Slijtage leidt tot aanzienlijke economische gevolgen of gezondheidsproblemen. Alle bewegende delen hebben er mee te maken, of het nu een lager in een windturbine of een kunstmatig heupgewricht is. Tot nu toe is nog niet echt duidelijk hoe wrijvingsverliezen precies ontstaan. Onderzoekers van het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hebben aangetoond dat het effect reeds bij het eerste contact optreedt en zich steeds op een heel specifieke plaats in het materiaal afspeelt.
Waar objecten op elkaar plakken, over elkaar glijden of rollen, treedt wrijving op. De wrijvingskrachten veroorzaken slijtage en kost veel geld. Zo wordt in de transportsector ongeveer 30% van de energie gebruikt om wrijving te overwinnen. In Duitsland kosten wrijving en slijtage 1,2% tot 1,7% van het bruto binnenlands product, in het jaar 2017 dus tussen 42,5 en 55,5 miljard euro.
Wrijvingsverliezen
Waar de gevolgen bij het handenwringen nog eenvoudig te overzien is – ze worden warm, reageren materialen duidelijk gecompliceerder. Hier gebeurt veel tegelijkertijd. Tot op heden is nauwelijks bekend hoe deze verandering precies begint, waar slijtagedeeltjes werkelijk ontstaan en wat het effect is van wrijvingsenergie. Dat komt omdat wetenschappers nauwelijks direct onder het oppervlak van de wrijvingsvlakken konden kijken. Dat is onderzoekers van de Lehrstuhl für Werkstoffmechanik aan het KIT en aan het Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik nu gelukt.
Met nieuwe microscopische methoden zien ze in het materiaal een scherp grensvlak, en op deze grens worden slijtagedeeltjes losgemaakt. De vraag is waar deze verzwakking in het materiaal vandaan komt. De wetenschappers vonden bij hun experimenten steeds een scherpe lijn, 150 nm tot nm diep in het materiaal. Deze ontstaat al bij het eerste contact en is niet omkeerbaar. Daarmee is de eerste stap voor de toekomstige zwakke plek in het materiaal al gezet.
De onderzoekers experimenteerden met verschillende materialen zoals koper, verschillende messinglegeringen, nikkel, ijzer en wolfraam, met steeds hetzelfde resultaat. De onderzoekers hadden daar niet op gerekend. De resultaten dragen er toe bij processen die zich bij de wrijving afspelen op moleculair niveau fundamenteel te begrijpen. Als de optredende effecten worden begrepen, kunnen ze doelgericht worden bestreden. Het doel van de onderzoekers is richtlijnen te ontwikkelen, met behulp waarvan man in de toekomst legeringen of materialen met betere eigenschappen kan ontwikkelen en produceren.
Materiaal maakt golf
Bij het opgetreden defect in het materiaal gaat het om zogenoemde dislocaties. Deze zijn verantwoordelijk voor plastische, dus niet omkeerbare vervormingen. Het effect ontstaat wanneer atomen ten opzichte van elkaar verschuiven. In het materiaal ontstaat daarbij in zekere zin een atomaire golf, vergelijkbaar met de van een slang. De onderzoekers hebben vastgesteld dat deze dislocaties tijdens de wrijving zichzelf organiseren tot de waargenomen lijnachtige structuren. Dit effect is bij elke proef op dezelfde manier opgetreden.
De wetenschappers vergelijken het waargenomen effect met de mechanische spanningsverdeling in het materiaal dat analytisch kan worden berekend. De berekeningen bevestigen dat bepaalde dislocatietypes in een spanningsveld met een materiaaldiepte tussen 100 nm en 200 nm zichzelf organiseren.
Snelle oxidatie door wrijving
Aanvullend op het genoemde effect onderzoekers de wetenschappers aan kopermonsters wat het effect van wrijving op de oxidatie van oppervlakten is. Na enkele wrijvingscyclussen ontstonden koperoxidevlakken aan het oppervlakken, die in de tijd uitgroeiden tot nanokristallijne koperoxideclusters in de vorm van een halve cirkel. De 3 nm tot 5 nm grote Cu2O nanokristallen waren omgeven door een amorfe structuur en groeiden steeds verder in het materiaal tot ze elkaar overlapten en een fesloten oxidelaag vormden.
Dit fenomeen is al lang bekend, maar tot nu toe is niet onderzocht hoe deze effecten tot stand kwamen. Maar het is zeer belangrijk te begrijpen hoe door wrijving veroorzaakte oxidatie verder gaat. In materiaalonderzoek is koper een vaak gebruikt materiaal. Maar het speelt ook een belangrijke rol als uitgangsmateriaal voor bewegende delen. Veel (gij)lagers bestaan uit koperlegeringen zoals brons of messing. Vandaar de de koperverwerkende industrie grote belangstelling heeft voor de onderzoeksresultaten.
Harde kogel treft zacht koper
De experimentele aanpak voor beide onderzoeken is eenvoudig: een kogel uit saffier wordt zacht langzaam en gecontroleerde in een rechte lijn over een plaatje zeer zuiver koper getrokken. Er werd voor een saffierkogel gekozen omdat die een steeds gelijk reproduceerbaar contactpunt garandeert en bovendien omdat het wrijvingseffect op de kogel zelf door de hoge hardheid van saffier verwaarloosbaar is.
Na elke beweging maten de onderzoekers de ontstane vervormingen en de daardoor ontstane structurele veranderingen in het inwendige van het metaal. In een unieke benadering koppelden ze daartoe wrijvingsexperimenten met methoden uit niet-destructieve testen en met Data Science algoritmen en elektronenmicroscopie met hoge resolutie.
In onderstaande ongeveer elf minuten durende video tonen de onderzoekers hoe ze nieuwe materialen ontwerpen en innovatieve meetmethoden onderzoeken om te voorkomen dat materialen falen.
