Varios fenómenos complejos ocurren cuando dos superficies metálicas se deslizan una sobre la otra, lo que provoca fricción y desgaste. Las diminutas regiones cristalinas que normalmente forman los metales pueden deformarse, torcerse, romperse o incluso fusionarse. Es importante que la industria comprenda tales implicaciones. Después de todo, el desgaste puede destruir su máquina y costarle mucho dinero.
Generalmente, cuanto más rápido se cruzan dos superficies, mayor es el desgaste. Sin embargo, a velocidades muy altas, comparables a la velocidad inicial de las armas de fuego, esto puede revertirse. Por encima de cierta velocidad, el desgaste vuelve a disminuir. Este sorprendente y aparentemente contradictorio resultado fue explicado mediante simulaciones por computadora por la Unidad de Investigación de Tribología en TU Wien y el Centro Austriaco de Excelencia en Tribología (AC2T research GmbH) en Wiener Neustadt en colaboración con el Imperial College de Londres.
Simulación en computadora de alto rendimiento
“Hasta ahora, la fricción y el desgaste solo podían estudiarse experimentalmente”, dice Stefan Eder (AC2T research GmbH, Universidad Tecnológica de Viena). “Solo recientemente las supercomputadoras se han vuelto tan poderosas que pueden modelar procesos muy complejos en superficies materiales a escala atómica”.
Stefan Eder y su equipo reproducen varias aleaciones de metales en la computadora. No es un monocristal perfecto con una disposición atómica estrictamente regular y sin defectos, pero está mucho más cerca de ser una aleación. Están desplazados entre sí o torcidos en diferentes direcciones, manifestándose como defectos en el material. “Esto es importante porque todos estos defectos tienen una influencia decisiva en la fricción y el desgaste”, dice Stefan Eder. “Si simularas un metal perfecto en una computadora, los resultados tendrían poco que ver con la realidad”.
Resultados sorprendentes
El equipo de investigación calculó cómo la velocidad de deslizamiento afecta el desgaste. “A velocidades relativamente bajas, alrededor de 10 a 20 metros por segundo, hay menos desgaste. Solo cambia la capa más externa, dejando la estructura cristalina subyacente casi intacta”, dice Stefan Eder. .
Aumentar la velocidad a 80-100 metros por segundo aumenta el desgaste. Entonces, es lógico que se transfiera más energía al metal por unidad de tiempo. “Luego entras gradualmente en un rango en el que el metal se comporta como un líquido viscoso, similar a la miel o la mantequilla de maní”, dice Stefan Eder. Las capas más profundas de metal se tiran a lo largo de la dirección de la superficie de paso, reorganizando completamente la microestructura metálica. Las partículas individuales que componen el material se retuercen, se rompen, se empujan entre sí y finalmente se tiran.
Pero cuando se movió a velocidades aún más altas, el equipo experimentó una sorpresa. Por encima de unos 300 metros por segundo (aproximadamente el equivalente a la velocidad máxima de un avión de aviación civil), el desgaste volvió a disminuir. La microestructura metálica del subsuelo, que fue completamente destruida a velocidades moderadas, ahora permanece casi intacta.
“Fue una sorpresa para nosotros y para la comunidad de tribología”, dice Stefan Eder. “Sin embargo, una revisión de la literatura muestra que este efecto ha sido observado por otros científicos en sus experimentos. Velocidades tan altas rara vez ocurren y, por lo tanto, son en gran parte desconocidas. Sin embargo, el origen de este efecto aún está claro”.
La fusión de la superficie protege las capas más profundas
Un análisis más detallado de los datos informáticos ha revelado cómo es posible este efecto. A velocidades muy altas, la fricción produce mucho calor, pero de forma muy desigual. Solo las partes individuales de las dos superficies metálicas que se deslizan entre sí están en contacto, y estas pequeñas áreas pueden alcanzar miles de grados centígrados. Durante ese tiempo la temperatura será mucho más baja.
Como resultado, una pequeña porción de la superficie puede derretirse y recristalizarse después de una fracción de segundo. La capa más externa de metal cambia drásticamente, pero esto es exactamente lo que protege las áreas más profundas del material. Solo la capa más externa del material se siente desgastada y la estructura cristalina debajo cambia ligeramente.
“Este efecto, que hasta ahora no ha sido discutido en gran medida, se produce en una amplia variedad de materiales”, dice Stefan Eder. “Dondequiera que haya fricción a velocidades altas o muy altas, será esencial tener esto en cuenta en el futuro”. será Este efecto, que ahora se comprende mejor, también juega un papel en la estabilidad de los metales durante los choques de vehículos y el impacto de pequeñas partículas en aviones de alta velocidad.