprendemos que, para sistemas de acionamento que contêm componentes híbridos, tais como nitreto de silício / rolamentos de aço, os materiais podem realmente durar mais se estiverem deslizando a uma velocidade maior, em vez de menor, o que é realmente contra-intuitivo. "