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Les matériaux souvent déposés par ce procédé sont les alliages à base de cobalt (stellites), les aciers inoxydables et réfractaires, le nickel associé au carbure de tungstène.
On traite de cette façon les clapets, sièges de vannes, douilles d'usure de toutes sortes, ainsi que les vis d'extrusion.
Douilles d'usure
Projection de mélanges.
Le revêtement SkidCoat, de la société Métallisation Nord industrie, est un mélange céramique-polymère semi-cristallin déposé par projection plasma. Depuis plusieurs années, les fluoropolymères sont de plus en plus présents dans diverses applications dues à leurs propriétés uniques telles qu’une résistance chimique importante et un bas coefficient de frottement.
Toutefois, ces matériaux très performants offrent une résistance assez pauvre à la corrosion et à l’usure. Afin d’améliorer et de renforcer ces propriétés, une structure composite céramique polymère a été développée par la société Métallisation Nord Industrie.
Ce revêtement est utilisé dans des domaines tels que l'industrie du papier, l'imprimerie, l'agroalimentaire, la plasturgie, l'automobile ou l'aéronautique. Il remplace les revêtements traditionnels avec une tenue aux chocs mécaniques et à la flexion largement supérieures. Le polymère est par ailleurs hydrophobe et résiste à la corrosion et à l'abrasion.
Le revêtement Carflon proposé par la même société est un composite de carbure de tungstène et de PTFE projeté à une vitesse largement supersonique (mach6) à l'aide d'un appareil à détonation. Il est très dur, résiste aux chocs, à l'abrasion, à la corrosion de contact et à de nombreux produits chimiques. Il est de plus anti-adhérant et présente un faible coefficient de frottement en face de nombreux autres matériaux.
De même, le revêtement Slidcoat est un composite céramique et PTFE. Moins résistant à l'usure que le Carflon, il présente un excellent coefficient de frottement.
Implantation ionique.
Dans un premier temps les ions du matériau sélectionné bombardent et nettoyent la surface à traiter puis, accélérés à plus haute tension, quelques centaines de keV, ils s'introduisent sur environ 1/2 micromètre dans l'épaisseur de la pièce dont ils modifient la composition chimique et les propriétés physiques. Il n'y a pas d'échauffement notable de la surface traitée, qui ne se déforme pas et ne change pas de rugosité. Comme il n'y a pas d'interface, il n'y a pas non plus de problème d'adhérence sur le substrat mais la température limite d'utilisation des couches implantées ne dépasse pas 250-300 °C.
On traite couramment l'acier, le titane, les métaux réfractaires ou les revêtements comme le chrome dur, sur lesquels on implante de l'azote, du chrome, du molybdène, du titane, du bore, du carbone ... ; plus spécialement contre le frottement, on emploie du nitrure de titane très dur, du fer, de l'aluminium, des alliages fer-cadmium ou aluminium-cadmium ...
L'implantation ionique est facile à industrialiser et particulièrement intéressante pour des pièces de haute précision finies d'usinage. Il n'y a pas de pollution chimique et on note une plus grande diversité de matériaux déposables et de substrats possibles qu'avec le dépôt chimique en phase gazeuse (CVD).
L'azote est de loin l'élément le plus utilisé. Le coefficient de frottement est alors inchangé mais le régime d'usure douce qui s'installe diminue la vitesse de dégradation d'un facteur 10 à 30, par exemple pour l'acier 35 CD 4, et il y a moins de risques lors du rodage. On améliore la résistance à la piqûre des aciers inoxydables par l'implantation de molybdène et de chrome, et la résistance à l'oxydation avec l'aluminium ou l'yttrium.
Parmi les applications, citons les prothèses chirurgicales, les roulements pour la construction aéronautique, les mécanismes tournants, paliers, rotules, ... dans des conditions sévères, les matrices, moules et autres outillages de précision pour les plastiques, ...
On peut implanter des ions sur des métaux, mais aussi sur des céramiques ou sur des plastiques
Dépôts en phase gazeuse (C.V.D.).
