Questa sequenza di immagini rivela un comportamento sorprendentemente fluido in un solido pezzo di metallo che scorre su un altro, difetti di formazione che portano all'usura delle parti metalliche. (In alto) Due riquadri di immagini del flusso di materiale che mostrano come questi difetti vengono generati in seguito al contatto. (In basso) Immagini al microscopio elettronico a scansione delle corrispondenti superfici di usura che mostrano uno strappo e una crepa. Le particelle di usura si formano quando gli strappi e le crepe si staccano dalle superfici. Credito:Purdue University School of Industrial Engineering.
I ricercatori hanno scoperto un meccanismo precedentemente sconosciuto per l'usura dei metalli:un vortice, comportamento microscopico simile a un fluido in un pezzo di metallo solido che scorre su un altro.
I risultati potrebbero essere utilizzati per migliorare la durata delle parti metalliche in numerose applicazioni.
"L'usura è una delle principali cause di guasto nelle applicazioni ingegneristiche, " disse Srinivasan Chandrasekar, un professore di ingegneria industriale e ingegneria dei materiali alla Purdue University. "Però, i nostri risultati hanno implicazioni al di là dell'usura stessa, estendendosi alla produzione e alla lavorazione dei materiali."
I risultati sono il risultato di una collaborazione di ricercatori di Purdue, l'Indian Institute of Science di Bangalore, India, e Scienze M4, una società a West Lafayette, Indiana.
"Utilizzando l'imaging ad alta risoluzione dei contatti striscianti nei metalli, abbiamo dimostrato un nuovo modo in cui si possono formare particelle di usura e difetti superficiali, ", ha affermato Anirban Mahato, associato di ricerca post-dottorato di Purdue, chi sta lavorando con Chandrasekar; Narayan Sundaram, un assistente professore presso l'Indian Institute of Science; e Yang Guo, un ricercatore presso M4 Sciences.
I risultati sono dettagliati in un documento di ricerca che apparirà mercoledì (23 luglio) in Atti della Royal Society A , una pubblicazione della Royal Society nel Regno Unito.
I ricercatori, usando un microscopio, fotocamera ad alta velocità e altri strumenti, aveva precedentemente rivelato la formazione di protuberanze, pieghe e caratteristiche simili a vortici su superfici metalliche scorrevoli. Le nuove scoperte si basano sul documento precedente, pubblicato nel 2012 in Lettere di revisione fisica , per mostrare come il comportamento porta a cricche e particelle di usura.
I risultati sono stati controintuitivi perché l'esperimento è stato condotto a temperatura ambiente, e le condizioni di scorrimento non hanno generato abbastanza calore per ammorbidire il metallo. Ancora, il flusso vorticoso è più simile al comportamento visto nei fluidi che nei solidi, disse Chandrasekar.
Il team ha osservato cosa succede quando un pezzo di acciaio a forma di cuneo scivola su un pezzo piatto di alluminio o rame. I metalli sono comunemente usati per modellare il comportamento meccanico dei metalli.
"Nel documento precedente abbiamo ipotizzato che il flusso superficiale simile a un fluido vorticoso scoperto sulle superfici metalliche scorrevoli potrebbe avere un impatto sull'usura nei sistemi metallici scorrevoli, " ha detto. "Ora stiamo confermando questa speculazione da osservazioni dirette".
Le osservazioni mostrano come si formano minuscole protuberanze davanti al cuneo, seguito dal movimento vorticoso. Quando l'angolo del cuneo è basso, il flusso è laminare, o liscio. Però, cambia in un flusso vorticoso quando l'angolo viene regolato su un angolo meno superficiale, imitando ciò che accade nelle parti metalliche scorrevoli reali. Mentre il cuneo scorre sul campione di metallo, si formano pieghe tra i dossi, e poi le pieghe si trasformano in lacrime e crepe sulla scia del cuneo, eventualmente cadere come particelle di usura.
"Una sola passata di scorrimento è sufficiente per danneggiare la superficie, e i passaggi successivi portano alla generazione di particelle di usura simili a piastrine, "Ha detto Chandrasekar.
Il comportamento è stato catturato in filmati che mostrano il flusso in strati codificati a colori appena sotto le superfici dei campioni di rame e alluminio.
I difetti variano in dimensioni da 5 a 25 micron e sono simili a quelli riscontrati in componenti scorrevoli come parti di motori automobilistici, compressori e numerosi tipi di attrezzature e macchinari. 1"In passato abbiamo visto queste caratteristiche solo dopo che si erano formate, e li abbiamo attribuiti a vari possibili meccanismi, " disse. "Ecco, mostriamo un meccanismo per come si formano. Le caratteristiche dei difetti osservate si verificano anche nelle superfici create da processi di produzione come molatura, lucidatura, brunitura, pallinatura, disegno, estrusione, rotolare, e così via, che sono tutti comunemente usati nella realizzazione di componenti strutturali e meccanici nel trasporto terrestre, aerospaziale, lavorazione lamiere e fili metallici, e dei sistemi energetici”.
La ricerca in corso esplorerà potenziali vie per ridurre l'usura derivante da questo tipo di meccanismo. I metalli sono costituiti da gruppi di cristalli chiamati grani. Il lavoro futuro studierà come la granulometria e la duttilità di un materiale influenzano questo tipo di usura, come questi tipi di difetti superficiali nei processi di produzione possono essere eliminati attraverso la progettazione modificata di utensili e stampi, modelli migliorati per l'usura da scorrimento e strategie di controllo dell'usura.
"Vogliamo esaminare questo meccanismo in materiali che hanno cristalli più piccoli - nell'intervallo 5-30 micron, "Ha detto Chandrasekar. "Vogliamo dimostrare che il meccanismo è più generale e si estende fino ai metalli a grana più fine".
