Nanoscale Wear Processes
The wear process remains one of the least understood areas of mechanics. While it is well known that wear and friction are governed by contacts between microscopically rough surfaces, the exact nature of the interactions—even between individual asperities—remained elusive for decades. This has restricted wear prediction to empirical models with limited transferability. One reason that a widely agreed upon understanding of the wear mechanism has not been reached, is that direct modeling of the adhesive wear process presents a substantial challenge.
In our lab, we use molecular dynamics simulations to investigate these phenomena from the “bottom up” at the nanoscale. We developed simple model potentials with tuneable plastic properties, allowing us to control failure length scales more freely than with more realistic materials models. This has allowed us to conduct atomistic simulations that capture the fracture-induced debris formation during the adhesive collision between surface asperities for the first time. Systematic studies reveal a characteristic length scale that controls the adhesive wear mechanisms at the asperity level: This length scale provides a critical adhesive junction size where bigger junctions produce wear debris by fracture, while smaller ones smooth out plastically. Based on this observation, we could formulate a simple analytical model that predicts the transition in the asperity-level adhesive wear mechanisms in both the simulation results and experiments.
The videos below demonstrate the two mechanisms:
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Using these first insights and our new modelling tools, we currently work on understanding the more complex interactions that occur in realistic contact scenarios.
Media Coverage:
EPFL News, Cornell News, Phys.org
Etude avec abaques et diagrammes relative à l’échauffement des bandages des roues de véhicules de chemin de fer par suite du freinage, en fonction de la vitesse de marche, de la vitesse de chute verticale et de la résistance au roulement
Lausanne, s.n., 1920.Forces d’inertie du système piston-bielle-manivelle
Genève, s.n., 1923.Application des équations de Lagrange à l’étude du mouvement et des vitesses critiques des rotors à forte allure
Luxembourg, EPFL, 1925.Calcul de la coupole du Reichstag à Berlin par la méthode dualistique de M.B. Mayor
Lausanne, s.n., 1926.Oximation de la 4-amino-B-naphtoquinone et de ses dérivés
1927.Torsion d’un cylindre creux dont la section droite est limitée par deux cercles excentriques
Lausanne, s.n., 1927.Le régulateur automatique pour machines électriques, pendant l’opération de réglage
Lausanne, Payot, 1928.Recherches sur la dynamique des courants déversants en régime hydraulique permanent
Lausanne, s.n., 1928.Etude de la nitration de l’acide dibromo-2,4-benzoïque
1929.Recherches dans les groupes de diazines et fluoridines
1929.Contribution à l’étude des dérivés nitres de l’acide O-iodo-benzoïque
1930.Etude de quelques colorants aziniques, oxaziniques et thiaziniques
1933.[Etude de la mobilité de l’halogènes dans les acides ci-dessus]
1933.Konstruktionsaufgabe Leitschaufelkonstruktion
Zürich: Maschinenslaboratorium ETHZ, 1933.[Réaction de Friedel et Crafts]
1934.Etude de la B-Naphtoyl – Hydrazine
1934.L’influence des limites de la veine fluide sur les caractéristiques aérodynamiques d’une surface portante
Zurich, EPFL, 1934.Essaie de synthèse directe de quelques dérivés de la C-Diphényl-Carbazine
1937.Contribution à l’étude des pertes par courants de Foucault dans les bobines cylindriques à une ou plusieurs couches
Lausanne, s.n., 1937.Etude de quelques écoulements permanents à filets courbes
Lausanne, s.n., 1937.Points de fusion des mélanges de quelques dérivés de l’acide a-naphtoique
1938.Etude théorique et expérimentale de la chimie des glucides
