Ph.D. Thesis: Modeling the origins of wear across scales
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Présentée le 23 juin 2022
à la Faculté de l’environnement naturel, architectural et construit
Laboratoire de simulation en mécanique des solides
Programme doctoral en mécanique
pour l’obtention du grade de Docteur ès Sciences
par
Son-Jonathan Pham-Ba
Acceptée sur proposition du jury
Prof. M. Violay, présidente du jury
Prof. J.-F. Molinari, directeur de thèse
Prof. R. Aghababaei, rapporteur
Prof. W. Curtin, rapporteur
Prof. N. Fillot, rapporteur
Abstract
Friction and wear occur at every interface between solid materials. In the design of mechanical devices, it is desirable to be able to quantify and control the amount of friction and wear, as well as predict their evolution with time. "Tribology" is the science of interacting surfaces in relative motion, which involves many phenomena such as friction, wear, lubrication, and corrosion. Phenomenological models can be used to make predictions on tribological behaviors (the Coulomb's friction law, for example), but they must be tuned with experimental values, that are not directly available when developing novel materials or surface treatments. From a scientific point of view, these models give little to no insight into the mechanisms involved. This thesis aims to enhance the current understanding of dry friction and wear at a more fundamental level.
All surfaces are rough over a range of length scales, whether they are man-made or natural. When two rough surfaces are put into contact with each other, only a fraction of the total apparent area is actually in contact. To study friction and wear in this context, we must go down at the scale of the smallest asperities of the rough surfaces, where contact happens. The main goal of this thesis is to acquire an understanding of adhesive wear from the nanoscale, and establish a link with the larger scales. To do so, we start by working at the asperity scale, using analytical theories and molecular dynamics simulations to investigate the wear of several interacting micro-contacts. The elastic interactions enable the emergence of a wear regime featuring large wear volumes that are not observed when considering the micro-contacts in an isolated manner, predicting the existence of a severe wear regime. The emergence of severe wear is also found with rough contacts at a larger scale, solved using the boundary element method. To upscale the dynamical nanoscale processes of friction and wear uncovered during this thesis, a coarse-grained discrete element model was formulated. This model is capable of reproducing the adhesive wear mechanisms observed with molecular dynamics, and it can handle more complex situations involving the creation of third-body particles and a third-body layer. The temporal evolution of tribological interfaces is investigated using this model and with the help of physical experiments. We found that the wear process starts with the formation of small wear particles, whose size is dictated by the material properties. The particles grow and merge into a third-body layer, responsible for the macroscopic roughness and providing the sliding resistance. Finally, using some of the knowledge earned along the way, a practical case was investigated. The tribological influence of an oxide layer on silicon samples was assessed using experiments and numerical simulations. We found that the presence of the oxide layer reduces the wear rate of the protected piece, but increases the friction coefficient.
While this thesis was restricted to the study of unlubricated adhesive wear, its founding principles and the developed tools could be used to look at abrasion and lubricated contacts.
Keywords: tribology, asperity, severe wear, rough surface, third-body layer, molecular dynamics, discrete element method, boundary element method, pin-on-disc, silicon
Résumé
La friction et l'usure apparaissent dans toutes les interfaces entre matériaux solides. Lors de la conception de systèmes mécaniques, il est souhaitable de pouvoir quantifier et contrôler ces phénomènes, ainsi que de prédire leur évolution dans le temps. La "tribologie" est la science traitant de l'interaction de surfaces en mouvement relatif. De nombreux phénomènes entrent en jeu, tels que la friction, l'usure, la lubrification et la corrosion. Des modèles phénoménologiques peuvent être utilisés pour émettre des prédictions (par exemple, la loi de frottement de Coulomb), mais ils doivent être calibrés sur des mesures expérimentales, indisponibles lorsque l'on développe des matériaux novateurs. D'un point de vue scientifique, ces modèles donnent peu, voire aucun renseignement sur les mécanismes physiques en jeu. Cette thèse a pour but d'enrichir la compréhension actuelle du frottement sec et de l'usure d'un point de vue fondamental.
Toutes les surfaces sont rugueuses à plusieurs échelles de longueur. Lorsque deux surfaces sont mises en contact, seulement une fraction de l'aire totale apparente sera réellement en contact. Pour étudier la friction et l'usure dans ce contexte, il faut se placer à l'échelle des plus petites aspérités présentes sur la rugosité des surfaces, là où le contact se produit. L'objectif principal de cette thèse est d'acquérir une compréhension de l'usure adhésive à partir de l'échelle nano, puis d'établir un lien avec les échelles plus grandes. On commence par étudier l'usure de plusieurs micro-contacts en interaction. Les interactions élastiques permettent l'émergence d'un régime présentant de grands volumes d'usure : un régime d'usure sévère. L'apparition de l'usure sévère s'applique aussi aux contacts entre surfaces rugueuses. Afin de rapporter aux plus grandes échelles les mécanismes nano dynamiques de friction et d'usure découverts dans cette thèse, un modèle d'éléments discrets coarse-grained (grains grossiers) est formulé. Ce modèle est capable de reproduire les mécanismes d'usure adhésive observés avec la dynamique moléculaire. Il peut aussi traiter des situations plus complexes, mettant en jeu des particules (voire une couche) de troisième corps. L'évolution temporelle des interfaces tribologiques est étudiée à l'aide de ce modèle ainsi que d'expériences physiques. On observe que le processus d'usure débute par la formation de petites particules d'usure. Les particules grossissent et fusionnent en une tribo-couche, responsable de la rugosité macroscopique et de la résistance au glissement. Pour terminer, en utilisant les connaissances obtenues en chemin, un cas pratique est abordé. L'influence tribologique d'une couche d'oxyde présente sur des pièces en silicium est étudiée à l'aide d'expériences et simulations numériques. On constate que la présence de la couche d'oxyde réduit la vitesse d'usure de la pièce, mais augmente son coefficient de friction.
Bien que cette thèse soit restreinte à l'étude de l'usure adhésive non lubrifiée, les principes sur lesquels elle est fondée et les outils développés pourraient être utilisés pour se pencher sur le phénomène d'abrasion et sur les contacts lubrifiés.
Mot-clés: tribologie, aspérité, usure sévère, surface rugueuse, tribo-couche, dynamique moléculaire, méthode des éléments discrets, méthode des éléments de frontière, pin-on-disc, silicium