Les initiales signifient Chemical Vapor Deposition. Le procédé, connu depuis 1930, a été développé industriellement à partir de 1950. Des réactifs gazeux mélangés, parfois dilués dans un gaz porteur inerte comme l'argon, arrivent au contact de la pièce chauffée entre 600 et 1200°C. Le produit des réactions, par des effets d'adsorption et de catalyse, germe et croît sur la surface pour former selon les conditions une couche pulvérulente non adhérente, une couche polycristalline à grain fin, une couche de cristaux colonnaires, voire une couche monocristalline épitaxique. Les réactions sont de type pyrolyse ou plus souvent de type réduction.
Parmi les avantages, citons celui de pouvoir déposer un choix quasi illimité de matériaux en couches très pures, compactes, étanches et très adhérentes, y compris des matières réfractaires à des températures modérées et certaines substances impossibles à déposer autrement. Le dépôt est précis, facilement contrôlable, le dopage et l'épitaxie sont possibles, on peut travailler à la pression atmosphérique. En revanche, la cinétique des réactions est souvent complexe, les températures élevées peuvent modifier les structures, les gaz utilisés sont souvent toxiques, explosifs ou corrosifs, les temps de traitement peuvent être très longs. Il existe quelques limitations à connaître ; par exemple, les lois de la thermodynamique autorisent de déposer de l'aluminium sur du chrome mais non l'inverse. En outre, le coût est élevé.
On dépose contre l'usure des couches de protection en tantale, niobium, en céramiques ... La durée de vie des outils peut être multipliée par un facteur qui peut aller de 2 à 100 grâce à des revêtements de carbures et nitrures de titane, d'alumine, de borures, de carbure de tungstène, de nitrure d'hafnium ...
La structure des alliages quasicristallins a révolutionné la cristallographie classique. Au-delà de cette curiosité scientifique, ces alliages stables présentent des propriétés singulières. Les techniques de projection thermique et de PVD (dépôt physique en phase vapeur) permettent d'en réaliser des revêtements de surface où leurs propriétés s'expriment pleinement. Ils peuvent être déposés sur la plupart des substrats (aluminium, cuivre, acier, acier inoxydable, céramiques, oxydes, silicium.) avec un excellent niveau d'adhérence et de compacité.
Applications : protection de surface contre l'usure par frottement, rayures, agressions mécaniques, antiadhérence y compris dans le domaine alimentaire, barrières thermiques jusqu'à 900°C, couches d'accrochage superplastiques, tribologie (bas coefficient de frottement).
Revêtements physiques sous vide (P.V.D.).
PVD est l'acronyme de Physical Vapor Deposition, autrement dit dépôt physique en phase vapeur. Le procédé utilise l'évaporation sous vide du matériau à déposer ; souvent, les vapeurs sont accélérées par un champ électrique. Ce procédé convient essentiellement aux petites pièces, où il provoque peu de distorsions des surfaces. Il est possible de réaliser des dépôts sur des métaux non ferreux ou des alliages légers.
Le carbure de tungstène déposé par P.V.D. sur une très fine couche d'adhérence de nickel donne des surfaces lisses et brillantes reproduisant celles du matériau de base, rayures et éraflures comprises. Éventuellement, on peut obtenir des couches mates et rugueuses polissables avec des outils diamantés. Les couches brillantes sont préférables en frottement et constituent une alternative aux traitements de cémentation, nitruration ou boruration.
