Cette séquence d'images révèle un comportement fluide surprenant dans un morceau de métal solide glissant sur un autre, formation de défauts conduisant à l'usure des pièces métalliques. (Haut) Deux cadres d'images du flux de matière montrant comment ces défauts sont engendrés à la suite du contact. (En bas) Images au microscope électronique à balayage des surfaces d'usure correspondantes montrant une déchirure et une fissure. Des particules d'usure se forment lorsque les déchirures et les fissures se détachent des surfaces. Crédit :École de génie industriel de l'Université Purdue.
Les chercheurs ont découvert un mécanisme jusqu'alors inconnu de l'usure des métaux :un tourbillon, comportement microscopique semblable à un fluide dans un morceau de métal solide glissant sur un autre.
Les résultats pourraient être utilisés pour améliorer la durabilité des pièces métalliques dans de nombreuses applications.
"L'usure est une cause majeure de défaillance dans les applications d'ingénierie, " dit Srinivasan Chandrasekar, un professeur de l'Université Purdue en génie industriel et en génie des matériaux. "Toutefois, nos découvertes ont des implications au-delà de l'usure elle-même, s'étendant à la fabrication et à la transformation des matériaux."
Les résultats sont le résultat d'une collaboration de chercheurs de Purdue, l'Institut indien des sciences de Bangalore, Inde, et M4 Sciences, une entreprise à West Lafayette, Indiana.
"En utilisant l'imagerie haute résolution des contacts glissants dans les métaux, nous avons démontré une nouvelle manière par laquelle des particules d'usure et des défauts de surface peuvent se former, " a déclaré Anirban Mahato, associé de recherche postdoctoral de Purdue, qui travaille avec Chandrasekar; Narayan Sundaram, professeur assistant à l'Indian Institute of Science; et Yang Guo, chercheur à M4 Sciences.
Les résultats sont détaillés dans un document de recherche à paraître mercredi (23 juillet) dans Actes de la Royal Society A , une publication de la Royal Society au Royaume-Uni.
Les chercheurs, à l'aide d'un microscope, caméra haute vitesse et autres outils, avait précédemment révélé la formation de bosses, plis et caractéristiques de type vortex sur les surfaces métalliques coulissantes. Les nouveaux résultats s'appuient sur le document précédent, publié en 2012 dans Lettres d'examen physique , pour montrer comment le comportement conduit à des fissures et des particules d'usure.
Les résultats étaient contre-intuitifs car l'expérience a été menée à température ambiante, et les conditions de glissement n'ont pas généré suffisamment de chaleur pour ramollir le métal. Encore, l'écoulement tourbillonnant ressemble plus au comportement observé dans les fluides que dans les solides, dit Chandrasekar.
L'équipe a observé ce qui se passe lorsqu'un morceau d'acier en forme de coin glisse sur un morceau plat d'aluminium ou de cuivre. Les métaux sont couramment utilisés pour modéliser le comportement mécanique des métaux.
"Nous avons spéculé dans l'article précédent que l'écoulement de surface semblable à un fluide tourbillonnant découvert sur les surfaces métalliques coulissantes est susceptible d'avoir un impact sur l'usure des systèmes métalliques coulissants, " dit-il. " Maintenant, nous confirmons cette spéculation par des observations directes. "
Les observations montrent comment de minuscules bosses se forment devant le coin, suivi du mouvement tourbillonnant. Lorsque l'angle du coin est faible, le flux est laminaire, ou lisse. Cependant, il se transforme en un flux tourbillonnant lorsque l'angle est ajusté à un angle moins profond, imitant ce qui se passe dans les pièces métalliques coulissantes réelles. Au fur et à mesure que le coin glisse sur l'échantillon de métal, des plis se forment entre les bosses, et puis les plis se transforment en déchirures et fissures dans le sillage de la cale, finalement tomber sous forme de particules d'usure.
« Une seule passe de glissement suffit pour endommager la surface, et les passages suivants entraînent la génération de particules d'usure semblables à des plaquettes, " a déclaré Chandrasekar.
Le comportement a été capturé dans des films qui montrent le flux dans des couches codées par couleur juste en dessous des surfaces des spécimens de cuivre et d'aluminium.
Les défauts varient en taille de 5 à 25 microns et sont similaires à ceux trouvés dans les composants coulissants tels que les pièces de moteurs automobiles, compresseurs et de nombreux types d'équipements et de machines. 1"Dans le passé, nous ne voyions ces caractéristiques qu'après leur formation, et nous les avons attribués à divers mécanismes possibles, " dit-il. " Tiens, nous montrons un mécanisme pour leur formation. Les défauts observés se produisent également dans les surfaces créées par des procédés de fabrication tels que le meulage, polissage, brunissage, martelage, dessin, extrusion, roulant, etc, qui sont tous couramment utilisés dans la fabrication de composants structurels et mécaniques dans le transport terrestre, aérospatial, traitement des tôles et des fils métalliques, et les secteurs des systèmes énergétiques.
Les recherches en cours exploreront les voies potentielles pour réduire l'usure résultant de ce type de mécanisme. Les métaux sont constitués de groupes de cristaux appelés grains. Les travaux futurs étudieront comment la granulométrie et la ductilité d'un matériau influencent ce type d'usure, comment ces types de défauts de surface dans les processus de fabrication peuvent être éliminés grâce à la conception modifiée des outils et des matrices, modèles améliorés pour les stratégies d'usure par glissement et de contrôle de l'usure.
"Nous voulons examiner ce mécanisme dans des matériaux qui ont des cristaux plus petits - dans la gamme 5-30 microns, " a déclaré Chandrasekar. "Nous voulons montrer que le mécanisme est plus général et s'étend jusqu'aux métaux à grain encore plus fin."
