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La tribologie dans la vie et dans l'enseignement.
Tout être humain pratique le frottement comme pratiquait la prose. Il suffit, pour s'en convaincre, de considérer à quel point nos gestes les plus courants intègrent les s de frottement. Peu de gens en ont réellement conscience. Ces forces, techniciens et ingénieurs doivent apprendre à les utiliser autant qu'à les combattre. La maîtrise de l'usure et de la des machines est d'ailleurs, dans nos Sociétés où l'humanisme cède trop souvent la place à des « valeurs » d'une toute autre nature, une arme économique redoutable.
Que serait notre monde sans frottement ni adhérence ? Imaginons nos voitures et nos trains patinant sans espoir d'avancer, si ce n'est dans les pentes descendantes, quant aux vélos ... Impossible de lacer nos chaussures, d'ailleurs inutiles car nous ne pouvons plus marcher. Plus de nœuds de cravate, ni de tas de sable, ni d'assemblages cloués ou vissés, ni d'échelles appuyées aux murs. Un monde sans frottement serait encore plus invivable qu'un monde avec des frottements décuplés ...
La tribologie est trop peu enseignée, pour de multiples raisons. Les responsables des programmes pédagogiques ignorent eux-mêmes à peu près tout de ce domaine et de ses aspects économiques. L'absence presque totale de lois physiques reconnues interdit les brillants exposés magistraux et les savants calculs qui « valorisent » leurs auteurs ; la masse considérable de connaissances encyclopédiques nécessaire à un enseignement sérieux ne peut être acquise qu'au fil des années. Ici, l'expert que l'on interroge doit bien souvent avouer son ignorance ; avançant lui-même à tâtons, avec d'autant plus de difficulté qu'il s'est aventuré plus loin, il n'a pas le beau rôle. En outre, les données vraiment utiles sont plus dispersées dans le flot des publications et la masse des idées reçues que les pépites dans le sable des torrents.
N'est-il pas étonnant par exemple de constater que sur 100 roulements à billes ou à rouleaux détruits, 9 seulement l'ont été par le processus d'usure « naturel » qui sert de base à leur calcul ... En fait, les deux tiers des avaries sont dues à des défauts de lubrification et/ou de montage, au sens très large du terme, et ces questions-là ne sauraient être traitées à l'aide de quelques équations.
Partager ses connaissances, ouvrir des portes sur l'inconnu, offrir aux lecteurs l'occasion d'être curieux, est passionnant. Mais enseigner la technique n'est pas seulement faire un « arrêt sur l'image », c'est aussi réfléchir à son évolution. C'est pourquoi nous ne manquerons pas d'évoquer aussi les aspects historiques du sujet.
Petit lexique français-anglais.
La langue anglaise est à la fois plus précise et plus imprécise que la langue française pour tout ce qui concerne les notions tribologiques. Voici les correspondances de quelques termes que le lecteur trouvera couramment dans la littérature technique :
Des difficultés particulières ....
Le frottement est multiforme et ne se laisse pas découvrir facilement. Chacun de ses aspects, pour être compris, nécessite la compréhension de beaucoup d'autres.
« Cette question des frottements est une des plus complexes qu'ait à connaître le mécanicien : les phénomènes observés y sont fonction d'un nombre remarquablement élevé de facteurs ; eux-mêmes sont des notions fluctuantes dépendant de plusieurs variables et s'imbriquant les unes dans les autres », écrit Jean-Jacques Caubet (Théorie et pratique industrielle du frottement).
Savoir comment une craie écrit sur un tableau, ou un crayon sur du papier, ne permet pas de pronostiquer qu'un objet A écrira sur un objet B. À cause des phénomènes de frottement, les calculs théoriques ne suffisent pas pour garantir que les machines que l'on projette de réaliser fonctionneront à coup sûr. Les techniciens et les ingénieurs doivent disposer d'une panoplie de solutions éprouvées et connaître les erreurs à éviter. Bien que l'expérience de l'humanité soit relativement riche, maints problèmes apparemment anodins n'ont reçu à ce jour aucune solution vraiment satisfaisante : par exemple, on ne sait pas très bien fixer les tuyaux ... et celui qui trouvera LA solution sera à l'abri de la misère pour plusieurs siècles.
