Nuevo Método Para Analizar Metales Desarrollado Por Investigadores Del Ejército De Ee. Uu.

Investigadores del ejército desarrollan un nuevo método para analizar metales

Los investigadores del ejército, el Dr. Stephen Berkebile (izquierda) y Nikhil Murthy (derecha) examinan cómo responde el nitruro de silicio al acero durante el contacto mecánico de deslizamiento seco para comprender mejor las averías del equipo. Crédito: Cortesía de Vincent Coburn

Los combatientes en el campo de batalla a menudo confían en máquinas, vehículos y otras tecnologías con piezas giratorias para completar su misión. Los investigadores del ejército han ideado un nuevo método de prueba para detectar un factor importante en la falla y avería del equipo a fin de garantizar que esas herramientas cumplan con el estándar de calidad adecuado.

Cuando las piezas mecánicas se deslizan unas contra otras durante largos períodos de tiempo, el pulido constante puede desgastar las superficies metálicas hasta que las piezas ya no sean funcionales. El estudio de la fricción, el desgaste y la lubricación cuando dos o más superficies interactúan en movimiento relativo se conoce como tribología, y su importancia en la ciencia y la ingeniería de materiales ha llevado a los investigadores a encontrar nuevas formas de examinar el contacto mecánico seco.

Investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU. Desarrollaron recientemente un nuevo enfoque para analizar la respuesta tribológica entre el acero y el nitruro de silicio que tiene lugar cuando los dos metales interactúan, en lugar de después de que las muestras se hayan enfriado.

Este último método de estudio del desgaste puede permitir a los investigadores observar reacciones químicas fugaces que ocurren en el sitio de contacto.

Tribómetro de datos termográficos

Una cámara infrarroja captura datos termográficos del tribómetro de bola en disco con etiquetas que indican las ubicaciones del (a) objetivo del microscopio óptico, (b) termopar de disco y (c) termopar de bola. Crédito: Cortesía del Dr. Stephen Berkebile

“El sistema mecánico es muy dinámico durante la operación”, dijo el Dr. Stephen Berkebile, físico investigador del Ejército. “Si no se captura durante la operación y, en cambio, se mide cuando no se mueve rápidamente, las reacciones químicas transitorias y los cambios físicos no serían capturados, ya que el sistema puede cambiar después de enfriarse por el calentamiento por fricción”.

Berkebile actuó como uno de los investigadores del Ejército que trabajaba junto con la Universidad del Norte de Texas para estudiar la interacción deslizante entre el acero y el nitruro de silicio. Más específicamente, el equipo estaba tratando de investigar por qué el aumento de la velocidad de deslizamiento entre el acero y el nitruro de silicio disminuía su tasa de fricción y desgaste al hacer contacto.

Según los investigadores, la interacción entre el acero y el nitruro de silicio es una que se produce habitualmente durante el proceso de mecanizado en seco de determinadas herramientas de corte y en situaciones de emergencia con rodamientos de alta velocidad cuando pierden su fuente de lubricación, como los de las turbinas de los motores a reacción. Comprender la cinética detrás del contacto deslizante de alta velocidad entre estos dos metales sería vital para desarrollar vehículos y equipos mejores y más seguros para los soldados.

Pistas de desgaste de bolas de nitruro de silicio

La bola de nitruro de silicio crea pistas de desgaste significativamente diferentes contra un disco de acero giratorio de alta velocidad a (a) una velocidad de 1,5 m / s y (b) una velocidad de 15 m / s. Crédito: Cortesía del Dr. Stephen Berkebile

“Los cojinetes híbridos con el contacto de acero / nitruro de silicio se utilizan cada vez más en turbomaquinaria dentro de los sistemas de propulsión de helicópteros”, dijo Berkebile. “Estos cojinetes híbridos están encontrando cada vez más uso en los sistemas de propulsión de helicópteros y helicópteros donde se operan a altas velocidades”.

