La velocità di scorrimento lenta (sinistra) lascia intatta la struttura del metallo. Lo scorrimento veloce (al centro) lo distrugge completamente. Lo scorrimento estremamente veloce (a destra) fonde in parte lo strato più alto, ma questo effetto protegge gli strati sottostanti. Credito:Università della tecnologia di Vienna
Quando due superfici metalliche scorrono l'una contro l'altra, si verificano una varietà di fenomeni complicati che portano ad attrito e usura:piccole regioni cristalline, di cui sono tipicamente composti i metalli, possono essere deformate, attorcigliate o rotte, o addirittura fondersi insieme. È importante che l'industria comprenda tali effetti. Dopotutto, l'usura può distruggere i macchinari e costare un sacco di soldi.
Tipicamente, più velocemente le due superfici scorrono l'una sull'altra, maggiore è l'usura. Ma a velocità estremamente elevate, paragonabili alla velocità della volata di un'arma da fuoco, questo può essere invertito:al di sopra di una certa velocità, l'usura diminuisce nuovamente. Questo risultato sorprendente e apparentemente contraddittorio è stato ora spiegato utilizzando simulazioni al computer dall'Unità di ricerca Tribologia presso la TU Wien e dall'Austrian Excellence Center for Tribology (AC2T research GmbH) a Wiener Neustadt in collaborazione con l'Imperial College di Londra.
Simulazioni su computer ad alte prestazioni
"In passato, l'attrito e l'usura potevano essere studiati solo in esperimenti", afferma Stefan Eder (TU Wien, AC2T research GmbH). "Solo negli ultimi anni i supercomputer sono diventati così potenti da poter modellare i processi altamente complessi sulla superficie del materiale su scala atomica."
Stefan Eder e il suo team ricreano al computer varie leghe metalliche:non cristalli singoli perfetti, con una disposizione degli atomi rigorosamente regolare e priva di difetti, ma una lega molto più vicina alla realtà:una disposizione geometricamente complicata di minuscoli cristalli che possono essere sfalsati l'uno dall'altro o attorcigliati in direzioni diverse, manifestandosi come difetti materiali. "Questo è importante perché tutti questi difetti hanno un'influenza decisiva sull'attrito e sull'usura", afferma Stefan Eder. "Se dovessimo simulare un metallo perfetto al computer, il risultato avrebbe poco a che fare con la realtà."
Risultati sorprendenti
Il team di ricerca ha calcolato in che modo la velocità di scorrimento influisce sull'usura:"A velocità relativamente basse, nell'ordine di dieci o venti metri al secondo, l'usura è bassa. Solo gli strati più esterni cambiano, le strutture cristalline sottostanti rimangono sostanzialmente intatte", afferma Stefan Eder .
Se si aumenta la velocità a 80–100 metri al secondo, l'usura aumenta:è prevedibile, dopotutto, più energia viene quindi trasferita nel metallo per unità di tempo. "Poi si entra gradualmente in un intervallo in cui il metallo si comporta come un liquido viscoso, simile al miele o al burro di arachidi", afferma Stefan Eder. Gli strati più profondi del metallo vengono trascinati nella direzione della superficie di passaggio e la microstruttura del metallo viene completamente riorganizzata. I singoli grani che compongono il materiale vengono attorcigliati, rotti, spinti l'uno nell'altro e infine trascinati.
Il team ha avuto una sorpresa, tuttavia, quando è passato a velocità ancora più elevate:al di sopra di circa 300 metri al secondo, che corrisponde all'incirca alla velocità massima degli aerei nell'aviazione civile, l'usura diminuisce nuovamente. La microstruttura del metallo appena sotto la superficie, che viene completamente distrutta alle medie velocità, ora rimane di nuovo sostanzialmente intatta.
"Questo è stato fantastico per noi e per la comunità della tribologia", afferma Stefan Eder. "Ma la ricerca in letteratura ci ha mostrato:questo effetto è stato osservato da altri scienziati negli esperimenti, ma non è molto noto perché si verificano raramente velocità così elevate. Tuttavia, l'origine di questo effetto non è stata ancora chiarita".
La fusione della superficie protegge gli strati più profondi
Analisi più dettagliate dei dati del computer hanno ora fatto luce su come questo effetto sia possibile:a velocità estremamente elevate, l'attrito genera molto calore, ma in modo molto irregolare. Solo le singole chiazze sulle superfici dei due metalli che scivolano l'una contro l'altra sono in contatto e queste piccole aree possono raggiungere migliaia di gradi Celsius. Nel mezzo, la temperatura è molto più bassa.
Di conseguenza, piccole parti della superficie possono fondersi e quindi ricristallizzare una frazione di secondo dopo. Lo strato più esterno del metallo viene così radicalmente modificato, ma questo è esattamente ciò che protegge le regioni più profonde del materiale:solo gli strati più esterni del materiale subiscono l'usura, le strutture cristalline sottostanti cambiano solo leggermente.
"Questo effetto, che finora è stato appena discusso, si verifica con materiali diversi", afferma Stefan Eder. "Ovunque si verifichi attrito a velocità elevate o estremamente elevate, sarà essenziale tenerne conto in futuro". Questo vale, ad esempio, per i cuscinetti e le trasmissioni moderne ad alta velocità in E-mobility o per le macchine che rettificano le superfici. L'effetto ora meglio compreso gioca anche un ruolo nella stabilità dei metalli in un incidente automobilistico o nell'impatto di piccole particelle su aerei ad alta velocità.
Lo studio è pubblicato su Applied Materials Today . + Esplora ulteriormente