Les manifestations du frottement.
Elles ne sont pas toutes évidentes !
Diverses approches de la tribologie.
La tribologie peut être approchée de diverses manières :
Modélisation des actions de contact.
Il est important de savoir comment représenter les actions mécaniques, et spécialement celles qui sont liées aux résistances passives, avant de se lancer dans de savants calculs ...
Genèse des frottements.
Les causes du frottement, telles qu'on les imagine de nos jours, sont multiples et interdépendantes. De tous temps on a cherché à comprendre ce phénomène, avec plus ou moins de succès, par la spéculation intellectuelle et par l'expérience.
C'est aux Anglais Bowden et Tabor que l'on doit d'avoir énoncé pour la première fois des idées claires sur le sujet, mais il est intéressant de considérer les divers cheminements intellectuels qui ont été suivis au cours des siècles.
Une étude complète du problème ne saurait se limiter aux seules surfaces d'objets réputés secs et propres, puisqu'une partie au moins des résistances passives a son origine à l'intérieur même des matériaux et dans les films lubrifiants solides, liquides et gazeux dont on fait largement usage dans les machines. Le frottement immédiat entre deux pièces mécaniques, c'est-à-dire celui qui a lieu sans interposition du moindre produit, lubrifiant ou autre, est l'exception. Le frottement médiat, qui met en jeu d'autres éléments que les deux pièces dont on veut assurer le contact, est la règle.
Nature et comportement des surfaces.
Le frottement et l'usure mettent en jeu les surfaces de contact ou plus précisément les interfaces, où se produisent des transformations irréversibles qu'il faut considérer de plusieurs points de vue :
On en tire des conclusions essentielles pour les processus industriels de fabrication des surfaces frottantes.
Les différentes formes d'usure.
La vie d'un mécanisme comporte normalement trois phases : rodage, vie utile, vieillesse. L'usure est rapide en début de rodage et pendant la vieillesse.
L'abrasion est due à une des pièces qui lime l'autre ou à un troisième corps plus dur que les deux pièces. Ici plus encore qu'ailleurs il faut éliminer les débris d'usure.
L'adhésion vient de la solubilité mutuelle des matériaux des pièces. La rupture adhésive des jonctions donne lieu à une usure douce, la rupture cohésive à une usure sévère pouvant aboutir au grippage.
La corrosion est due à des phénomènes chimiques et non au frottement, mais elle interagit avec ce dernier.
La corrosion de contact ronge les surfaces soumises à de petits déplacements tangentiels, à une vitesse exponentielle si le milieu est oxydant.
Les surcontraintes sont dues au passage d'un frotteur trop chargé ou à des efforts de frottement trop élevés. On peut trouver des fissures de tension derrière le frotteur, un fluage par compression devant ce dernier ou des déformations profondes par cisaillement.
La fatigue provoque des piqûres superficielles ou un écaillage par endommagement progressif en profondeur.
L'érosion est une perte de matière par des impacts de particules en suspension dans un fluide.
L'érosion par cavitation correspond à un arrachement de matière engendré par l'effet cumulatif des ondes de choc provoquées par l'implosion brutale de bulles de vapeur sur une paroi ou à son voisinage immédiat. Elle ne se produit que dans les zones où se trouve un liquide en dépression (col Venturi, sur-vitesse locale due au contournement d'un aubage, ...).
La fatigue thermique est due à des échauffements et refroidissements brutaux et répétés.
Il est généralement admis que les pertes économiques par usure représentent de 6 à 10 % du Produit National Brut des pays industrialisés.
L'usure représente 30 % des causes d'avarie dans les applications mécaniques. L'importance relative des différents modes d'usure est la suivante :
Jean-Jacques Caubet a énoncé 7 règles fondamentales pour le constructeur, mettant l'accent sur l'importance du rodage et la nécessité de bien définir les protocoles de fabrication.
Matériaux utilisables pour le frottement.
Le choix d'un matériau de frottement est un problème d'optimisation entre des qualités souvent contradictoires :
Traitements et revêtements de surfaces.
L'ère des traitements et revêtements de surfaces commença à la fin du XIXe siècle. Les débuts furent timides : quelques dépôts électrolytiques et la cémentation. Bien d'autres traitements suivirent : nitruration, phosphatation, Sulfinuz, Tenifer, carbonitruration, etc.
