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Réduire les pertes aux zones de contact

Les systèmes mécaniques comme les engrenages et les pistons ont des pièces mobiles qui entrent en contact, engendrant une friction qui fait perdre de l'énergie. Un modèle mixte associe des descriptions des interfaces de glissement aux niveaux atomistique et du continuum, et montre comment optimiser la conception au bénéfice de l'efficacité.
Réduire les pertes aux zones de contact
Les aspérités de petite taille peuvent engendrer des pressions et des forces de cisaillement élevées. Celles-ci peuvent entraîner des adhérences, un écoulement plastique ou même une cassure. La friction accrue augmente l'énergie consommée, ce qui diminue le rendement du système mécanique et augmente les rejets de gaz carbonique (CO2).

En connaissant mieux la contribution à la friction de l'écoulement plastique et de la rupture, on pourrait optimiser les surfaces et les revêtements pour réduire les frottements, la consommation d'énergie et les rejets de CO2. Il faut pour cela disposer de connaissances détaillées de l'évolution de la surface pendant une déformation plastique, à des échelles allant du nanomètre (échelle atomistique) au millimètre (visible à l'œil).

Les scientifiques du projet TOPOGRAPHY EVOLUTION, financé par l'UE, ont notablement fait avancer le modèle de couplage nécessaire pour couvrir toutes ces échelles. Le modèle du continuum s'appuie sur la résolution de problèmes de valeurs aux limites ou de systèmes d'équations différentielles dotées de contraintes supplémentaires relatives aux conditions limites (à l'aide de la fonction de Green). Les chercheurs l'ont intégré avec des algorithmes de pointe en dynamique moléculaire (la seconde méthode) pour coupler un système atomistique à une limite élastique.

Les calculs à l'échelle atomistique prédisent comment l'adhésion change la zone de contact, et aussi dans quelles conditions les surfaces deviennent «collantes». Ceci pourrait servir à améliorer les adhésifs et pour concevoir des systèmes avec une adhérence minimale. Le modèle a aussi apporté des informations sur la façon dont la géométrie à l'échelle atomique et la plasticité modifient la répartition de la pression et la zone de contact dans un solide atomique.

Enfin, les chercheurs ont étudié le carbone amorphe, un matériau de revêtement très résistant à l'usure, pour comprendre la déformation plastique au niveau des jonctions entre aspérités. Ils ont constaté des déformations localisées par cisaillement, qui limitent les dommages au niveau de l'interface, évitant les grandes déformations profondes et l'usure du revêtement.

Le nouveau modèle hybride atomistique produit par TOPOGRAPHY EVOLUTION stimule la compréhension de l'adhérence et de la plasticité dans les systèmes mécaniques présentant des limites interfaciales. Cela permettra d'optimiser les structures et les revêtements de surface pour une friction, une consommation d'énergie et des émissions de CO2 réduites.

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Mots-clés

Systèmes mécaniques, friction, atomistique, continuum, aspérité, évolution de la topographie