L'usura ha importanti ripercussioni sull'efficienza economica e sulla salute. Tutte le parti mobili sono interessate, comprese cose come cuscinetti in centrali eoliche o articolazioni artificiali dell'anca. Però, la causa esatta dell'usura non è ancora chiara. Gli scienziati del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hanno recentemente dimostrato che l'effetto si verifica al primo contatto, e avviene sempre nello stesso punto del materiale. Le loro scoperte potrebbero aiutare a sviluppare materiali ottimizzati e ridurre il consumo di energia e materie prime. I ricercatori presentano i risultati di due studi in Scripta Materialia .

L'attrito si verifica ovunque gli oggetti aderiscano l'uno all'altro o abbiano un contatto di scorrimento o rotolamento. Le forze di attrito causano usura, che comporta costi enormi. Circa il 30% dell'energia consumata nel settore dei trasporti viene utilizzata per superare gli attriti. In Germania, l'attrito e l'usura producono costi corrispondenti a circa l'1,2-1,7 per cento del prodotto interno lordo, ovvero tra 42,5 e 55,5 miliardi di euro nel 2017.

È risaputo che l'attrito dello sfregamento delle mani le fa riscaldare. La reazione dei materiali all'attrito è molto più complicata. "Qui, molte cose cambiano contemporaneamente. Ma come inizia esattamente questo processo, dove si indossano forme, e quale effetto abbia l'energia di attrito è difficilmente comprensibile, poiché è stato finora impossibile guardare direttamente sotto la superficie dei partner di attrito, "dice il professor Peter Gumbsch, titolare della cattedra KIT per la meccanica dei materiali e direttore dell'Istituto Fraunhofer per la meccanica dei materiali. "Con i nostri nuovi metodi microscopici, però, possiamo farlo. Rivelano un'interfaccia tagliente nel materiale, in cui si staccano le particelle di usura. Vogliamo trovare la causa di questa debolezza materiale".

Nei loro esperimenti, gli scienziati hanno rilevato una linea netta a una profondità compresa tra 150 e 200 nm. Si forma al primo contatto, ed è irreversibile. È la fonte della successiva debolezza del materiale. Gli scienziati hanno testato vari materiali tra cui rame, leghe di ottone, nichel, ferro e tungsteno, e otteneva sempre lo stesso risultato. "Questi risultati sono del tutto nuovi. Non ce li aspettavamo, " dice Gumbsch. I risultati contribuiscono alla comprensione e alla riproduzione dei processi che avvengono a livello molecolare durante l'attrito. "Non appena comprendiamo gli effetti, possiamo interferire in modo specifico. Il mio obiettivo è sviluppare linee guida per la futura produzione di leghe o materiali con migliori proprietà di attrito, " aggiunge Gumbsch.

Una forma d'onda

Il difetto del materiale è una cosiddetta dislocazione. Le dislocazioni sono responsabili di deformazioni irreversibili. Le dislocazioni si verificano quando gli atomi si spostano l'uno rispetto all'altro. Di conseguenza, un'onda atomica si propaga nel materiale, simile al movimento di un serpente. "Abbiamo scoperto che queste dislocazioni durante l'attrito formano la struttura a forma di linea osservata in modo auto-organizzato. Questo effetto si è verificato in ogni esperimento, " spiega il Dr. Christian Greiner dell'Institute for Applied Materials – Computational Materials Science (IAM-CMS) del KIT.

Gli scienziati hanno confrontato l'effetto osservato con la distribuzione delle sollecitazioni meccaniche nel materiale che può essere calcolata analiticamente. I calcoli hanno confermato che alcuni tipi di dislocazione si auto-organizzano in un campo di stress a una profondità compresa tra 100 e 200 nm.

Ossidazione più rapida per attrito

Oltre all'effetto citato, gli scienziati hanno utilizzato campioni di rame per studiare l'effetto dell'attrito sull'ossidazione delle superfici. Dopo alcuni cicli di attrito, macchie di ossido di rame formate sulla superficie. Nel corso del tempo, sono cresciuti fino a formare cluster di ossido di rame nanocristallino semicircolari. I nanocristalli di rame-2-ossido di 3-5 nm di dimensione erano circondati da una struttura amorfa. Sono cresciuti sempre più nel materiale fino a quando non si sono sovrapposti e hanno formato uno strato di ossido chiuso. Secondo Greiner, questo fenomeno è noto da tempo, ma la causa di questo effetto è ancora sconosciuta. "È molto importante capire come avviene l'ossidazione causata dall'attrito. Nella scienza dei materiali, il rame è usato piuttosto frequentemente. E il rame è anche un materiale importante per le parti mobili, " dice Greiner. Molti cuscinetti sono costituiti da leghe di rame, come bronzo o ottone. Di conseguenza, i risultati dello studio sono di notevole interesse per le industrie di lavorazione del rame.

La palla dura incontra il rame morbido

L'approccio utilizzato per entrambi gli studi è semplice:una sfera di zaffiro viene mossa in modo molto fluido, Lento, e controllato in modo diretto su un piatto di rame puro. La sfera di zaffiro garantisce sempre lo stesso contatto e attrito riproducibili grazie alla durezza dello zaffiro. Dopo ogni movimento sul piatto, i ricercatori hanno misurato la deformazione che ha causato, e le conseguenti modifiche strutturali all'interno dei metalli. Nel loro approccio unico, hanno combinato esperimenti di attrito con metodi di prova non distruttivi, algoritmi di data science, e microscopia elettronica ad alta risoluzione.