Slitage har stor inverkan på ekonomisk effektivitet och hälsa. Alla rörliga delar påverkas, inklusive sådana saker som lager i ett vindkraftverk eller konstgjorda höftleder. Dock, den exakta orsaken till slitaget är fortfarande oklart. Forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) bevisade nyligen att effekten uppstår vid första kontakten, och sker alltid vid samma punkt i materialet. Deras resultat kan hjälpa till att utveckla optimerade material och minska förbrukningen av energi och råvaror. Forskarna presenterar resultat av två studier i Scripta Materialia .

Friktion uppstår varhelst föremål fäster vid varandra eller har glidande eller rullande kontakt. Friktionskrafter orsakar slitage, vilket resulterar i enorma kostnader. Cirka 30 procent av den energi som förbrukas inom transportsektorn används för att övervinna friktion. I Tyskland, friktion och slitage producerar kostnader motsvarande cirka 1,2 till 1,7 procent av bruttonationalprodukten, dvs mellan 42,5 och 55,5 miljarder euro 2017.

Det är välkänt att friktionen av gnuggande händer gör att de blir varmare. Reaktionen mellan material och friktion är mycket mer komplicerad. "Här, många saker förändras samtidigt. Men exakt hur börjar denna process, där slitage bildas, och vilken effekt friktionsenergi har är knappast förstådd, eftersom det hittills har varit omöjligt att titta direkt under ytan på friktionspartnerna, "säger professor Peter Gumbsch, innehavare av KIT:s ordförande för materialmekanik och chef för Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials. "Med våra nya mikroskopiska metoder, dock, vi kan göra det. De avslöjar ett skarpt gränssnitt i materialet, där slitagepartiklarna lösgörs. Vi vill hitta orsaken till denna materiella svaghet."

I sina experiment, forskarna upptäckte en skarp linje på ett djup av 150 till 200 nm. Det bildas vid första kontakten, och är oåterkallelig. Det är källan till den senare svagheten i materialet. Forskarna testade olika material inklusive koppar, mässingslegeringar, nickel, järn och volfram, och alltid fått samma resultat. "Dessa resultat är helt nya. Vi förväntade oss dem inte, " säger Gumbsch. Fynden bidrar till att förstå och reproducera processer som äger rum på molekylär nivå under friktion. "Så snart vi förstår effekterna, vi kan störa specifikt. Det är mitt mål att ta fram riktlinjer för framtida tillverkning av legeringar eller material med bättre friktionsegenskaper, "Tillägger Gumbsch.

En våg bildas

Defekten i materialet är en så kallad dislokation. Dislokationer är ansvariga för irreversibla deformationer. Dislokationer uppstår när atomer skiftar i förhållande till varandra. Som ett resultat, en atomvåg utbreder sig i materialet, liknar en orms rörelse. "Vi fann att dessa dislokationer under friktion bildar den linjeformade strukturen som observeras på ett självorganiserat sätt. Denna effekt inträffade i varje experiment, " förklarar Dr Christian Greiner från KIT:s Institute for Applied Materials – Computational Materials Science (IAM-CMS).

Forskarna jämförde den observerade effekten med den mekaniska spänningsfördelningen i materialet som kan beräknas analytiskt. Beräkningar bekräftade att vissa dislokationstyper självorganiserar sig i ett stressfält på ett djup mellan 100 och 200 nm.

Snabbare oxidation genom friktion

Förutom den nämnda effekten, forskarna använde kopparprover för att studera effekten av friktion på oxidation av ytor. Efter några friktionscykler, kopparoxidfläckar bildas på ytan. Under tidens gång, de växte till halvcirkulära nanokristallina kopparoxidkluster. Koppar-2-oxid nanokristallerna av 3-5 nm i storlek var omgivna av en amorf struktur. De växte alltmer in i materialet tills de överlappade varandra och bildade ett slutet oxidskikt. Enligt Greiner, detta fenomen har varit känt under lång tid, men orsaken till denna effekt är fortfarande okänd. "Det är mycket viktigt att förstå hur friktionsorsakad oxidation äger rum. Inom materialvetenskap, koppar används ganska ofta. Och koppar är också ett viktigt material för rörliga delar, " säger Greiner. Många lager består av kopparlegeringar, som brons eller mässing. Följaktligen, studieresultaten är av stort intresse för kopparbearbetningsindustrin.

Hard Ball Meets Soft Copper

Tillvägagångssättet som används för båda studierna är enkelt:en safirboll flyttas i en mycket jämn, långsam, och kontrollerat rakt över en tallrik gjord av ren koppar. Safirkulan garanterar alltid samma reproducerbara kontakt och friktion på grund av safirens hårdhet. Efter varje rörelse över plattan, forskarna mätte deformationen det orsakade, och de resulterande strukturella modifieringarna inuti metallerna. I sitt unika tillvägagångssätt, de kombinerade friktionsexperiment med oförstörande testmetoder, datavetenskapliga algoritmer, och högupplöst elektronmikroskopi.