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Recherche sur les roulements : modélisation jusqu’à l’échelle atomique

Cet article s’intéresse aux quatre principaux domaines de recherche explorés au sein de SKF au moyen de la modélisation : l’acier pour roulements, les mécanismes de fatigue, la formulation des polymères et la tribologie.

Auteur :
Sebastián Echeverri Restrepo, chercheur, Centre de recherche (ERC) SKF, SKF, Nieuwegein (Pays-Bas).

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Résumé

Ces dernières années, SKF a élargi ses connaissances relatives aux méthodes de simulation à l’échelle atomique, comme les méthodes DFT, DM et DPD, afin de mieux comprendre le comportement des matériaux au sein de ses produits. Ces recherches lui ont déjà permis et lui permettront encore d’innover et de faire face à des défis technologiques croissants en veillant à ce que chaque atome soit à sa place.

Imaginez que l’on puisse rétrécir au point d’être en mesure de plonger à l’intérieur de la matière solide et d’explorer la structure des atomes : les interactions entre eux, leurs mouvements, leur réaction lorsqu’une force externe est appliquée, l’influence de la température externe sur leurs propriétés et les variations de leur structure. Il serait alors plus facile de sélectionner, élaborer, traiter les matériaux utilisés pour fabriquer des produits et machines.

Au sein du Centre de recherche et d’ingénierie SKF (ERC) aux Pays-Bas, des recherches sont actuellement menées dans le but de plonger virtuellement au sein des matériaux qui composent les produits SKF afin de mieux comprendre leur comportement. Ces recherches permettront à SKF de répondre à des demandes de clients et, surtout, de mettre au point de nouveaux matériaux pour améliorer la qualité, la durée de vie et d’autres propriétés spécifiques de ses produits.

Dans la plupart des cas, l’utilisation de méthodes expérimentales suffit pour obtenir une compréhension satisfaisante de la manière dont des contraintes externes peuvent affecter les matériaux qui composent les produits et pour trouver des solutions préventives ou correctives.

Toutefois, même les techniques expérimentales les plus pointues ne permettent pas toujours de comprendre l’impact de certains phénomènes sur les matériaux. En outre, dans certains cas, comme, par exemple, celui d’un nouveau matériau ou d’un produit encore en phase de conception, le seul recours à des outils d’essai de laboratoire n’est pas toujours très efficace en termes de coûts et de temps. C’est pourquoi les méthodes par calcul sont essentielles.

Lorsqu’il s’agit de pièces mécaniques, comme des roulements, la plupart des questions posées par la conception peuvent être résolues en appliquant des techniques de simulation à une échelle relativement « grande », comme la méthode par éléments finis (MEF) couramment employée. Cependant, certaines questions très spécifiques dépassent les capacités de cet outil de modélisation et nécessitent de recourir à des méthodes de simulation alternatives mésoscopiques et microscopiques.

Afin d’acquérir une compréhension approfondie des produits SKF et d’être en mesure de traiter des problématiques susceptibles d’apparaître à des échelles de temps et de grandeur spécifiques, les scientifiques SKF développent en continu leur savoir-faire relatif aux méthodes de simulation multi-échelle. Cela signifie que différents outils (comme des lunettes grossissantes avec différents grossissements) peuvent être utilisés pour comprendre des phénomènes spécifiques qui déterminent le comportement d’un matériau dans les conditions de l’application. Les modèles utilisés par SKF s’étendent ainsi de la mécanique quantique au continuum (Fig. 1).

Plus on s’aventure dans les profondeurs du matériau, plus le temps et la puissance de calcul nécessaires pour la réalisation des simulations sont importants. C’est pourquoi SKF utilise une grappe de calculateurs haute performance de 1 536 processeurs.

Actuellement, les méthodes à l’échelle méso- et microscopique sont utilisées dans quatre grands domaines de recherche.

Conception de l’acier
Le premier domaine de recherche est lié au projet « MultiHy » [1] – de l’anglais Multiscale Modelling of Hydrogen Embrittlement (Modélisation multi-échelle de la fragilisation par l’hydrogène). Ce projet est mené par un consortium constitué de plusieurs partenaires industriels et universitaires européens et financé par l’Union européenne. La motivation initiale pour ce projet est venue de l’existence de nombreuses preuves expérimentales [2] de la réduction de la durée en fatigue des roulements et aciers structurels due à l’hydrogène. Dans le jargon technique, on parle de « fragilisation par l’hydrogène ». Le principal intérêt du projet MultiHy pour SKF est de pouvoir prédire la manière dont l’hydrogène se répand à travers les aciers pour roulements et, surtout, de découvrir les moyens d’emprisonner et d’immobiliser l’hydrogène pour neutraliser l’impact de la fragilisation par l’hydrogène sur la durée de service des roulements.