Los investigadores realizaron el experimento utilizando un tribómetro Ball on Disk que deslizaba una bola rodante de nitruro de silicio contra un disco giratorio de acero que se calentaba a 120 grados. Celsius con una placa caliente debajo.

Un microscopio estereo-óptico con un dispositivo de carga acoplada en color, o CCD, cámara y una cámara de infrarrojos obtuvo datos de imágenes térmicas a medida que la velocidad de rotación del disco se aceleró de 1 m / sa 16 m / s. Posteriormente, los investigadores realizaron un análisis de las huellas de desgaste utilizando un detector de electrones de retrodispersión que mapeó la composición elemental del residuo de película sobrante.

“Combinando dos métodos ópticos con datos de fricción en tiempo real, pudimos comprender la transición química en el mecanismo de desgaste”, dijo Berkebile. “Pudimos correlacionar la fricción, la temperatura y el estado químico del contacto mecánico durante la operación activa del experimento mientras ocurría la reacción química”.

Según los investigadores, este experimento representó el primer intento conocido de analizar la respuesta tribológica del acero y el nitruro de silicio en medio de una prueba de alta velocidad de deslizamiento.

Además, los datos resultantes de esta atrevida empresa proporcionaron nueva información sobre la naturaleza de los efectos tribológicos que tuvieron lugar.

El equipo descubrió que el calentamiento por fricción provocado a una velocidad de deslizamiento umbral de alrededor de 4,5 m / s inducía una reacción química que dejaba una película delgada lubricante en la zona de contacto de alta carga.

Esta película delgada y resbaladiza fue lo que permitió que la interacción mecánica entre el acero y el nitruro de silicio demostrara una menor fricción y desgaste a medida que aumentaba la velocidad de deslizamiento. Usando el nuevo enfoque, el equipo logró determinar el momento exacto en que ocurrió la reacción química a partir de las observaciones del cambio de color de las huellas de desgaste durante el experimento.

Además, los investigadores determinaron que este fenómeno está completamente activo cuando la velocidad de deslizamiento se eleva por encima de 9 m / s en condiciones de engranajes y rodamientos.

Con base en el análisis de las pistas de desgaste, los investigadores verificaron que una serie de reacciones de oxidación debieron haber tenido lugar como resultado de la interacción entre el hierro, el oxígeno y el silicio a altas temperaturas por calentamiento por fricción.

“Descubrimos que se produce una transición suave entre una reacción química a otra durante la transición entre el estado de baja fricción y desgaste y el estado de alta fricción y desgaste”, dijo Berkebile. “La reacción química también requiere que se mantenga el calentamiento por fricción y, por lo tanto, puede ‘extinguirse’ después de unos segundos si se logra el estado de baja fricción y el calentamiento por fricción se reduce a velocidades intermedias”.

Según Berkebile, este nuevo enfoque in situ para examinar los contactos mecánicos deslizantes en seco tiene el potencial de mejorar significativamente los esfuerzos del Ejército para desarrollar maquinaria que pueda soportar mejor las altas temperaturas, cargas y velocidades.

“Los helicópteros del ejército tienen la obligación de operar durante 30 minutos después de que se haya perdido la lubricación del sistema de propulsión”, dijo Berkebile. “A partir de este estudio, hemos aprendido que para los sistemas de transmisión que contienen componentes híbridos, como los cojinetes de nitruro de silicio / acero, los materiales pueden durar más si se deslizan a una velocidad más alta en lugar de más baja, lo que es realmente contradictorio”.

La investigación sobre este nuevo método estuvo disponible en línea en noviembre de 2019 y se publicó el 15 de febrero de 2020 en la revista científica Wear .

Referencia: “Instrumentación in situ para observar efectos tribológicos transitorios en contactos no lubricados de alta velocidad de deslizamiento” por MD Harris, SP Berkebile, NK Murthy y AA Voevodin, 15 de febrero de 2020, Wear .
DOI: 10.1016 / j.wear.2019.203111

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