Etude à l'échelle atomique des phénomènes de génération de chaleur par frottement sec entre métaux

par Emmanuel Bournez

Thèse de doctorat en Énergétique et thermique

Sous la direction de Martin Raynaud.


  • Résumé

    Le frottement affecte presque tous les systèmes mécaniques qui possèdent des pièces en mouvement. Il engendre une dissipation d'énergie et provoque une élévation de la température au contact. Depuis une quarantaine d'années, des modélisations macroscopiques et microscopiques du couplage thermique entre deux solides en glissement relatif ont été développées pour prédire le champ de température dans la région interfaciale. Toutefois, une connaissance approfondie des phénomènes physiques responsables de la génération de chaleur contribuerait probablement à parfaire les résultats obtenus jusqu'ici. Dans cette perspective, notre étude à l'échelle atomique du frottement sec entre deux solides métalliques vise à identifier et localiser les mécanismes à l'origine de la dissipation d'énergie en chaleur. Elle porte essentiellement sur la simulation du comportement tribologique d'un nanocontact, composé d'une pointe de faible rayon de courbure et d'une surface atomiquement plane, par la technique de la dynamique moléculaire dans différentes conditions de chargement, de vitesse de glissement et de température. Cette recherche met en évidence d'une part les effets de l'attraction entre les couches atomiques superficielles des cristaux en contact, appelée adhésion, d'autre part l'apparition de déformations plastiques à l'interface. Durant le déplacement relatif de la pointe et du substrat, deux phénomènes impliqués dans le dégagement de chaleur se produisent : le stick-slip et le blocage ou la disparition de dislocations qui, générées à l'interface, peuvent se mouvoir le long des plans de glissement de la structure cristalline sous l'effet des efforts appliqués au contact.

  • Titre traduit

    = Study at the atomic scale of the phenomena responsible for heat generation by dry friction between metals


  • Résumé

    Friction occurs between the surfaces in relative motion in numerous mechanical systems. It relates to energy dissipation and temperature rise near the contact. For decades, macroscopic and microscopy modeling of the thermal coupling between two solids in sliding motion have been developed to predict the temperature profile around the interface. However, a better understanding of the physical phenomena responsible for heat generation would probably enhance modelings that have been implemented up to now. With this aim in view, our research is focused on the study of dry friction at the atomic scale between metallic sliding solids. The dynamic behaviour of a single contact, composed of a tip whose radius of curvature measures a few nanometers and of an atomically flat surface, is simulated thanks to the molecular dynamics technique for different loads, sliding velocities and temperatures. This work highlights on the one hand the effects of the attractive phenomenon between the atoms of the surface atomic layers when two crystals come into contact, namely adhesion, on the other hand the generation of plastic deformations at the interface. During the sliding motion, two mechanisms involved in heat release appear: the stick-slip phenomenon and the sticking or the annihilation of dislocations that are generated at the interface and move along glide planes owing to the pressure and shear forces that the contact undergoes.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (166 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.161-166

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2604)
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