De telles simulations sur la mobilité de l’hydrogène et ses effets sur la durée en fatigue viennent compléter d’autres recherches en cours sur différentes sources d’hydrogène, comme, par exemple, les environnements humides et l’éventuelle dégradation des lubrifiants.

Du point de vue atomistique, des simulations sont réalisées en appliquant une méthode de modélisation de mécanique quantique appelée théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT de l’anglais Density Functional Theory) et couramment employée pour étudier la structure électronique de systèmes multicorps (Fig. 2). Certaines simulations visent plus spécialement à évaluer les propriétés mécaniques et l’influence de l’hydrogène dans un nouvel acier pour roulements expérimental contenant du vanadium (Fig. 3) et dans lequel l’hydrogène pourrait être emprisonné pour éviter le phénomène de fragilisation [3]. Les résultats du projet MultiHy devraient s’avérer utiles dans le cadre de la phase finale de développement de ce nouvel acier qui pourra alors éventuellement être envisagé pour des applications qui requièrent une résistance à l’hydrogène.

Mécanismes de fatigue
Le second domaine de recherche porte sur la description atomique de la microstructure des aciers pour roulements et son influence sur le comportement du matériau face à la fatigue de contact de roulement.

Pour ce projet, la méthode de la dynamique moléculaire (DM) est utilisée pour étudier la mobilité des atomes et les interactions entre eux lorsqu’une fissure apparaît, puis se propage dans l’acier (Fig. 4). La compréhension de ce phénomène devrait permettre à SKF de trouver des moyens d’allonger la durée de vie et d’améliorer les performances globales de ses produits.

Formulation des polymères
Le troisième domaine concerne l’étude des matériaux caoutchoucs chargés qui entrent dans la fabrication des joints. L’objectif global consiste à identifier et quantifier les phénomènes physiques qui se produisent à différentes échelles et influent sur le comportement quasi-statique et dynamique de contrainte-déformation du caoutchouc chargé. Ce projet est mené par SKF en collaboration avec des scientifiques des universités de Tsinghua, en Chine, et de Barcelone, en Espagne.

La dynamique de particules dissipatives (DPD) est la méthode de simulation mésoéchelle utilisée dans le cadre de ce projet pour analyser les propriétés dynamiques des fluides et polymères (Fig. 5) à des échelles qui vont au-delà de celles proposées par la méthode DM. Cette méthode permet une étude exhaustive du comportement statique et dynamique des matériaux d’étanchéité et notamment des effets des différents facteurs, comme l’interaction entre les particules de charge et les chaînes de polymère, et les modifications topologiques dans le réseau du polymère.

Tribologie
Le dernier domaine concerne le contact lubrifié entre deux surfaces [4], par exemple entre un élément roulant et une piste dans un roulement hybride. La méthode utilisée dans ce cadre est également la méthode DM. Le but est de parvenir à expliquer les différences fondamentales en termes de frottement et d’usure entre les contacts acier/acier et acier/céramique pour pouvoir par la suite améliorer les performances des roulements hybrides. Les réactions chimiques entre le lubrifiant et les surfaces peuvent également être étudiées.

Jusqu’ici, la modélisation a révélé l’existence de différences fondamentales entre contacts acier/acier et hybrides liées au frottement et à l’usure. Les résultats montrent surtout que des contacts hybrides présentent un frottement inférieur par rapport à des contacts acier/acier.

Références
[1] http://www.multihy.eu.
[2] R. A. Oriani : Annual Review of Materials Science 8, 327 (1978).
[3] B. Szost, R. Vegter, et P. Rivera-Diaz-del Castillo : Materials & Design 43, 499 (2013).
[4] D. Savio : « Nanoscale phenomena in lubrication: from atomistic simulations to their integration into continuous models ». Thèse de doctorat, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Karlsruher Institut für Technologie (2013).

Fig. 1. Échelles de grandeur des différentes méthodes de simulation utilisées au sein de SKF, à savoir la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), la dynamique moléculaire (DM), la dynamique des particules dissipatives (DPD) et la méthode par éléments finis (MEF). Fig. 2. Structure du carbure de vanadium (VC) incluant des coupes bidimensionnelles de la densité de charge (image créée à l’aide du logiciel XCrySDen).Fig. 3. Atomes d’hydrogène présents à la séparation entre le fer et un précipité composé de vanadium et de carbone (image créée à l’aide du logiciel XcrySDen).Fig. 4. Détail de l’avant d’une fissure se propageant dans le fer : les couleurs des atomes représentent la contrainte atomique (image créée à l’aide du logiciel AtomEye). Fig. 5. Exemple de modèle utilisé pour la simulation d’un polymère selon la méthode de la dynamique des particules dissipatives (DPD) : les particules bleu foncé correspondent à la charge et les particules roses représentent les chaînes du polymère (image créée à l’aide du logiciel Ovito).

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