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Ce phénomène est à la base du polissage, égalisation des surfaces par fusion ou ramollissement des crêtes qui comblent le fond des sillons. Le polissage est d'autant plus facile que l'on utilise des produits moins fusibles, et non plus durs. Le camphre, produit extrêmement mou qui fond à 178°C, polit des métaux relativement durs comme les alliages de Wood fusibles entre 35 et 120°C mais pas l'étain, plus mou, qui ne fond qu'à 232°C. La condition nécessaire (mais pas suffisante) pour qu'un corps A puisse polir un corps B n'est pas, comme on le croit généralement, que A soit plus dur que B, mais bien que A soit moins fusible que B.
Les échauffements microlocalisés peuvent transformer les structures. Par exemple, la martensite peut donner de l'austénite lors du meulage d'un acier rapide et inversement, un frottement sévère peut entraîner la transformation d'austénite résiduelle en martensite sur de l'acier inoxydable au molybdène 18.12 Mo.
Déformations des couches superficielles.
Le contact réel, ne pouvant pas être ponctuel, entraîne des déformations hertziennes des zones profondes, d'où deux genres d'accidents plastiques : arasement en surface des pics ou arêtes et fatigue et écrouissage des couches profondes sous l'effet des glissements à l'intérieur des grains et de la rotation de ces derniers. Ces phénomènes sont favorisés lorsque des possibilités de transformation structurale existent, par exemple austénite-martensite, qui s'accompagne de changements de volume.
Il y a par ailleurs labourage des surfaces, formation de rainures et de bourrelets frontaux par déformation plastique du composant le plus mou des deux surfaces en mouvement relatif. Une portée sphérique appuyée, puis soumise à un effort tangentiel, donne naissance à un bourrelet qui se propage en précédent le curseur (Kragelsky et Courtel). La formation du bourrelet par déformation plastique prépare l'usure et peut éventuellement expliquer la naissance du grippage épidermique.
Le bourrelet frontal est une surélévation de matériau refoulé devant le frotteur sous l'effet des contraintes tangentielles. Chaque aspérité du frotteur doit repousser, labourer ou franchir en la sautant la butte qui s'oppose au mouvement.
Les déformations superficielles ou profondes absorbent de l'énergie par hystérésis ou plasticité, elles expliquent en partie la résistance au mouvement lors des mouvements de glissement ou de roulement.
Transformations dans l'interface.
L'interface de frottement est une zone très perturbée par les efforts et les interactions des matériaux des pièces. "Est-ce une solution de continuité entre les deux matériaux, une zone d'équilibre instable clivant un arrangement atomique ?" Se demande Jean-Jacques Caubet ?
Les dégâts produits par le frottement proviennent en grande partie de la soudure des aspérités des pièces frottantes. Cette soudure est facilitée, comme cela a été écrit, par l'existence simultanée de hautes pressions et de hautes températures dans les zones de contact. Il faut donc étudier la miscibilité des matériaux constituant le couple de frottement. Coffin a lancé les bases de ce travail en 1952 et défini trois catégories :
Ceci est généralisable à d'autres matériaux que les métaux. Les jonctions formées sont principalement de deux sortes :
Avec certains matériaux il peut exister différentes configurations successives en fonction des concentrations relatives : par exemple, lorsque le fer contient de 0 à 18 % d'aluminium cela donne une solution solide désordonnée. Jusqu'à la combinaison correspondant à Fe3Al les atomes se placent dans des positions particulières et l'on a une solution solide ordonnée. À partir de cette concentration et jusqu'à FeAl un second type de solution ordonnée apparaît. Il y a donc une sorte de chaîne continue de solutions solides successives.
métaux compatibles et modes de frottement.
Seuls peuvent frotter avec des surfaces nues et propres des matériaux totalement insolubles l'un dans l'autre. Dans le cas contraire, il se produit des filiations cristallines par échauffement et pression, aboutissant à des soudures. Un métal frottant sur lui-même est évidemment la situation à rechercher pour le soudage (autrefois, les forgerons de village soudaient les éléments d'acier en les martelant à chaud, aujourd'hui on raboute par choc brutal des câbles conducteurs en aluminium venant juste d'être limés pour éviter la présence d'alumine). Il va de soi qu'une telle situation doit autant que possible être évitée en frottement.
Si la résistance au cisaillement des soudures est supérieure à celle du corps le plus tendre, celui-ci est cisaillé et transféré sur l'autre, puis, très vite, frotte sur lui-même, d'où le terme de frottement par soudure. Le coefficient de frottement f est alors le rapport entre la résistance au cisaillement t et la limite d'élasticité R de ce corps : P étant la charge normale, T l'effort tangentiel moteur, S la surface théorique du contact et s sa surface réelle, on a :
Si les soudures de l'interface sont plus fragiles que le plus fragile des corps en présence il n'y a ni transport de métal ni lésion des surfaces, c'est le frottement par cisaillement, qui est inférieur au précédent. Les micro-soudures sont rompues à l'interface sans émettre beaucoup de débris, contrairement à ce qui se passe dans le frottement par soudure.