Depuis 1950 c'est l'essor de l'aéronautique, de l'espace, de l'atome, du génie chimique. Les mécanismes doivent fonctionner dans le vide, l'eau lourde, le sodium fondu, l'hydrogène, les acides... et il ne faut ni polluer ni consommer trop de matières ou d'énergie. Si le mécanicien est en général assez bien armé dans les premières phases de l'étude d'une machine, il l'est en revanche beaucoup moins pour la mécanique des surfaces : les innombrables résultats fondamentaux et expérimentaux accumulés depuis des décennies n'ont pas encore trouvé leur place dans un ensemble cohérent et efficace.
Empêcher les contacts inter métalliques revient à améliorer la lubrification, ou à renforcer le manteau protecteur naturel d'oxydes, ou à créer un manteau protecteur artificiel. Ce dernier peut être sécrété par le métal lui-même, comme le graphite des fontes, ou apporté de l'extérieur, comme le sulfure de fer engendré par le Sulfinuz.
Il n'existe pas de loi générale ni de méthode cohérente de choix, si ce n'est la règle des trois couches :
Les divers traitements ou revêtements peuvent être classés dans l'une des catégories suivantes :
Les deux buts essentiels des traitements et revêtements de surface sont la lutte contre le frottement et la limitation de l'usure.
Cette dernière varie de façon complexe avec les matériaux et leurs traitements. Par exemple, avec un coussinet en bronze au plomb, l'usure est plus forte en présence d'un arbre en acier cémenté qu'avec un arbre chromé. C'est exactement l'inverse avec un coussinet en alliage aluminium-étain. Il faudrait connaître les résultats donnés par toutes les combinaisons possibles de matériaux, de traitements, dans toutes les ambiances imaginables. La nature chimique de l'atmosphère, la présence ou l'absence de vapeur d'eau, la pression et la température... peuvent influer considérablement sur les résultats.
Une couche protectrice anti-usure n'est intéressante que si son épaisseur est au moins égale à la perte de matière admissible pendant la durée de vie du mécanisme.
Lubrifiants.
De nos jours il ne suffit plus de « mettre un peu de gras » pour faire fonctionner les machines. Le graissage est devenu une science, pas toujours exacte certes, mais dont tout mécanicien se doit de connaître au moins les rudiments.
Applications concrètes.
Il a paru intéressant de faire un point, non exhaustif, sur des solutions ou des tendances actuelles dans un grand nombre de domaines : c'est ce que l'on trouvera dans l'article détaillé, où les différents sujets traités sont classés par ordre alphabétique.
Guidage par roulement.
Des informations se trouvent dans le chapitre Tribologie - Applications pratiques
Tribologie/Modélisation des actions de contact
Un peu d'histoire.
Pendant très longtemps, les traités de mécanique rationnelle se sont bornés à étudier des systèmes matériels dénués de tout frottement. , dans sa "Mécanique analytique", semble avoir été le premier à distinguer, parmi les forces extérieures appliquées aux systèmes mécaniques,
, dans ses "Leçons sur le frottement", écrit :
Les actions de contact.
Il n'y a que deux manières d'appliquer des efforts mécaniques, que ce soit sur un solide unique ou sur un système matériel plus complexe :
Lorsque l'on fait l'inventaire des efforts extérieurs appliqués sur un système matériel, il faut donc répondre complètement et exactement à deux questions :
Le terme général actions de contact désigne l'ensemble des efforts extérieurs, forces et moments, appliqués sur un système mécanique par d'autres objets qui le touchent. Ce sont ces efforts que nous allons tenter de représenter ici, sous la forme de modèles. La plupart du temps, leur répartition est très complexe et il est difficile voire impossible de les modéliser autrement que par des méthodes statistiques : par exemple, le comportement « global » d'un pneumatique sur une chaussée peut être étudié sans trop de problème, mais il est très difficile de définir les caractéristiques du contact, à l'instant « t », entre les sculptures du pneumatique et les aspérités du revêtement. Pour être efficace, il faut souvent renoncer à tout connaître. Reste à déterminer précisément les limites de l'étude ...