L'évaporation sous vide assistée par plasma ou «ion plating» est pratiquée dans une enceinte où règne un vide de l'ordre de 10-4 Pa. Le matériau à déposer (chrome, titane, ...) est vaporisé par un faisceau d'électrons ou par un arc électrique. Les pièces à revêtir sont portées à un potentiel cathodique de 1 à 3 kV par rapport à l'enceinte, tandis qu'on introduit un ou plusieurs gaz (azote, méthane, ...) qui vont intervenir dans les réactions. L'excitation des molécules dans le plasma permet de synthétiser à «basse» température (environ 500°C) des composés réfractaires comme le nitrure de titane TiN (jaune), le carbonitrure de titane TiCN (gris-violacé), le nitrure de chrome CrN, etc. La décharge est amorcée sous argon, avant le dépôt proprement dit, pour obtenir un «nettoyage ionique» favorable à l'accrochage du dépôt. Les épaisseurs des couches obtenues sont de l'ordre de 2 à 3 microns. Ce procédé est utilisé, entre autres, pour le revêtement des outils d'emboutissage, il en est question dans le chapitre consacré aux applications de la tribologie.
Revêtement quasicristallins.
Voici quelques années, la cristallographie a été bouleversée par la découverte des quasi-cristaux, arrangements atomiques ne respectant pas les symétries habituelles en la matière. On commence seulement à exploiter les propriétés singulières de ces matériaux, entre autres quand ils prennent la forme de revêtements de surfaces.
Les méthodes de projection thermique et de PVD permettent de revêtir de nombreux matériaux : aluminium, cuivre, acier, acier inoxydable, céramiques, oxydes, silicium. L'accrochage sur le substrat et la compacité sont excellents.
Ces dépôts offrent une protection contre diverses formes d'usure ou d'autres agressions mécaniques, ils résistent à des températures élevées. Par rapport à des pièces non traitées, le coefficient de frottement est généralement fortement diminué. En outre, les propriétés anti-adhérence de ces matériaux les font apprécier dans les industries alimentaires.
Déposition de poudre.
Le slurrycoating consiste à projeter des poudres en suspension dans un liant qui est ensuite éliminé au cours du chauffage nécessaire à la diffusion des matériaux. On peut déposer, localement si besoin est, des quantités aussi faibles que 0,01 g/cm2.
Pulvérisation cathodique magnétron (P.C.M.).
On améliore le procédé classique de pulvérisation cathodique en superposant un champ magnétique au champ électrique qui règne entre la pièce de métal à déposer et la cible. La vitesse de dépôt est sensiblement accrue, on obtient une couche très compacte, exempte de fissures, qui affecte bien moins la résistance à la fatigue du substrat que les dépôts galvaniques tout en évitant la fragilisation par l'hydrogène.
Les pièces sont d'abord soigneusement nettoyées et dégraissées, puis introduites dans une enceinte où l'on crée un vide poussé (10-6 torr). on introduit ensuite un courant d'argon et on soumet la pièce à un décapage ionique sous une tension de 3 500 V.
Une cible composée du métal à déposer M est portée à une tension négative suffisamment élevée pour que le champ électrique ainsi créé puisse ioniser l'atmosphère dans son voisinage. Les ions argon résultant de ce champ sont attirés par la cible, qu'ils frappent violemment, arrachant des atomes du métal M et les projetant dans l'environnement. Ces atomes vont alors se condenser sur la surface des objets placés en face de la cible. On obtient ainsi la « pulvérisation cathodique diode », qui est très lente : il faut entre 10 min et 1 h pour obtenir une épaisseur de dépôt de l'ordre du μm. En appliquant en plus un champ magnétique perpendiculaire au champ électrique, on accroît de façon significative la densité du plasma qui se forme autour de la cible, la vitesse de déposition peut alors atteindre une valeur industriellement acceptable de l'ordre de 1 μm/min.
On peut ainsi déposer des couches très dures de chrome ou de molybdène. Des couches d'alliages ternaires fer-molybdène-soufre proches de la composition Fe-Mo2-S4 ont été essayées avec un certain succès en vue de permettre le frottement sec d'un acier XC 38 face à des surfaces antagonistes d'acier 16 NC 6 cémenté trempé. Il faut toutefois déposer auparavant une sous-couche d'adhérence d'alliage fer-molybdène de 2 μm, puis la pièce reçoit un dépôt de 5 μm d'épaisseur de l'alliage ternaire.
Le coefficient de frottement varie avec le matériau antagoniste et se révèle particulièrement bas en présence d'une couche de nickel.
