Chercheurs de l'Université de Linköping, LiU, ont développé un modèle théorique qui permet des simulations pour montrer ce qui se passe dans les matériaux de coupe durs lorsqu'ils se dégradent. Le modèle permettra aux industries manufacturières d'économiser du temps et de l'argent. Le modèle a été publié dans la revue scientifique en libre accès Matériaux .

Le nitrure de titane-aluminium est un matériau céramique couramment utilisé comme revêtement pour les outils de coupe en métal. A l'aide d'un film mince de nitrure de titane-aluminium, le tranchant d'un outil revêtu devient plus dur, et la durée de vie de l'outil plus longue. Une caractéristique notable de la surface revêtue est qu'elle devient encore plus dure pendant le processus de coupe, un phénomène connu sous le nom de durcissement par le vieillissement.

Kostas Sarakinos, professeur agrégé en science des matériaux à l'Université de Linköping, décrit le matériau comme un bourreau de travail dans l'industrie manufacturière.

L'alliage est, cependant, sensible aux hautes températures. Quelques minutes d'opération de coupe dans un matériau vraiment dur soumettent le tranchant à une pression si élevée qu'il est chauffé à près de 900 degrés ou plus. À des températures allant jusqu'à 700 degrés, le matériel est indemne, mais il commence à se dégrader à des températures plus élevées. Le bord s'adoucit et perd de sa netteté.

Jusqu'à maintenant, personne n'a été en mesure de déterminer ce qui se passe au niveau atomique à l'intérieur du film mince pendant le processus de découpe. Il n'a été possible de simuler que partiellement les propriétés de l'association complexe du titane, aluminium et azote, et il n'a pas été possible de tirer des conclusions des résultats.

Georgios Almyras, qui a précédemment travaillé comme chercheur post-doctoral à la division d'ingénierie à l'échelle nanométrique et a maintenant déménagé à Ericsson, Davide Sangiovanni de la Division de physique théorique, et Kostas Sarakinos, chef de la division Ingénierie à l'échelle nanométrique, Université de Linköping, passé quatre ans à développer un modèle théorique fiable qui peut être utilisé pour montrer exactement ce qui se passe dans le matériau avec une résolution temporelle de la picoseconde. Ils ont utilisé le modèle nouvellement développé pour simuler des événements dans le matériau, montrant quels atomes sont déplacés et les conséquences que cela a sur les propriétés.

"Cela signifie également que nous pouvons développer des stratégies pour arrêter la dégradation, comme l'alliage des matériaux ou la création de nanostructures spécialement conçues, " dit Davide Sangiovanni.

Leur modèle théorique calcule les forces entre les atomes dans le matériau. Le modèle est basé sur une méthode connue auparavant qui a été utilisée avec succès dans des systèmes de matériaux simples. Combinaisons complexes de matériaux, cependant, nécessitent des calculs chronophages qui ne sont possibles que dans un supercalculateur. Le groupe de recherche de LiU a optimisé ces calculs en mettant en œuvre des algorithmes d'apprentissage automatique que les prédécesseurs de l'intelligence artificielle.

Le supercalculateur du National Supercomputer Center de LiU a ensuite été utilisé pour les calculs d'une quarantaine d'alliages des trois éléments titane, aluminium et azote, tout en examinant plusieurs propriétés du matériau. Les scientifiques ont ensuite comparé les résultats des calculs avec les propriétés connues des matériaux.

"L'accord est très bon, " dit Kostas Sarakinos. " Il est important que nous ayons également calculé les propriétés que nous connaissons, car alors nous pouvons être sûrs que les calculs et les prédictions du modèle sont fiables."

Les chercheurs espèrent que la méthode sera utile pour les entreprises de l'industrie manufacturière, comme Sandvik, ABB, Outils Seco, etc., ce qui pourrait économiser beaucoup d'argent en développant des outils avec une plus grande dureté et résistance à l'usure. Il s'agit d'entreprises avec lesquelles les chercheurs de LiU ont des accords de collaboration à long terme.

« Nous pouvons maintenant pour la première fois réaliser des simulations classiques à grande échelle de structures atomiques dans l'un des systèmes de matériaux les plus couramment utilisés pour la découpe et le formage des métaux. Les simulations peuvent prendre en compte la résistance à la chaleur ou les nanostructures, et ils peuvent fournir des informations importantes sur la façon dont les atomes se déplacent. Les résultats nous aideront à éviter, ou au moins retarder, dégradation du matériau, " dit Kostas Sarakinos.