Il est bien rare qu'une machine puisse fonctionner sans que l'on ait tenu compte des résistances passives. L'ingénieur doit donc :
Dans les deux cas, il doit être capable de définir et de quantifier les phénomènes susceptibles de se produire, ce qui suppose qu'il sache créer des modèles rendant compte aussi fidèlement que possible de la réalité.
Les mouvements relatifs des surfaces.
Le mouvement relatif général de deux solides qui se touchent peut être considéré, en tout point de leur surface de contact, comme la combinaison de trois mouvements « élémentaires » définis selon les modalités habituelles de la cinématique : ce sont le glissement, le pivotement et le roulement.
Selon les cas, en théorie, chacun de ces trois mouvements peut être empêché ou plus ou moins contrarié, indépendamment des deux autres, par l'adhérence et/ou le frottement. C'est ainsi que dans des conditions normales, les roues d'un véhicule roulent sans glisser sur le sol. Différentes sortes de frottements freinent légèrement le mouvement de roulement tandis que l'adhérence empêche le glissement.
Il faut toutefois remarquer ici que les corps réels ne sont jamais des solides parfaits ; ainsi, des déformations parfois importantes se produisent dans les zones de contact et il en résulte des interactions qui font varier les comportements des systèmes. Par exemple, sans direction assistée, il est beaucoup plus facile de tourner le volant d'une automobile lorsqu'elle se déplace que lorsqu'elle est arrêtée : le fait que le pneu roule lui permet de pivoter plus facilement.
Attention à bien définir le vocabulaire utilisé et les mouvements eux-mêmes, en fonction des circonstances et des besoins. Si nous introduisons ici la notion de rotation, il est clair que le roulement et le pivotement ne peuvent se produire que si l'un des corps tourne par rapport à l'autre. En revanche une rotation n'entraînera pas forcément l'existence de mouvements de roulement et de pivotement au niveau des surfaces de contact. Par exemple, les mouvements relatifs possibles d'une tige cylindrique montée dans un alésage de même diamètre (liaison pivot glissant) sont une translation et une rotation. Au niveau de n'importe quel point de la surface de contact, chacun de ces mouvements provoque un glissement mais jamais de roulement ni de pivotement.
Adhérence et glissement.
Un bloc parallélépipédique est pressé sur un plan par une force normale formula_1 (son poids ou toute autre force imposée). Naturellement, cette force est compensée par l'ensemble des actions exercées par le plan sur le bloc, actions qui n'ont pas été dessinées ici puisque le bloc n'est pas isolé.
Rappelons qu'il ne faut jamais représenter les actions de contact sur un plan d'ensemble.
Appliquons maintenant au bloc une force formula_2 parallèle au plan.
Cette fois, le bloc a été isolé, ce qui nous permet de dessiner la résultante formula_3 de toutes les petites forces élémentaires qu'il reçoit de la part du plan. Tant que formula_2 reste faible, rien ne bouge, le bloc est en équilibre : les trois forces ont des supports coplanaires, concourants, et leur somme est nulle. Remarquons en passant que le point d'application de la résultante formula_3 n'est pas au centre du bloc mais légèrement décalé « vers l'avant ».
Le fait que la poussée formula_2 ne provoque aucun mouvement prouve qu'il existe dans le contact des forces suffisantes pour maintenir le bloc immobile. On dit alors qu'il y a adhérence (et non pas "adhésion", terme utilisé dans le cas du ).
La résultante formula_3 est dans le même plan que formula_1 et formula_2, elle est située, par rapport à la normale, du côté qui lui permet de contrebalancer l'effet de formula_2.
L'angle de formula_3 avec la normale n'a pas une valeur fixe, il est d'autant plus grand que la poussée formula_2 est plus forte mais il ne peut en aucun cas dépasser une certaine valeur formula_13 dite angle limite d'adhérence ou plus simplement angle d'adhérence.
Si l'on fait tourner la direction de formula_2 autour de la normale, formula_3 « suit le mouvement » et la conclusion est la même. Il s'ensuit que la résultante formula_3 se trouve dans ou à la limite sur un cône de révolution dont l'axe est perpendiculaire au plan et dont le demi-angle au sommet vaut formula_13. Ce cône est appelé cône d'adhérence.
