De eerste ‘indruk’ telt – ook bij wrijving

Of het nu gaat om een lager in een windturbine of een kunstheupgewricht, slijtage is van invloed op alle bewegende delen en heeft vervelende gevolgen. Maar tot op de dag van vandaag is het nog steeds grotendeels onduidelijk hoe slijtage precies optreedt. Wetenschappers van het Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hebben aangetoond dat het effect zich voordoet bij het eerste contact en altijd op een specifiek punt in het materiaal.

Dat handenwrijven warmte oplevert is nog te begrijpen, maar materialen reageren gecompliceerder. "Daar gebeurt veel tegelijkertijd. Moet het precies begint, waar slijtagedeeltjes werkelijk ontstaan en hoe de wrijvingsenergie van invloed is, begrijpen we eigenlijk niet. Omdat we eigenlijk niet goed direct onder het oppervlak van de wrijvingslichamen konden kijken", zegt professor Peter Gumbsch, die leerstoel voor mechanica van materialen bekleedt bij het KIT en ook hoofd is van het Fraunhofer Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik. "Maar met onze nieuwe microscopische methoden kunnen we dat nu wel . En dan zie je een scherp grensvlak in het materiaal, en op deze grens worden de slijtagedeeltjes verwijderd. De vraag is: waar komt die verzwakking in het materiaal vandaan?"

Onverwacht

Gebleken is dat dit grensvlak zich altijd op een diepte van 150 tot 200 nm in het materiaal bevindt. Die treedt onmiddellijk na het eerste contact op en is niet omkeerbaar en legt de basis voor de toekomstige zwakke plekken in het materiaal. Of het nu koper, messinglegeringen, nikkel, ijzer of wolfraam ging. "Deze resultaten zijn volledig nieuw. Dat hadden we niet verwacht", vertelt Gumbsch. De bevindingen moeten bijdragen aan een fundamenteel begrip van wrijvingsprocessen op moleculair niveau. "Als we de optredende effecten begrijpen, kunnen we gerichte actie ondernemen. Mijn doel is om richtlijnen te ontwikkelen die in de toekomst gebruikt kunnen worden om legeringen of materialen met betere wrijvingseigenschappen te produceren."

‘Atomaire slang'

Bij het materiaaldefect gaat het dislocaties, die verantwoordelijk zijn voor plastische - dus niet-net omkeerbare - vervorming. Het effect treedt op wanneer atomen ten opzicht van elkaar verschuiven. In het materiaal ontstaat een golf die lijkt op de beweging van een slang. "We hebben ontdekt dat deze dislocaties tijdens het wrijvingsproces zelf-organiserend de geobserveerde lijnachtige structuur vormen. Dit effect deed zich bij elk experiment op dezelfde manier voor", zegt Dr. Christian Greiner van het Institut für Angewandte Materialien - Computational Materials Science (IAM-CMS) van het KIT. De wetenschappers hebben het waargenomen effect vergeleken met de mechanische spanningsverdeling in het materiaal, die analytisch kan worden berekend. De berekeningen bevestigden dat bepaalde dislocatietypes zich organiseren in een ‘spanningsveld' met een materiaaldiepte tussen de 100 en 200 nm.

Snellere oxidatie door wrijving?

De onderzoekers hebben ook meteen gekeken naar de invloed van wrijving op oxidatie van kopermonsters. Al na enkele wrijvingscycli vormden zich aan het oppervlak koperoxidevlekken - halfronde koper-2-oxide nanokristallen. De kristallen van zo'n 3 -5 nm, waren omgeven door een amorfe structuur en groeiden steeds meer in het materiaal tot ze elkaar overlapten en een gesloten oxidelaag vormden. Volgens Greiner is dit fenomeen al lang bekend, maar ook hier is nog niet onderzocht hoe het tot stand komt. "Het is erg belangrijk om te begrijpen hoe door wrijving geïnduceerde oxidatie optreedt. Koper is een veelvoorkomend materiaal in de materiaalwetenschappen. Maar het speelt ook een belangrijke rol als grondstof voor bewegende delen."

Belangstelling

Veel lagers zijn gemaakt van koperlegeringen zoals brons of messing. Daarom hebben de resultaten van de onderzoeken grote belangstelling gewekt bij de koperverwerkende industrie. Ongeveer 30 procent van de energie die in de transportsector wordt gebruikt, wordt gebruikt om wrijving te overwinnen. In Duitsland kosten wrijving en slijtage ongeveer 1,2 tot 1,7 procent van het bruto binnenlands product, in 2017 tussen de 42,5 en 55,5 miljard euro.