L'usure a des impacts majeurs sur l'efficacité économique et la santé. Toutes les pièces mobiles sont concernées, y compris des éléments tels que des roulements dans des centrales éoliennes ou des articulations artificielles de la hanche. Cependant, la cause exacte de l'usure n'est pas encore claire. Les scientifiques de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont récemment prouvé que l'effet se produit au premier contact, et a toujours lieu au même point du matériau. Leurs découvertes pourraient aider à développer des matériaux optimisés et à réduire la consommation d'énergie et de matières premières. Les chercheurs présentent les résultats de deux études dans le Scripta Materialia .

Le frottement se produit partout où les objets adhèrent les uns aux autres ou ont un contact glissant ou roulant. Les forces de frottement provoquent l'usure, ce qui entraîne des coûts énormes. Environ 30 % de l'énergie consommée dans le secteur des transports sert à surmonter les frictions. En Allemagne, le frottement et l'usure produisent des coûts correspondant à environ 1,2 à 1,7 pour cent du produit intérieur brut, soit entre 42,5 et 55,5 milliards d'euros en 2017.

Il est bien connu que le frottement des mains les rend plus chaudes. La réaction des matériaux au frottement est beaucoup plus compliquée. "Ici, beaucoup de choses changent en même temps. Mais comment exactement ce processus commence, où l'usure se forme, et quel effet a l'énergie de friction est à peine compris, comme il a été impossible jusqu'à présent de regarder directement sous la surface des partenaires de friction, " dit le professeur Peter Gumbsch, titulaire de la Chaire de mécanique des matériaux du KIT et directeur de l'Institut Fraunhofer de mécanique des matériaux. "Avec nos nouvelles méthodes microscopiques, cependant, nous pouvons le faire. Ils révèlent une interface nette dans le matériau, auquel les particules d'usure se détachent. Nous voulons trouver la cause de cette faiblesse matérielle."

Dans leurs expériences, les scientifiques ont détecté une ligne nette à une profondeur de 150 à 200 nm. Il se forme au premier contact, et est irréversible. C'est la source de la faiblesse ultérieure du matériau. Les scientifiques ont testé divers matériaux dont le cuivre, alliages de laiton, nickel, fer et tungstène, et j'obtiens toujours le même résultat. "Ces résultats sont entièrement nouveaux. Nous ne les attendions pas, " Dit Gumbsch. Les résultats contribuent à comprendre et à reproduire les processus qui se déroulent au niveau moléculaire pendant le frottement. "Dès que nous comprenons les effets, nous pouvons intervenir spécifiquement. Mon objectif est de développer des lignes directrices pour la production future d'alliages ou de matériaux avec de meilleures propriétés de friction, " ajoute Gumbsch.

Une forme d'onde

Le défaut du matériau est ce qu'on appelle une luxation. Les luxations sont responsables de déformations irréversibles. Les dislocations se produisent lorsque les atomes se déplacent les uns par rapport aux autres. Par conséquent, une onde atomique se propage dans le matériau, semblable au mouvement d'un serpent. "Nous avons constaté que ces dislocations pendant le frottement forment la structure en forme de ligne observée de manière auto-organisée. Cet effet s'est produit dans chaque expérience, " explique le Dr Christian Greiner du KIT's Institute for Applied Materials - Computational Materials Science (IAM-CMS).

Les scientifiques ont comparé l'effet observé avec la répartition des contraintes mécaniques dans le matériau qui peut être calculée analytiquement. Les calculs ont confirmé que certains types de dislocations s'auto-organisent dans un champ de contraintes à une profondeur comprise entre 100 et 200 nm.

Oxydation plus rapide par friction

En plus de l'effet mentionné, les scientifiques ont utilisé des échantillons de cuivre pour étudier l'effet du frottement sur l'oxydation des surfaces. Après quelques cycles de friction, des taches d'oxyde de cuivre se forment à la surface. Dans la course du temps, ils sont devenus des amas semi-circulaires d'oxyde de cuivre nanocristallin. Les nanocristaux de cuivre-2-oxyde de 3 à 5 nm étaient entourés d'une structure amorphe. Ils ont de plus en plus grandi dans le matériau jusqu'à ce qu'ils se chevauchent et forment une couche d'oxyde fermée. Selon Greiner, ce phénomène est connu depuis longtemps, mais la cause de cet effet est encore inconnue. « Il est très important de comprendre comment se produit l'oxydation causée par la friction. En science des matériaux, le cuivre est utilisé assez fréquemment. Et le cuivre est également un matériau important pour les pièces mobiles, " dit Greiner. De nombreux roulements sont constitués d'alliages de cuivre, comme le bronze ou le laiton. Par conséquent, les résultats de l'étude sont d'un intérêt considérable pour les industries de transformation du cuivre.

La balle dure rencontre le cuivre doux

L'approche utilisée pour les deux études est simple :une boule de saphir est déplacée de manière très douce, lent, et de manière contrôlée directement à travers une plaque en cuivre pur. La bille en saphir garantit toujours le même contact et le même frottement reproductibles grâce à la dureté du saphir. Après chaque mouvement sur la plaque, les chercheurs ont mesuré la déformation qu'il a provoquée, et les modifications structurelles qui en résultent à l'intérieur des métaux. Dans leur approche unique, ils ont combiné des expériences de friction avec des méthodes d'essais non destructifs, algorithmes de science des données, et la microscopie électronique à haute résolution.