Les dépôts réalisés par PCM sont beaucoup moins fissurés et beaucoup plus compacts que ceux qui sont réalisés par voie galvanique mais ils sont aussi nettement moins durs. La présence dans l'enceinte de traces d'autres éléments comme l'oxygène, l'azote, le carbone, permet de corriger ce défaut et même d'atteindre des duretés bien plus élevées. On peut montrer par diffraction de rayons X que ces éléments ne se combinent toutefois pas avec le chrome, de sorte que leur action n'est pas facile à interpréter.
Les essais de frottement réalisés sur les couches obtenues par PCM montrent que la résistance à la fatigue des pièces ainsi traitées est bien supérieure à ce que l'on obtient par voie galvanique, et naturellement il n'y a plus aucune fragilisation par l'hydrogène.
Alliages de surface par refusion laser.
Le laser permet d'obtenir une fusion et une diffusion très rapide et très superficielle des dépôts, sur quelques micromètres seulement, et l'obtention de structures fines par refroidissement brutal. La diffusion de nickel dans les alliages légers améliore très nettement la résistance à l'usure.
Revêtement par canon à détonation.
Le procédé « D. Gun » d'Union Carbide a été inventé il y a une quarantaine d'années. Un mélange acétylène-oxygène détonant dans un canon projette des poudres très fines sur les surfaces, à des vitesses atteignant 750 m/s et à des températures de l'ordre de 4000°C. Il en résulte des revêtements exceptionnellement homogènes et adhérents, sans toutefois que la température du substrat soit extrêmement élevée. Contrairement à d'autres procédés qui provoquent l'apparition de contraintes résiduelles de traction dans les dépôts, ici l'on note l'apparition par « autogrenaillage » de contraintes résiduelles de compression favorables à la résistance à l'usure et aux pressions de contact élevées. On projette ainsi divers mélanges de carbures de chrome, de tungstène, de titane, ou des alliages cobalt-molybdène-chrome intéressants pour lutter contre l'usure.
Problèmes de pollution.
Les traitements et surtout les revêtements de surfaces utilisent des bains très acides ou très basiques, presque toujours chargés de produits hautement toxiques comme les cyanures, les métaux lourds, ...
Les effluents doivent être traités, ce qui se révèle toujours difficile et coûteux. On essaie donc avant tout d'en réduire la production. La réglementation évolue sans cesse. Des produits comme le chrome hexavalent ou le cadmium vont être interdits, il faut leur trouver des remplaçants. Hélas, on ne fait souvent que déplacer le problème : par exemple, le zinc-nickel utilisé pour remplacer le chrome est un allergène puissant et son élimination est finalement plus difficile.
On pourrait théoriquement récupérer la totalité des métaux lourds contenus dans les déchets mais le plus souvent c'est l'enfouissement qui s'impose, pour des raisons économiques. La recherche de méthodes de dépollution plus efficaces et moins onéreuses prend une importance croissante.
En France, quelques entreprises de traitement de surfaces comme la société « L'Électrolyse » , installée depuis plus de 100 ans à Latresne, près de Bordeaux, ont décidé non seulement de traiter elles-mêmes leurs propres effluents, mais aussi d'offrir leurs services pour le traitement de ceux émis par d'autres industries. Le premier travail consiste à identifier et caractériser précisément les produits et à déterminer le meilleur traitement possible, ce qui suppose l'installation d'un laboratoire d'analyse puissamment équipé. Chaque année, de 6 à 8 000 tonnes de déchets passent à Latresne pour donner seulement 800 tonnes de déchets solides.
Tribologie/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 (à partir de 1950) d'avoir énoncé pour la première fois des idées claires sur le sujet, mais il est intéressant de considérer les 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.
Imbrication des aspérités.
Jusqu'au XVIIIe siècle, c'est la cause du frottement la plus fréquemment invoquée : on peut citer les travaux de Léonard de Vinci (vers 1500), Guillaume Amontons (1699), Antoine Parent (1704), Bernard Forest de Bélidor (1737), Leonhard Euler (1748), Charles-Augustin de Coulomb (1781).
