Slijtage heeft grote gevolgen voor de economische efficiëntie en gezondheid. Alle beweegbare delen zijn aangetast, inclusief zaken als lagers in een windkrachtcentrale of kunstmatige heupgewrichten. Echter, de precieze oorzaak van slijtage is nog onduidelijk. Wetenschappers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hebben onlangs bewezen dat het effect optreedt bij het eerste contact, en vindt altijd plaats op hetzelfde punt van het materiaal. Hun bevindingen kunnen helpen bij het ontwikkelen van geoptimaliseerde materialen en het verminderen van het verbruik van energie en grondstoffen. De onderzoekers presenteren de resultaten van twee studies in de Scripta Materialia .

Wrijving treedt op overal waar objecten aan elkaar kleven of glijdend of rollend contact hebben. Wrijvingskrachten veroorzaken slijtage, wat enorme kosten met zich meebrengt. Ongeveer 30 procent van de energie die in de transportsector wordt verbruikt, wordt gebruikt om wrijving te overwinnen. In Duitsland, wrijving en slijtage veroorzaken kosten die overeenkomen met ongeveer 1,2 tot 1,7 procent van het bruto binnenlands product, d.w.z. tussen 42,5 en 55,5 miljard euro in 2017.

Het is bekend dat de wrijving van wrijvende handen ervoor zorgt dat ze warmer worden. De reactie van materialen op wrijving is veel gecompliceerder. "Hier, veel dingen veranderen tegelijkertijd. Maar hoe dit proces precies begint, waar slijtage ontstaat, en welk effect wrijvingsenergie heeft, wordt nauwelijks begrepen, omdat het tot nu toe onmogelijk was om direct onder het oppervlak van de wrijvingspartners te kijken, " zegt professor Peter Gumbsch, houder van de KIT-leerstoel voor mechanica van materialen en hoofd van het Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials. "Met onze nieuwe microscopische methoden, echter, wij kunnen dit. Ze onthullen een scherpe interface in het materiaal, waarbij de slijtagedeeltjes loskomen. We willen de oorzaak van deze materiële zwakte vinden."

In hun experimenten, de wetenschappers ontdekten een scherpe lijn op een diepte van 150 tot 200 nm. Het vormt bij het eerste contact, en is onomkeerbaar. Het is de bron van de latere zwakte in het materiaal. De wetenschappers testten verschillende materialen, waaronder koper, messing legeringen, nikkel, ijzer en wolfraam, en steeds hetzelfde resultaat. "Deze resultaten zijn geheel nieuw. We hadden ze niet verwacht, " zegt Gumbsch. De bevindingen dragen bij aan het begrijpen en reproduceren van processen die plaatsvinden op moleculair niveau tijdens wrijving. "Zodra we de effecten begrijpen, we kunnen specifiek ingrijpen. Het is mijn doel om richtlijnen te ontwikkelen voor de toekomstige productie van legeringen of materialen met betere wrijvingseigenschappen, ’ voegt Gumbsch eraan toe.

Een golf vormt

Het defect in het materiaal is een zogenaamde dislocatie. Dislocaties zijn verantwoordelijk voor onomkeerbare vervormingen. Dislocaties ontstaan ​​wanneer atomen ten opzichte van elkaar verschuiven. Als resultaat, een atoomgolf plant zich voort in het materiaal, vergelijkbaar met de beweging van een slang. "We ontdekten dat deze dislocaties tijdens wrijving de lijnvormige structuur vormen die op een zelfgeorganiseerde manier wordt waargenomen. Dit effect trad op in elk experiment, " legt Dr. Christian Greiner van KIT's Institute for Applied Materials - Computational Materials Science (IAM-CMS) uit.

De wetenschappers vergeleken het waargenomen effect met de mechanische spanningsverdeling in het materiaal die analytisch kan worden berekend. Berekeningen bevestigden dat bepaalde typen dislocaties zichzelf organiseren in een spanningsveld op een diepte tussen 100 en 200 nm.

Snellere oxidatie door wrijving

Naast het genoemde effect, de wetenschappers gebruikten kopermonsters om het effect van wrijving op oxidatie van oppervlakken te bestuderen. Na een paar wrijvingscycli, koperoxidevlekken gevormd op het oppervlak. In de loop der tijd, ze groeiden uit tot halfronde nanokristallijne koperoxideclusters. De koper-2-oxide nanokristallen van 3-5 nm groot waren omgeven door een amorfe structuur. Ze groeiden steeds meer in het materiaal totdat ze elkaar overlappen en een gesloten oxidelaag vormden. Volgens Greiner, dit fenomeen is al lang bekend, maar de oorzaak van dit effect is nog onbekend. "Het is erg belangrijk om te begrijpen hoe door wrijving veroorzaakte oxidatie plaatsvindt. In de materiaalkunde koper wordt vrij vaak gebruikt. En koper is ook een belangrijk materiaal voor bewegende delen, " zegt Greiner. Veel lagers bestaan ​​uit koperlegeringen, zoals brons of messing. Bijgevolg, de onderzoeksresultaten zijn van groot belang voor de koperverwerkende industrie.

Harde bal ontmoet zacht koper

De benadering die voor beide onderzoeken wordt gebruikt, is eenvoudig:een saffierbal wordt in een zeer soepele, traag, en gecontroleerde manier dwars over een plaat van puur koper. De saffierbol garandeert door de hardheid van saffier altijd hetzelfde reproduceerbare contact en dezelfde wrijving. Na elke beweging over de plaat, de onderzoekers maten de vervorming die het veroorzaakte, en de resulterende structurele wijzigingen in de metalen. In hun unieke aanpak ze combineerden wrijvingsexperimenten met niet-destructieve testmethoden, data science algoritmen, en hoge resolutie elektronenmicroscopie.