Des chercheurs de l’EPFL reproduisent l’usure par adhérence

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Image de la simulation informatique montrant l’usure de l’adhésif su

Image de la simulation informatique montrant l’usure de l’adhésif sur une surface auto-affine. © LSMS / EPFL

Grâce à des simulations numériques haute performance, des chercheurs de l’EPFL sont parvenus à reproduire l’évolution de la rugosité d’une surface lorsque deux matériaux sont frottés l’un contre l’autre. Ce travail permet de comprendre les processus de frottement et d’usure, avec des applications allant de l’ingénierie aux failles tectoniques.

L’usure désigne le processus de perte de matériau lorsque les matériaux entrent en contact. Elle comporte d’importantes conséquences économiques, sociétales et sanitaires, notamment les émissions de particules fines dues au transport routier et ferroviaire. De plus, elle opère à tous les niveaux, de l’échelle nanométrique à la formation de gouge le long d’une faille tectonique. Le type d’usure adhésive est le mécanisme le plus important. Il survient lorsque deux surfaces sont frottées l’une contre l’autre et adhèrent lors du contact - par exemple entre deux pièces du même métal.

L’un des paramètres qui influence le processus d’usure est la rugosité des surfaces frottées. Comprendre l’évolution de la rugosité pendant les processus d’usure permettrait donc de mieux contrôler ce phénomène, ce qui entraînerait, au bout du compte, une réduction significative de la consommation d’énergie, des émissions de gaz à effet de serre et des coûts.

Reproduction inédite

Pour la première fois, des chercheurs de l’EPFL ont reproduit numériquement l’évolution des surfaces avec un résultat ressemblant à ce qui est observé de manière expérimentale. La particularité de ces simulations numériques est leur durée. Les chercheurs ont utilisé une méthodologie développée à l’EPFL qui permet de simuler des processus longs et, ainsi, de capturer toute l’évolution de la surface depuis la géométrie initiale, jusqu’à la géométrie fractale finale. L’étude, issue du Laboratoire de simulation en mécanique des solides (LSMS), est parue le 8 mars dans Nature Communications .

Avec cette étude, le Laboratoire LSMS poursuit son expertise sur l’usure par adhérence: en 2016, ses chercheurs avaient publié une première étude dans Nature Communications , qui expliquait quand se formaient les particules fines liées à l’usure par adhérence. En 2017, poussant leurs simulations numériques plus loin, ils ont publié une nouvelle étude dans Proceedings of the National Academy of Sciences montrant qu’il est possible de prédire le volume, la forme et la taille de ces débris. Les scientifiques sont encore loin d’avoir une compréhension globale et approfondie de la physique sous-jacente à l’usure et les ingénieurs doivent se fier à des expériences spécifiques à chaque cas. Ce que l’on sait toutefois, c’est que les surfaces usées présentent souvent une morphologie fractale caractéristique, appelée auto-affine, qui possède certaines propriétés fondamentales indépendamment des matériaux et de l’échelle. Les origines de cette morphologie auto-affine sont toutefois encore inconnues.

L’évolution de la rugosité des surfaces a rarement été étudiée, ou alors, le plus souvent, de manière expérimentale. L’un des obstacles à l’expérimentation est qu’il est difficile de suivre l’évolution de la morphologie de surface pendant le processus de glissement, en raison de la formation de débris d’usure. Les chercheurs ont ainsi surmonté ce problème en reproduisant le phénomène numériquement, avec des données disponibles pour chaque instant du processus.

Simulations numériques

"Nous avons utilisé des simulations numériques haute performance pour suivre l’évolution de la morphologie de surface des matériaux en 2D ", explique Enrico Milanese, doctorant au Laboratoire de simulation en mécanique des solides (LSMS). "Nous avons remarqué dans nos simulations que le contact entre les deux surfaces induit toujours la formation d’une particule de débris d’usure. Cette particule est ensuite forcée de rouler entre les deux surfaces en les travaillant. Nos observations nous amènent donc à la conclusion que la présence de débris d’usure est nécessaire pour que les surfaces développent la morphologie typique de l’auto-affine".

A l’avenir, les scientifiques espèrent étendre leur méthodologie pour étudier les origines de cette évolution dans une modélisation 3D et avec des matériaux susceptibles d’intéresser l’industrie.

Références

Enrico Milanese, Tobias Brink, Ramin Aghababaei, and Jean-François Molinari," Emergence of self-affine surfaces during adhesive wear", Nature Communications, 8 mars 2019.

10.1038/s41467-019-09127-8