1938.Contribution à l’étude de l’isatine et de quelques uns de ses dérivés
1940.Contribution à l’étude des composés possédant un groupe nitro mobile
1940.Préparation de quelques indophénols, indamines et dérivés
1940.Etude de quelques écoulements souterrains
Lausanne, s.n., 1940.La chambre d’équilibre différentielle à amortissement immédiat
Lausanne, s.n., 1940.Etude de quelques colorants azoïques
1941.Beitrag zu den in der Schweiz Durchgeführten Versuchen mit Kunststofflagen
1943.Théorie des erreurs de l’orientation relative
Lausanne, s.n., 1943.Etude de quelques écoulements souterrains et superficiels dans les sols assainis
Lausanne, s.n., 1943.Gélivité des sols et fondation des routes
Lausanne, s.n., 1943.Contribution à l’étude des dérivés nitrés et aminés des acides o-chloro et o-bromo-benzoïques
Lausanne, s.n., 1943.[Préparation du nitrile de l’acide 4,5-dinitrosalicylique]
1944.Contribution à la théorie des moteurs à combustion interne
Lausanne, s.n., 1944.Sur la transmission des efforts dans un raidissement intercalé entre les ailes d’un profilé double T à larges ailes parallèles
Lausanne, s.n., 1944.[Synthèse de quelques parfums]
1945.Travail de chimie minérale
1945.Travail de chimie minérale
1945.Préparation des manganates alcalins et alcalino- terreux, leur cristallisation et leur analyse
1945.Principales publications concernant les silfarséniates et sulfoxyarséniates
1945.Etude de quelques colorants azoïques chromatables
1946.Etude de l’isatine et quelques dérivés
1946.Synthèse de quelques parfums
1946.Analyse de l’hydrosulfite de sodium
1946.Système KNO3 – Ca(NO3)2 – H2O à 25°
1946.Travail de diplôme : laboratoire de chimie minérale
1946.Ecoulement laminaire, écoulement turbulent
1946.Synthèses des résines vinyliques
1947.Etude de quelques méthodes de synthèse de l’indigo
1947.Méthodes de préparation des colorants oxaziniques
1947.Untersuchungen über das ternäre System von KNO3 – NH4NO3 – H2O bei 25 C°
1947.Etude du système NH3 – P2O5 – H2O
1947.Etude des diagrammes de solubilité des systèmes : I. Ca(NO3)2-HNO3-H2O à 0° II. Ca(NO3)2-HNO3-Ca3(PO4)2-H3PO4-H2O à 0°
1947.Etude du diagramme de solubilité du systeme NH3-H3PO4-HNO3-H2O à 25°
1947.Synthèse de l’acide 4,5-dinitro-2-méthyl-benzoïque
1948.Synthèse de deux colorants carbaziniques
1948.Préparation du p-disazobenzene et de quelques dérivés
1948.Essais de synthèses des acides 4,5-dinitro-2-iodo-benzoïque, 3,4-dinitro-et 4,5-dinitro-2-acetamino-benzoïques
1948.Composés organosiliciés
1948.Synthèse de quelques dérivés du D-glucose et du D-galactose
1948.[Les sulfamidés…]
1948.Titrage de métaux à l’aide de complexons
1948.Recherche et dosage du mercure dans l’atmosphere
1948.Etude du système salicyclate;anthranilate de calcium
1948.Dosage NH4+ et H3PO4- par titrage acidimétrique
1948.Dosage des nitrates par la réduction en sels d’ammonium en milieu acide
1948.a) Dosage des nitrates par réduction en sels NH4+ en milieu acide b) Dosage de NH2OH par réduction en sels NH4+ en milieu acide
1948.Contribution à l’étude des redresseurs à oxyde cuivreux
Zurich, Orell Füssli, 1948.Quelques composés organo-métalliques et métalloidiques
1949.La chimie du glycérol
1949.Mobilité des halogènes des dérivés nitronaphtaléniques et essais de préparation de l’acide 2,4-dinitro-naphalène-1-sulfonique
1949.Synthèse de quelques parfums
1949.Synthèse de l’acide 2,4-diacétamino-5-nitro-benzoïque
1949.Résines synthétiques
1949.[Préparation des indicateurs suivants, Benzylorange, rouge d’a-naphylamine…]
1949.Méthode de dosage volumétrique des phosphates
1949.Hydrosulfite de sodium
1949.Etude d’une technique de travail avec thermostat à 50°. Etude du système NH4+ – H+ – PO4— – H2O
1949.Construction d’appareils permettant la préparation de sels de chrome
1949.Essais pour l’introduction de quelques ions rares dans l’analyse systématique des cations
