Quando duas superfícies metálicas deslizam uma contra a outra, ocorre uma variedade de fenômenos complicados que levam ao atrito e ao desgaste:Pequenas regiões cristalinas, das quais os metais são tipicamente compostos, podem ser deformadas, torcidas ou quebradas, ou mesmo fundidas. É importante que a indústria compreenda tais efeitos. Afinal, o desgaste pode destruir máquinas e custar muito dinheiro.
Normalmente, quanto mais rápido as duas superfícies deslizam uma pela outra, maior o desgaste. Mas em velocidades extremamente altas, comparáveis ​​à velocidade inicial de uma arma de fogo, isso pode ser revertido:acima de uma certa velocidade, o desgaste diminui novamente. Este resultado surpreendente e aparentemente contraditório foi agora explicado usando simulações de computador pela Unidade de Pesquisa Tribologia da TU Wien e o Centro de Excelência Austríaco para Tribologia (AC2T research GmbH) em Wiener Neustadt em cooperação com o Imperial College em Londres.

Simulações em computadores de alto desempenho

"No passado, o atrito e o desgaste só podiam ser estudados em experimentos", diz Stefan Eder (TU Wien, AC2T research GmbH). "Somente nos últimos anos os supercomputadores se tornaram tão poderosos que podemos modelar os processos altamente complexos na superfície do material em escala atômica."

Stefan Eder e sua equipe recriam várias ligas metálicas no computador – não cristais únicos perfeitos, com um arranjo de átomos estritamente regular e livre de defeitos, mas uma liga muito mais próxima da realidade:um arranjo geometricamente complicado de minúsculos cristais que podem ser deslocados entre si ou torcidos em direções diferentes, manifestando-se como defeitos do material. "Isso é importante porque todos esses defeitos têm uma influência decisiva no atrito e no desgaste", diz Stefan Eder. "Se simulássemos um metal perfeito no computador, o resultado teria pouco a ver com a realidade."

Resultados surpreendentes

A equipe de pesquisa calculou como a velocidade de deslizamento afeta o desgaste:“Em velocidades comparativamente baixas, na ordem de dez ou vinte metros por segundo, o desgaste é baixo. .

Se você aumentar a velocidade para 80-100 metros por segundo, o desgaste aumenta - isso é de se esperar, afinal, mais energia é transferida para o metal por unidade de tempo. "Você então entra gradualmente em uma faixa em que o metal se comporta como um líquido viscoso, semelhante ao mel ou manteiga de amendoim", diz Stefan Eder. Camadas mais profundas do metal são puxadas na direção da superfície de passagem, e a microestrutura do metal é completamente reorganizada. Os grãos individuais que compõem o material são torcidos, quebrados, empurrados uns contra os outros e finalmente puxados.

A equipe teve uma surpresa, no entanto, quando passou para velocidades ainda mais altas:acima de cerca de 300 metros por segundo – o que corresponde aproximadamente à velocidade máxima de aeronaves na aviação civil – o desgaste diminui novamente. A microestrutura do metal logo abaixo da superfície, que é completamente destruída em velocidades médias, agora permanece praticamente intacta novamente.

"Isso foi incrível para nós e para a comunidade de tribologia", diz Stefan Eder. "Mas a pesquisa da literatura nos mostrou:esse efeito foi observado por outros cientistas em experimentos - apenas não é muito conhecido porque velocidades tão altas raramente ocorrem. No entanto, a origem desse efeito ainda não foi esclarecida."

O derretimento da superfície protege as camadas mais profundas

Análises mais detalhadas dos dados do computador agora esclareceram como esse efeito é possível:em velocidades extremamente altas, o atrito gera muito calor, mas de maneira muito irregular. Apenas manchas individuais nas superfícies dos dois metais que deslizam um contra o outro estão em contato, e essas pequenas áreas podem atingir milhares de graus Celsius. No meio, a temperatura é muito mais baixa.

Como resultado, pequenas partes da superfície podem derreter e recristalizar uma fração de segundo depois. A camada mais externa do metal é assim drasticamente alterada, mas é precisamente isso que protege as regiões mais profundas do material:apenas as camadas mais externas do material sentem o desgaste, as estruturas cristalinas por baixo mudam apenas ligeiramente.

"Esse efeito, que quase não foi discutido até agora, ocorre com diferentes materiais", diz Stefan Eder. “Onde quer que ocorra atrito em velocidades altas a extremamente altas, será essencial levar isso em consideração no futuro”. Isso se aplica, por exemplo, a rolamentos e transmissões modernos e de alta velocidade em mobilidade elétrica ou a máquinas que retificam superfícies. O efeito agora melhor compreendido também desempenha um papel na estabilidade dos metais em um acidente de veículo ou no impacto de pequenas partículas em aeronaves de alta velocidade.

O estudo foi publicado em Applied Materials Today . + Explorar mais

Desgaste do material de decodificação com supercomputadores