I combattenti sul campo di battaglia si affidano spesso alle macchine, veicoli e altre tecnologie con parti rotanti per completare la loro missione. I ricercatori dell'esercito hanno ideato un nuovo metodo di test per uno dei principali fattori di guasto e guasto delle apparecchiature al fine di garantire che tali strumenti soddisfino gli standard di qualità adeguati.

Quando le parti meccaniche scorrono l'una contro l'altra per lunghi periodi di tempo, la molatura continua può usurare le superfici metalliche fino a che le parti non sono più funzionanti. Lo studio dell'attrito, usura e lubrificazione poiché due o più superfici interagiscono in movimento relativo è nota come tribologia, e la sua importanza nella scienza dei materiali e nell'ingegneria ha portato i ricercatori a trovare nuovi modi per esaminare il contatto meccanico a secco.

I ricercatori del Laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti hanno recentemente sviluppato un nuovo approccio per analizzare la risposta tribologica tra acciaio e nitruro di silicio che si verifica quando i due metalli interagiscono, piuttosto che dopo che i campioni si sono raffreddati.

Questo ultimo metodo di studio dell'usura può consentire ai ricercatori di osservare reazioni chimiche fugaci che si verificano nel sito di contatto.

"Il sistema meccanico è molto dinamico durante il funzionamento, " ha detto il dottor Stephen Berkebile, Fisico ricercatore dell'esercito. "Se non viene catturato durante il funzionamento e, Invece, misurato quando non si muove rapidamente, le reazioni chimiche transitorie e i cambiamenti fisici non verrebbero catturati poiché il sistema può cambiare dopo il raffreddamento dal riscaldamento per attrito."

Berkebile ha agito come uno dei ricercatori dell'esercito che collaborano con l'Università del North Texas per studiare l'interazione di scorrimento tra acciaio e nitruro di silicio. Più specificamente, il team stava cercando di indagare sul motivo per cui l'aumento della velocità di scorrimento tra acciaio e nitruro di silicio diminuiva il loro tasso di attrito e usura quando entravano in contatto.

Secondo i ricercatori, l'interazione tra acciaio e nitruro di silicio è quella che si verifica comunemente durante il processo di lavorazione a secco di alcuni utensili da taglio e in situazioni di emergenza con cuscinetti ad alta velocità quando perdono la loro fonte di lubrificazione, come quelli delle turbine dei motori a reazione. Comprendere la cinetica dietro il contatto strisciante ad alta velocità tra questi due metalli sarebbe fondamentale per sviluppare veicoli e attrezzature migliori e più sicuri per i soldati.

"I cuscinetti ibridi con contatto acciaio/nitruro di silicio vengono sempre più utilizzati nelle turbomacchine all'interno dei sistemi di propulsione degli elicotteri, " ha detto Berkebile. "Tali cuscinetti ibridi stanno trovando sempre più uso nei sistemi di propulsione di elicotteri ed elicotteri dove vengono azionati ad alta velocità".

I ricercatori hanno condotto l'esperimento utilizzando un tribometro Ball on Disk che ha fatto scivolare una palla di nitruro di silicio contro un disco rotante in acciaio che è stato riscaldato a 120 gradi Celsius con una piastra calda sottostante.

Un microscopio stereo-ottico con un dispositivo ad accoppiamento di carica a colori, o CCD, una termocamera e una termocamera a infrarossi hanno ottenuto i dati di imaging termico poiché la velocità di rotazione del disco aumentava da 1 m/s a 16 m/s. Dopo, i ricercatori hanno condotto un'analisi delle tracce di usura utilizzando un rilevatore di elettroni a retrodiffusione che ha mappato la composizione elementare del residuo di pellicola rimanente.

"Combinando due metodi ottici con dati di attrito in tempo reale, potremmo capire la transizione chimica nel meccanismo di usura, " ha detto Berkebile. "Siamo stati in grado di correlare l'attrito, temperatura e stato chimico del contatto meccanico durante il funzionamento attivo dell'esperimento mentre si stava verificando la reazione chimica."

Secondo i ricercatori, questo esperimento ha rappresentato il primo tentativo noto di analizzare la risposta tribologica di acciaio e nitruro di silicio nel mezzo di un test ad alta velocità di scorrimento.

Per di più, i dati risultanti da questa audace impresa hanno fornito nuove informazioni sulla natura degli effetti tribologici avvenuti.

Il team ha scoperto che il riscaldamento per attrito causato a una velocità di scorrimento di soglia di circa 4,5 m/s induceva una reazione chimica che lasciava un sottile film lubrificante nella zona di contatto altamente caricata.

Questo film sottile e scivoloso è ciò che ha permesso all'interazione meccanica tra acciaio e nitruro di silicio di dimostrare un minore attrito e usura all'aumentare della velocità di scorrimento. Utilizzando il nuovo approccio, il team è riuscito a individuare l'ora esatta in cui si è verificata la reazione chimica dalle osservazioni del cambiamento di colore delle tracce di usura durante l'esperimento.

Inoltre, i ricercatori hanno determinato che questo fenomeno è completamente attivo quando la velocità di scorrimento supera i 9 m/s in condizioni simili a ingranaggi e cuscinetti.

Sulla base dell'analisi delle tracce di usura, i ricercatori hanno verificato che una serie di reazioni di ossidazione deve aver avuto luogo a causa dell'interazione tra ferro, ossigeno e silicio ad alte temperature dal riscaldamento per attrito.

"Abbiamo scoperto che una transizione graduale tra una reazione chimica all'altra si verifica durante la transizione tra lo stato a basso attrito e usura e lo stato ad alto attrito e usura, " Berkebile ha detto. "La reazione chimica richiede anche il riscaldamento per attrito per essere mantenuta, e quindi può 'estinguersi' dopo pochi secondi se viene raggiunto lo stato di basso attrito e il riscaldamento per attrito viene ridotto a velocità intermedie."

Secondo Berkebile, questo nuovo approccio in situ all'esame dei contatti meccanici a strisciamento a secco ha il potenziale per migliorare significativamente gli sforzi dell'esercito per sviluppare macchinari in grado di resistere meglio alle alte temperature, carichi e velocità.

"Gli elicotteri dell'esercito devono operare per 30 minuti dopo che la lubrificazione è stata persa dal sistema di trasmissione, " ha detto Berkebile. "Da questo studio, abbiamo appreso che per i sistemi di azionamento che contengono componenti ibridi, come cuscinetti in nitruro di silicio/acciaio, i materiali possono effettivamente durare più a lungo se scorrono a una velocità maggiore anziché inferiore, il che è davvero controintuitivo."