Léonard de Vinci s'intéressa à l'étude de la mécanique, pratiquement abandonnée depuis l'époque des grecs antiques. Ses recherches sur les mouvements l'ont amené à pressentir les notions d'inertie, de moment, de rendement, de frottement, de centre de gravité. Cent ans avant Galilée, il entrevit également la notion de conservation de l'énergie.
Contrairement à une idée reçue, Léonard de Vinci a beaucoup plus dessiné de mécanismes qu'il n'en a réalisés. Ses esquisses de machines à mesurer les forces de frottement, très semblables à celles qui seront réalisées par Coulomb trois siècles plus tard, sont les ancêtres des tribomètres.
Les lois fondamentales de Léonard de Vinci, qui furent redécouvertes deux siècles plus tard par Amontons, s'énoncent ainsi :
Amontons remarqua que l'effort des polisseurs de glace ne dépendait pas de l'aire du polissoir mais seulement de l'effort normal de pression.
Bélidor imaginait les surfaces comme formées d'aspérités hémisphériques régulières (sans doute pensait-il à des atomes), celles d'une surface devant être franchies par celles de l'autre.
Si l'on dispose trois sphères selon un arrangement triangulaire, une quatrième sphère venant se loger dans la « niche » formée par les trois premières doit franchir un obstacle avant qu'on puisse la faire glisser. Une fois qu'elle est « montée » au-dessus des autres, le déplacement doit être plus facile.
Bélidor rapporta la valeur de l'effort tangentiel nécessaire pour déplacer une rangée de sphères par rapport à l'autre à l'effort normal qui presse les deux rangées, et trouva la valeur :
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Cette valeur, issue d'une théorie qui peut nous paraître aujourd'hui bien naïve, correspond tout de même assez bien aux valeurs du facteur de frottement obtenues avec des matériaux communs comme le bois, le fer, la pierre frottant à sec dans l'air. Non seulement elle fournit des valeurs réalistes, mais de plus elle rend compte du fait que le facteur de frottement statique est généralement un peu plus fort que le facteur de frottement dynamique : il est généralement plus facile d'entretenir un mouvement que de le provoquer.
Henri Poincaré ne disait-il pas "« qu'une théorie n'a pas besoin d'être juste, pourvu qu'elle soit utile »" ?
La théorie de Bélidor fut assez vite contestée et Navier, qui réédita en 1819 les travaux de Bélidor, écrivit dans une note de bas de page : « Les expériences d'Amontons, dont Bélidor vient de parler, se trouvent dans les "Mémoires de l'Académie des Sciences" pour 1699. L'auteur conclut que la résistance provenant du frottement est indépendante de la grandeur des surfaces en contact, ce qui a été confirmé depuis ; qu'elle est à peu près la même pour le bois, le fer, le cuivre, le plomb, etc., quand ces diverses substances sont enduites de vieux oing, et environ le tiers de la pression : on va voir plus bas les rectifications dont ce dernier résultat est susceptible. Il n'est pas besoin de dire combien la supposition des demi-sphères hérissant la surface des corps, sur laquelle Bélidor peut appuyer le résultat expérimental d'Amontons, mérite peu d'attention. Je ne m'arrêterai pas non plus, pour ne point charger ces notes de remarques inutiles, à la démonstration géométrique fondée sur cette hypothèse, démonstration qui est très fautive. »
Il est en effet assez facile d'imaginer que pour que la théorie de Bélidor ait un sens, les atomes des deux pièces doivent s'imbriquer les uns dans les autres, ce qui est hautement improbable avec les objets usuels. Non seulement il faudrait que les atomes aient la même organisation au niveau des deux surfaces, ce qui n'est guère possible qu'avec des cristaux parfaits, mais ils devraient en outre avoir des structures de même dimension et convenablement orientées. Cela fait beaucoup de conditions. Néanmoins, comme nous le verrons plus loin dans le paragraphe dédié aux frottements ultra faibles, les études sur le frottement à l'échelle atomique sont revenues à la mode depuis quelques années.
