Cuando dos superficies metálicas se deslizan entre sí, se produce una variedad de fenómenos complicados que conducen a la fricción y el desgaste : las pequeñas regiones cristalinas, de las que se componen típicamente los metales, pueden deformarse, torcerse o romperse, o incluso fusionarse. Es importante que la industria comprenda tales efectos. Después de todo, el desgaste puede destruir la maquinaria y costar mucho dinero.

Por lo general, cuanto más rápido se deslizan las dos superficies, mayor es el desgaste. Pero a velocidades extremadamente altas, comparables a la velocidad inicial de un arma de fuego, esto se puede revertir : por encima de cierta velocidad, el desgaste vuelve a disminuir. Este sorprendente y aparentemente contradictorio resultado ahora ha sido explicado mediante simulaciones por computadora por la Unidad de Investigación de Tribología en TU Wien y el Centro Austriaco de Excelencia en Tribología (AC2T research GmbH) en Wiener Neustadt en cooperación con el Imperial College en Londres.

Simulaciones en computadoras de alto rendimiento

«En el pasado, la fricción y el desgaste solo podían estudiarse en experimentos», dice Stefan Eder (TU Wien, AC2T research GmbH). «Solo en los últimos años las supercomputadoras se han vuelto tan poderosas que podemos modelar los procesos altamente complejos en la superficie del material a escala atómica».

Stefan Eder y su equipo recrean varias aleaciones metálicas en la computadora, no cristales individuales perfectos, con una disposición de átomos estrictamente regular y libre de defectos, sino una aleación mucho más cercana a la realidad : una disposición geométricamente complicada de diminutos cristales que pueden estar desplazados entre sí o torcidos en diferentes direcciones, manifestándose como defectos materiales. «Esto es importante porque todos estos defectos tienen una influencia decisiva en la fricción y el desgaste», dice Stefan Eder. «Si tuviéramos que simular un metal perfecto en la computadora, el resultado tendría poco que ver con la realidad».

Resultados sorprendentes

El equipo de investigación calculó cómo la velocidad de deslizamiento afecta el desgaste : «A velocidades comparativamente bajas, del orden de diez o veinte metros por segundo, el desgaste es bajo. Solo cambian las capas más externas, las estructuras cristalinas debajo permanecen prácticamente intactas», dice Stefan Eder..

Si aumenta la velocidad a 80-100 metros por segundo, el desgaste aumenta; eso es de esperar, después de todo, se transfiere más energía al metal por unidad de tiempo. «Luego, ingresa gradualmente a un rango en el que el metal se comporta como un líquido viscoso, similar a la miel o la mantequilla de maní», dice Stefan Eder. Las capas más profundas del metal se arrastran en la dirección de la superficie de paso y la microestructura del metal se reorganiza por completo. Los granos individuales que componen el material se retuercen, se rompen, se empujan entre sí y finalmente se arrastran.

Sin embargo, el equipo experimentó una sorpresa cuando pasó a velocidades aún más altas: por encima de unos 300 metros por segundo, que corresponde aproximadamente a la velocidad máxima de los aviones en la aviación civil, el desgaste vuelve a disminuir. La microestructura del metal justo debajo de la superficie, que se destruye por completo a velocidades medias, ahora permanece prácticamente intacta nuevamente.

«Fue increíble para nosotros y para la comunidad de tribología», dice Stefan Eder. «Pero la investigación bibliográfica nos mostró : este efecto ha sido observado por otros científicos en experimentos; simplemente no es muy conocido porque rara vez ocurren velocidades tan altas. Sin embargo, el origen de este efecto aún no se ha aclarado».

La fusión de la superficie protege las capas más profundas

Análisis más detallados de los datos de la computadora ahora han arrojado luz sobre cómo es posible este efecto : a velocidades extremadamente altas, la fricción genera mucho calor, pero de una manera muy desigual. Solo los parches individuales en las superficies de los dos metales que se deslizan entre sí están en contacto, y estas pequeñas áreas pueden alcanzar miles de grados centígrados. En el medio, la temperatura es mucho más baja.

Como resultado, pequeñas partes de la superficie pueden derretirse y luego volver a cristalizar una fracción de segundo más tarde. La capa más externa del metal cambia dramáticamente, pero esto es precisamente lo que protege las regiones más profundas del material : solo las capas más externas del material sienten el desgaste, las estructuras cristalinas debajo cambian solo ligeramente.

«Este efecto, del que apenas se ha hablado hasta ahora, se produce con diferentes materiales», dice Stefan Eder. «Dondequiera que la fricción ocurra a velocidades altas o extremadamente altas, será esencial tener esto en cuenta en el futuro». Esto se aplica, por ejemplo, a los cojinetes y transmisiones modernos de alta velocidad en la movilidad eléctrica, o a las máquinas que rectifican superficies. El efecto ahora mejor entendido también juega un papel en la estabilidad de los metales en un choque de vehículos o en el impacto de pequeñas partículas en aviones de alta velocidad.