Lorsque deux surfaces métalliques glissent l'une contre l'autre, divers phénomènes compliqués se produisent, entraînant frottement et usure :de petites régions cristallines, dont les métaux sont généralement composés, peuvent être déformées, tordues ou cassées, voire fusionner. Il est important que l'industrie comprenne ces effets. Après tout, l'usure peut détruire les machines et coûter très cher.

En règle générale, plus les deux surfaces glissent rapidement l'une sur l'autre, plus l'usure est importante. Mais à des vitesses extrêmement élevées, comparables à la vitesse initiale d'une arme à feu, cela peut s'inverser :au-delà d'une certaine vitesse, l'usure diminue à nouveau. Ce résultat surprenant et apparemment contradictoire a maintenant été expliqué à l'aide de simulations informatiques par l'unité de recherche en tribologie de la TU Wien et le Centre d'excellence autrichien pour la tribologie (AC2T research GmbH) à Wiener Neustadt en coopération avec l'Imperial College de Londres.

Simulations sur des ordinateurs hautes performances

"Auparavant, le frottement et l'usure ne pouvaient être étudiés que de manière expérimentale", explique Stefan Eder (TU Wien, AC2T research GmbH). "Ce n'est que ces dernières années que les superordinateurs sont devenus si puissants que nous pouvons modéliser à l'échelle atomique les processus hautement complexes à la surface du matériau."

Stefan Eder et son équipe recréent divers alliages métalliques sur l'ordinateur - pas des monocristaux parfaits, avec un arrangement d'atomes strictement régulier et sans défaut, mais un alliage beaucoup plus proche de la réalité :un arrangement géométriquement compliqué de minuscules cristaux qui peuvent être décalés les uns des autres ou tordus dans des directions différentes, se manifestant par des défauts matériels. "C'est important car tous ces défauts ont une influence décisive sur le frottement et l'usure", explique Stefan Eder. "Si nous devions simuler un métal parfait sur ordinateur, le résultat aurait peu à voir avec la réalité."

Des résultats surprenants

L'équipe de recherche a calculé comment la vitesse de glissement affecte l'usure :"A des vitesses relativement faibles, de l'ordre de dix ou vingt mètres par seconde, l'usure est faible. Seules les couches les plus externes changent, les structures cristallines en dessous restent en grande partie intactes", explique Stefan Eder. .

Si vous augmentez la vitesse à 80-100 mètres par seconde, l'usure augmente - ce qui est normal, après tout, plus d'énergie est alors transférée dans le métal par unité de temps. "Vous entrez alors progressivement dans une gamme où le métal se comporte comme un liquide visqueux, semblable au miel ou au beurre de cacahuète", explique Stefan Eder. Les couches plus profondes du métal sont entraînées dans la direction de la surface de passage et la microstructure du métal est complètement réorganisée. Les grains individuels qui composent le matériau sont tordus, cassés, poussés les uns dans les autres et finalement tirés.

L'équipe a cependant connu une surprise en passant à des vitesses encore plus élevées :au-delà de quelque 300 mètres par seconde, ce qui correspond à peu près à la vitesse maximale des avions de l'aviation civile, l'usure diminue à nouveau. La microstructure du métal juste sous la surface, qui est complètement détruite à des vitesses moyennes, reste à nouveau en grande partie intacte.

"C'était incroyable pour nous et pour la communauté tribologique", déclare Stefan Eder. "Mais la recherche documentaire nous a montré :cet effet a été observé par d'autres scientifiques lors d'expériences. Il n'est tout simplement pas très bien connu car des vitesses aussi élevées se produisent rarement. Cependant, l'origine de cet effet n'a pas encore été clarifiée."

La fonte de la surface protège les couches plus profondes

Des analyses plus détaillées des données informatiques ont maintenant mis en lumière comment cet effet est possible :à des vitesses extrêmement élevées, le frottement génère beaucoup de chaleur, mais de manière très inégale. Seuls des patchs individuels sur les surfaces des deux métaux glissant l'un contre l'autre sont en contact, et ces petites zones peuvent atteindre des milliers de degrés Celsius. Entre les deux, la température est beaucoup plus basse.

En conséquence, de petites parties de la surface peuvent fondre puis recristalliser une fraction de seconde plus tard. La couche la plus externe du métal est ainsi radicalement modifiée, mais c'est précisément ce qui protège les régions les plus profondes du matériau :seules les couches les plus externes du matériau ressentent l'usure, les structures cristallines en dessous ne changent que légèrement.

"Cet effet, qui n'a guère été discuté jusqu'à présent, se produit avec différents matériaux", explique Stefan Eder. "Partout où le frottement se produit à des vitesses élevées à extrêmement élevées, il sera essentiel d'en tenir compte à l'avenir." Cela s'applique, par exemple, aux roulements et transmissions modernes à grande vitesse dans la mobilité électrique, ou aux machines qui rectifient les surfaces. L'effet désormais mieux compris joue également un rôle dans la stabilité des métaux lors d'un accident de véhicule ou dans l'impact de petites particules sur un avion à grande vitesse.

L'étude est publiée dans Applied Materials Today . + Explorer plus loin

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