Le facteur d'adhérence formula_18, ou coefficient d'adhérence, est la limite supérieure du rapport des normes de l'effort tangentiel et de l'effort normal (ce facteur caractérise la limite entre adhérence et glissement, entre système statique et système dynamique) :
Supposons maintenant que nous poussions suffisamment fort pour faire glisser le bloc. Si celui-ci a une vitesse constante formula_20, alors nous pouvons à nouveau faire comme s'il était en équilibre, c'est-à-dire que les trois forces formula_1, formula_2 et formula_3 qui s'exercent sur lui sont toujours coplanaires, concourantes, et leur somme est nulle.
Nous constatons cette fois que la résultante formula_3 est toujours inclinée du même angle de frottement φ par rapport à la normale, c'est-à-dire qu'elle se trouve toujours sur un cône d'axe normal au plan et de demi angle au sommet φ, que nous appellerons cône de frottement.
Le facteur de frottement ou coefficient de frottement f est cette fois égal au rapport (constant) des normes de l'effort tangentiel et de l'effort normal :
Dans la plupart des problèmes de mécanique rationnelle qui font intervenir le frottement, on fait l'hypothèse que les deux coefficients d'adhérence et de frottement sont égaux et constants. Ce n'est évidemment qu'une approximation plus ou moins grossière.
Le coefficient de frottement, comme nous le verrons, dépend d'une foule de paramètres parfois invraisemblables. Pour deux matériaux donnés, il peut varier dans d'énormes proportions selon la , la , la lubrification, ...
Généralement le coefficient d'adhérence est plus important que le coefficient de frottement. Il s'ensuit qu'il est plus difficile de provoquer un mouvement que de le maintenir une fois qu'il a démarré. Cependant, un coefficient de frottement qui diminue quand la vitesse augmente est générateur de s, c'est pourquoi l'on recherche souvent des couples de matériaux dont le coefficient de frottement croît légèrement quand la vitesse de glissement augmente ; c'est le cas, par exemple, pour les embrayages et les freins des véhicules.
En réalité, le frottement dit « statique » ne l'est jamais parfaitement. Même si deux pièces en contact semblent rester parfaitement immobiles l'une par rapport à l'autre, le moindre effort tangentiel provoque de petits mouvements de glissement localisés sur un nombre plus ou moins important de contacts d'aspérités. Il s'ensuit que le déplacement relatif d'une pièce par rapport à l'autre provoqué par un tel effort n'est jamais parfaitement réversible ; les pièces ne reviennent jamais parfaitement à leur position initiale car la récupération élastique de ce déplacement ne se fait plus dans les zones qui ont glissé.
Détermination rapide du coefficient d'adhérence.
Imaginons un objet fait d'un matériau A reposant sur un plan horizontal fait d'un matériau B. Si l'on incline légèrement le plan, rien ne se passe puisque la résultante des actions de contact, directement opposée au poids de l'objet, se situe dans le cône d'adhérence.
En continuant d'incliner le plan, très progressivement, il arrive un moment où cette résultante se trouve juste sur le cône d'adhérence, on se trouve alors à la limite du glissement. La moindre inclinaison supplémentaire provoquera alors le glissement, puisque la résultante des efforts de contact ne pourra plus s'opposer au poids. L'angle limite d'inclinaison du plan n'est autre que l'angle d'adhérence des deux matériaux A et B, dans l'état où ils se trouvent (qualité de la surface, lubrification éventuelle, etc.).
Le « paradoxe de Painlevé ».
Certains cas particuliers ont été signalés par et en 1895. Le mouvement commençant d'un système est généralement déterminé par les conditions initiales mais ce n'est pas toujours le cas. En particulier, lorsque les liaisons sont surabondantes, il y a souvent plusieurs mouvements commençants possibles.
Cet aspect des choses est connu depuis Bouligand sous le nom de « paradoxe de Painlevé ».
Contacts infinitésimaux.
Dans le cas du frottement à sec (on parle de frottement immédiat, par opposition au frottement médiat qui fait intervenir un lubrifiant), l'aire réelle du contact de deux corps est toujours extrêmement petite par rapport à l'aire apparente définie par exemple sur un dessin technique. De plus, elle est très fragmentée : les pièces ne se touchent qu'en quelques points seulement, au moins trois non alignés, davantage si les pièces sont fortement pressées l'une contre l'autre