Les combattants sur le champ de bataille comptent souvent sur des machines, véhicules et autres technologies avec des pièces rotatives pour accomplir leur mission. Les chercheurs de l'armée ont mis au point une nouvelle méthode de test pour un facteur majeur de défaillance et de panne d'équipement afin de s'assurer que ces outils répondent aux normes de qualité appropriées.

Lorsque des pièces mécaniques glissent les unes contre les autres pendant de longues périodes, le meulage constant peut user les surfaces métalliques jusqu'à ce que les pièces ne soient plus fonctionnelles. L'étude du frottement, l'usure et la lubrification lorsque deux surfaces ou plus interagissent en mouvement relatif est connue sous le nom de tribologie, et son importance dans la science et l'ingénierie des matériaux a conduit les chercheurs à trouver de nouvelles façons d'examiner le contact mécanique sec.

Des chercheurs du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine ont récemment développé une nouvelle approche pour analyser la réponse tribologique entre l'acier et le nitrure de silicium qui se produit lorsque les deux métaux interagissent, plutôt qu'après refroidissement des échantillons.

Cette dernière méthode d'étude de l'usure peut permettre aux chercheurs d'observer des réactions chimiques fugaces qui se produisent sur le site de contact.

"Le système mécanique est très dynamique en fonctionnement, " a déclaré le Dr Stephen Berkebile, Physicien de recherche de l'armée. "S'il n'est pas capturé pendant le fonctionnement et, au lieu, mesuré lorsqu'il ne se déplace pas rapidement, les réactions chimiques transitoires et les changements physiques ne seraient pas capturés car le système peut changer après le refroidissement dû au chauffage par friction."

Berkebile a agi en tant que l'un des chercheurs de l'armée travaillant avec l'Université du nord du Texas pour étudier l'interaction de glissement entre l'acier et le nitrure de silicium. Plus précisement, l'équipe essayait de déterminer pourquoi l'augmentation de la vitesse de glissement entre l'acier et le nitrure de silicium diminuait leur taux de friction et d'usure lorsqu'ils entrent en contact.

Selon les chercheurs, l'interaction entre l'acier et le nitrure de silicium est celle qui se produit couramment lors du processus d'usinage à sec de certains outils coupants et dans les situations d'urgence avec les roulements à grande vitesse lorsqu'ils perdent leur source de lubrification, comme ceux des turbines des moteurs à réaction. Comprendre la cinétique derrière le contact glissant à grande vitesse entre ces deux métaux serait essentiel pour développer des véhicules et des équipements meilleurs et plus sûrs pour les soldats.

« Les roulements hybrides avec le contact acier/nitrure de silicium sont de plus en plus utilisés dans les turbomachines au sein des systèmes de propulsion des hélicoptères, ", a déclaré Berkebile. "De tels roulements hybrides sont de plus en plus utilisés dans les systèmes de propulsion de giravions et d'hélicoptères où ils fonctionnent à des vitesses élevées."

Les chercheurs ont mené l'expérience à l'aide d'un tribomètre Ball on Disk qui a glissé une boule de nitrure de silicium roulant contre un disque rotatif en acier chauffé à 120 degrés Celsius avec une plaque chauffante en dessous.

Un microscope stéréo-optique avec un dispositif à couplage de charge couleur, ou CCD, une caméra et une caméra infrarouge ont obtenu des données d'imagerie thermique alors que la vitesse de rotation du disque passait de 1 m/s à 16 m/s. Après, les chercheurs ont effectué une analyse des traces d'usure à l'aide d'un détecteur d'électrons à rétrodiffusion qui a cartographié la composition élémentaire des résidus de film restants.

"En combinant deux méthodes optiques avec des données de frottement en temps réel, nous avons pu comprendre la transition chimique dans le mécanisme d'usure, " Berkebile a déclaré. "Nous avons pu corréler la friction, température et état chimique du contact mécanique pendant le fonctionnement actif de l'expérience au fur et à mesure que la réaction chimique se produisait."

Selon les chercheurs, cette expérience représentait la première tentative connue d'analyse de la réponse tribologique de l'acier et du nitrure de silicium au milieu d'un essai à grande vitesse de glissement.

Par ailleurs, les données résultant de cette aventure audacieuse ont fourni de nouvelles informations sur la nature des effets tribologiques qui ont eu lieu.

L'équipe a découvert que l'échauffement par friction provoqué à une vitesse de glissement seuil d'environ 4,5 m/s induisait une réaction chimique qui laissait un film mince lubrifiant au niveau de la zone de contact fortement chargée.

Ce film mince glissant a permis à l'interaction mécanique entre l'acier et le nitrure de silicium de démontrer une friction et une usure plus faibles à mesure que la vitesse de glissement augmentait. En utilisant la nouvelle approche, l'équipe a réussi à déterminer l'heure exacte à laquelle la réaction chimique s'est produite à partir des observations du changement de couleur des traces d'usure au cours de l'expérience.

En outre, les chercheurs ont déterminé que ce phénomène est pleinement actif lorsque la vitesse de glissement dépasse 9 m/s dans des conditions de type engrenage et roulement.

Sur la base de l'analyse des traces d'usure, les chercheurs ont vérifié qu'une série de réactions d'oxydation doit avoir eu lieu en raison de l'interaction entre le fer, l'oxygène et le silicium à haute température dus au chauffage par friction.

"Nous avons constaté qu'une transition en douceur entre une réaction chimique à une autre se produit pendant la transition entre l'état de faible friction et d'usure et l'état de friction et d'usure élevé, " a déclaré Berkebile. " La réaction chimique nécessite également le maintien d'un chauffage par friction, et peut donc "s'éteindre" après quelques secondes si l'état de faible friction est atteint et que le chauffage par friction est réduit à des vitesses intermédiaires."

Selon Berkebile, cette nouvelle approche in-situ pour examiner les contacts mécaniques à glissement sec a le potentiel d'améliorer considérablement les efforts de l'armée pour développer des machines qui peuvent mieux résister aux températures élevées, charges et vitesses.

"Les hélicoptères de l'armée doivent fonctionner pendant 30 minutes après la perte de lubrification du système d'entraînement, " Dit Berkebile. " De cette étude, nous avons appris que pour les systèmes d'entraînement qui contiennent des composants hybrides, tels que les roulements en nitrure de silicium/acier, les matériaux peuvent en fait durer plus longtemps s'ils glissent à une vitesse supérieure plutôt qu'inférieure, ce qui est vraiment contre-intuitif."