1949.1. Etude des propriétés de certains “éléments rares”. Essais d’analyse qualitative des anions en présence de ces “éléments rares” 2. Etude des propriétés de certains phosphates, hypophosphates et phosphites. Méthodes de séparation et d’identification de ces phosphates
1949.Mémoire relatif aux calculs hydrauliques d’une pompe axiale destinée a refouler de l’eau dans une conduite existante
Lausanne: EPFL, 1949.Etude d’un procédé électrolytique de fabrication du manganèse pur à partir des minerais
Milano, EPFL, 1949.Étude des méthodes de synthèse du triacétyl – 1.3 – diamino – 2 – naphtol
1950.Quelques colorants substantifs dérivant de la benzidine et de la dianisidine
1950.Essais de synthèse de l’acide 2-fluoro-3,5-dinitro-benzoïque
1950.Etude de l’acide dinitro-3,5-fluoro-2-benzoïque
1950.Acide 2-iodo-3,5-dinitro-benzoïque et 5,7-dinitro-indazolone
1950.1) Spectrophotomètre Beckmann 2) Analyses spectrophotométriques 3) Acide 0- et p- oxy-benzoïques et leurs sels de Ca
1950.Le dosage des fluorures dans les phosphates
1950.Essais pour le dosage de l’anion fluorure
1950.Système AlPO4—-HNO3-H2O.
1950.Dosage du Bore dans les engrais phosphatés
1950.Titrage potentiométrique de l’argent
1950.La préparation électrolytique du manganèse
Milano, s.n., 1950.Synthèse de quelques médicaments
1951.Dosage des isomères gamma et delta de l’hexachlorocyclohexane par chromatographie d’adsorption sur gel de silice
1951.Etude de quelques colorants substantifs
1951.Essai du dosage colorimétrique du sodium au Beckmann
1951.Surface roughness
Real contacts between two bodies consist of multiple asperity contacts on rough surfaces. As such, any macroscopic description of wear that is not just empirical needs to take the surfaces roughness and actual asperity contact geometry into account. While we also work with continuum models to treat such contact problems, it is very challenging to model the evolution of rough surfaces in wear conditions. Here, atomistic models can provide a way to explore such evolution, since they implicitly include realistic plastic and fracture behavior on the nanoscale.
Dry contact of metals
In our lab, we use molecular dynamics simulations to investigate the effects of two materials in dry contact. For example, we investigate how the contact surface evolves when two bodies are pressed together in normal and sliding contact. Materials, loading conditions, and surface topographies all play a part in the evolution of dry contact. These different parameters are all studied in depth in our group.
In the above figure, an example of an atomistic representation of a rough aluminium surface is depicted. From a macroscopic point of view this surface might be considered flat, but this is clearly not the case at the atomistic level.
This figure shows the real contact area (red and blue atoms) of two rough surfaces in contact. The contact pressure is 0.05 GPa and the RMS roughness is about 1.0 nm.
We have used molecular dynamics simulations in the past to model dry friction of two rough deformable surfaces and found that friction increases with RMS roughness. Nevertheless, RMS roughness is altered during the sliding motion and as evidenced by surface flattening which closely matches the apparent friction with an exponential decay and reduces it to almost zero. This gave us insights into rate and state friction, but also called for the study of other mechanisms which are involved in recreating or preserving roughness at the contacting asperities.
With our new insights at the asperity level, we now know that the critical asperity size for debris formation in metals is too large for atomistic simulations, even using state-of-the art supercomputers. Currently, we are therefore using our newly-developed model potentials—which allow tuning the critical asperity size—in order to gain insights into roughness evolution in the presence of debris formation.