Les lois de Léonard de Vinci et Guillaume Amontons ont été complétées par Coulomb qui, remarquant la différence réelle mais souvent légère des efforts de frottement statique et dynamique, a admis qu'en outre :
Coulomb réalisa de nombreuses expériences à l'Arsenal de Rochefort, vers 1780. Quelques éléments de son appareillage sont reproduits dans la figure ci-contre.
À cette époque on estimait le coefficient de frottement sec des métaux à des valeurs de l'ordre de 1/3 à 1/4. Les travaux ont été souvent repris par la suite, en particulier par Arthur Morin qui effectua un grand nombre de mesures sur des corps très variés, lubrifiés ou non, confirmant que les lois de Coulomb doivent être regardées « comme exactement conformes aux effets naturels et non plus comme des règles approchées dont on pouvait faire usage dans les applications aux arts sans s'exposer à des erreurs dangereuses ».
D'après certaines sources, les lois du frottement auraient été énoncées par Arthur Morin en 1831, avant Coulomb.
Gustave-Adolphe Hirn, en 1847, distinguait le frottement médiat et le frottement immédiat, suivant la présence ou non de lubrifiant. S'il put confirmer les résultats de Coulomb relatifs au frottement sec, en revanche il reconnut l'influence d'autres facteurs en présence de lubrifiant : étendue des surfaces en regard, charge, vitesse, durée des essais, température. Il essaya même l'air comme lubrifiant, trouvant alors des coefficients de frottement de 1/.
Attraction interatomique ou intermoléculaire.
Si le frottement à charge faible et vitesse lente résulte pour beaucoup de l'imbrication des aspérités, cette cause n'est pas la seule. En effet, le frottement des corps polis n'est pas nul, bien au contraire, il y a même un optimum de rugosité ...
L'effet de l'attraction moléculaire a été signalé pour la première fois en 1751 par Jean-Théophile Desaguliers. Il a été chiffré par Coulomb qui a représenté ses résultats sous la forme :
T et N sont respectivement les charges tangentielle et normale, β est le coefficient de frottement, A est un effort tangentiel supplémentaire dû à l'adhésion.
Coulomb écrit : « Le frottement ne peut provenir que de l'engrenage des surfaces et la cohérence ne doit y influer que très peu ; car nous trouvons que le frottement est, dans tous les cas, à peu près proportionnel aux pressions et indépendant de l'étendue des surfaces. Or la cohérence agirait nécessairement suivant le nombre de points de contact ou suivant l'étendue des surfaces. Nous trouvons cependant que cette cohérence n'est pas précisément nulle et nous avons eu soin de la déterminer dans les différents genres d'expériences qui ont précédé. Nous l'avons trouvée d'une livre 2/3 par pied carré pour des surfaces de chêne non encastrées. Mais, dans la pratique, la résistance qui peut venir de cette cohérence peut être négligée toutes les fois que chaque pied carré est chargé de plusieurs quintaux ».
Ce sont les forces d'attraction intermoléculaire, ou forces de van der Waals, du nom du physicien hollandais Johannes Diderik van der Waals, qui permettent la cohésion des solides. Chaque atome ou molécule vibre autour d'une position d'équilibre déterminée par des forces de répulsion et d'attraction agissant simultanément ; ces dernières ne sont décelables entre deux surfaces que lorsque celles-ci sont séparées par une distance inférieure à 0,2 micromètre.
Dans l'immense majorité des cas, la rugosité des pièces mécaniques est telle que leur portée ne se fait que sur quelques rares sommets d'aspérités et que partout ailleurs, leurs surfaces sont éloignées de plus de 0,2 micromètre. Les forces de cohésion restent alors pratiquement négligeables devant les autres effets.
Le poli, d'ailleurs, ne change rien s'il s'accompagne de défauts de forme. Pour les cales-étalons utilisées en métrologie ou certaines pièces d'étanchéité, le haut degré de poli est associé à une excellente correction géométrique et ces surfaces adhèrent très facilement.
Beaucoup de professeurs de mécanique font donc une grossière erreur lorsque, souhaitant négliger le frottement dans tel ou tel mécanisme, ils font l'hypothèse que les surfaces en contact sont parfaitement polies.
P. Appell écrit dans son « Traité de mécanique rationnelle » (1926-28) que :
Pour Marcel Brillouin (1899), le caractère micropériodique des champs de forces intermoléculaires superficiels fait que les atomes en regard passent par une série de positions d'équilibre instables débouchant sur des phénomènes vibratoires et une perte d'énergie. Deryaguine, en 1934, a retrouvé la formulation à deux termes de Coulomb sous une forme un peu différente.
Richard Feynman (1961) explique également la force de frottement à sec par le mouvement vibratoire des atomes transformant en chaleur l'énergie perdue lors du glissement.
Les forces inter atomiques sont maximales lors du contact intime, sous vide, de pièces métalliques parfaitement polies et dégazées. Les atomes de deux surfaces de cuivre, par exemple, ne « savent » alors plus très bien à quelle pièce ils appartiennent ... et cela donne évidemment une soudure puisque les forces mises en jeu sont précisément celles qui font que le cuivre est un solide.
Le Professeur Courtel et son équipe du CNRS ont beaucoup travaillé à partir de la théorie de l'adhésion élastique développée par Johnson, Kendall et Roberts (1971).
Formation et cisaillement de jonctions.
Le Français Fichter écrivait en 1924 : « de même que l'on peut constater, sur deux corps rugueux frottant l'un sur l'autre, l'arrachement de petites particules, de même on trouve que deux surfaces polies, adhérant l'une à l'autre, par cohésion, ne peuvent être séparées par traction normale (à sec ...) sans l'arrachement de parties de ces surfaces. On est en droit de conclure qu'il y a eu, en ces points, soudure véritable ».
On doit aux Britanniques Frank P. Bowden et David Tabor (à partir de 1950) la plus célèbre des théories fondées sur l'adhésion.
Dans le frottement de glissement des métaux et/ou d'autres matériaux, outre les phénomènes d'enchevêtrement des rugosités, il se produirait une succession de soudures partielles suivie de l'arrachement des éléments amenés en contact. Cette théorie explique de nombreux phénomènes comme le transfert de matière entre deux corps et le frottement sur les films minces solides, mais en laisse d'autres dans l'ombre.
La première idée est l'exiguïté des zones de contact : les mesures de Bowden pour une aire théorique de contact de 21 cm² (telle que l'on pourrait la dessiner sur un plan) donnent le tableau ci-contre
L'aire réelle de contact est mesurable à partir de la résistance électrique. Elle est minuscule, indépendante de l'aire théorique, et dans un large domaine elle varie proportionnellement à la charge. Il en résulte de très fortes pressions (ici, ) qui, paradoxalement, ne changent guère avec la charge.
C'est par ailleurs au voisinage des petites zones de contact que la puissance perdue par frottement se transforme en chaleur. Si des phénomènes comme le polissage montrent que l'on atteint au moins la température de fusion du matériau le plus fusible, certains auteurs parlent de plasma (milieu gazeux ionisé avec des concentrations électroniques et ioniques à peu près équilibrées), avançant des valeurs telles que , sur des épaisseurs de quelques dizaines de diamètres atomiques. De toute manière, les températures sont très élevées.
Les fortes pressions et les fortes températures sont deux facteurs favorables à la diffusion mutuelle des atomes des deux pièces. Elles se produisent ici simultanément. Si une filiation cristalline est possible, des micro soudures se forment et il faut les cisailler ou les arracher pour que le glissement se poursuive.
Cela différencie deux modes de frottement, le frottement par cisaillement, acceptable, et le frottement par soudure, généralement très néfaste, dont nous reparlerons à propos de l'usure. Dans les cas extrêmes il y aura grippage, arrêt du mouvement relatif par frottement interfacial.