On trouvera une liste des couples de matériaux donnant de bonnes caractéristiques frottantes dans le chapitre sur l'usure. Ces couples ont pour caractéristiques :
La théorie du cisaillement des jonctions explique en partie le faible coefficient de frottement de matériaux durs sur des couches minces de matériaux mous : dépôts de plomb, indium, sélénium, PTFE, MoS2. Elle explique aussi que le frottement sec, même sous faible charge, produise toujours des dégâts notables. Par contre elle se révèle insuffisante dans bien des cas, d'où la nécessité de considérer d'autres paramètres. On ne sait pas pourquoi, par exemple, un frotteur d'argent frotte bien sur une piste en fer, tandis que le frottement d'un curseur de fer sur une piste d'argent est mauvais, et pourquoi l'on trouve alors deux coefficients de frottement différents. Il existe aussi des couples de métaux qui présentent une vitesse critique telle qu'en-deçà, le frottement se fait par soudure et au-delà, par cisaillement ...
rôle des couches d'oxydes.
Les films d'oxydes sont moins susceptibles de donner des filiations cristallines que les métaux, en raison de leur structure amorphe. Toutefois, il faut prendre en compte d'autres paramètres, leur dureté et leur point de fusion.
A faible charge et vitesse lente, les oxydes ne risquent rien et le choix des métaux est secondaire. À plus forte vitesse, il faut que ce soit un oxyde qui fonde en premier et non un métal. À des vitesses encore plus grandes la rupture des films d'oxydes est inévitable et le choix des métaux est prépondérant.
migrations dans l'interface.
L'exemple de quelques métaux cuivreux frottant sur l'acier donne à réfléchir à un autre aspect du problème :
En faisant frotter du cuivre non allié en atmosphère neutre d'azote, on provoque l'apparition d'amorces de grippage par transfert du cuivre sur l'acier, l'émission de débris, et l'on note une élévation brusque du coefficient de frottement. Avec le bronze UE12P en atmosphère neutre d'azote, on constate l'apparition progressive d'un composé rouge sans modification du frottement. Il y a enrichissement superficiel du bronze en étain et en fer, appauvrissement en cuivre.
Dans l'air ambiant le cuivre se recouvre progressivement d'un composé noirâtre formé d'oxydes de cuivre jouant un rôle protecteur contre le frottement. Le bronze UE12P donne d'abord un coefficient de frottement constant voisin de 0,08, puis qui s'abaisse jusque vers 0,04 tandis que se forme une couche brunâtre riche en oxygène, en carbone et en fer, ces derniers provenant de l'acier antagoniste.
Dans les deux cas de figure il existe une rugosité au-delà de laquelle les pièces grippent instantanément, la couche protectrice étant râpée.
Tout ceci pose de multiples questions et les choses se compliquent encore quand on lubrifie. Heureusement, on dispose aujourd'hui de méthodes d'investigation permettant de connaître la
nature et la structure des éléments présents, leur disposition, leur forme chimique : diffraction des rayons X, méthodes nucléaires, spectrométrie des photons, des électrons, des ions secondaires. La plupart de ces méthodes nécessitent le vide.
Il faut par ailleurs connaître les surfaces sur des profondeurs de plusieurs dizaines de microns. On peut actuellement non seulement déterminer la composition des films interfaciaux adhérents mais aussi émettre des hypothèses sur la chronologie de formation de ces films.
C'est ainsi que l'on trouve des choses étonnantes : dans le frottement de certaines matières plastiques sur les métaux, on s'aperçoit que des atomes métalliques se dissolvent dans la surface antagoniste.
L'ensemble de ces observations montre que le bon fonctionnement d'une pièce en alliage est assujetti à la formation à sa surface, en cours de frottement, d'une couche protectrice de composition très différente de celle du métal à cœur, mêlée d'oxydes et de débris de l'antagoniste, couche dont la bonne tenue dépend essentiellement de la nature de l'ambiance et de la rugosité de la pièce antagoniste.
Le frottement se révèle donc être, dans la plupart des cas, un phénomène à trois corps : les deux pièces et le film de transfert créé entre elles.
phénomènes thermiques.
Les résistances passives produisent de la chaleur qui se répartit inégalement entre les deux corps, de sorte que le choix du matériau de la pièce la mieux ventilée est extrêmement important.
Les divers phénomènes thermiques accompagnant le frottement ont été étudiés par Marcel Brillouin au siècle dernier. Il est très difficile de vérifier si effectivement les deux surfaces frottantes sont à la même température. La quantité de chaleur produite par le frottement ne naît pas forcément à l'interface, mais éventuellement aussi dans les pièces. Tout ceci ne facilite pas les choses. On connaît toutefois la loi de Charron : lorsque deux corps de géométrie et de cinématique identiques frottent l'un contre l'autre, la chaleur produite se partage entre eux proportionnellement à leur facteur formula_3, où L est la conductivité thermique, c la chaleur massique et d la densité.
Dans les cas où une forte dissipation de chaleur est prévue, aucune bonne solution n'a encore été trouvée en utilisant le frottement sec.
Genèse des coefficients de frottement.
Les forces de frottement correspondent à des pertes d'énergie appartenant à deux catégories :
Les coefficients changent profondément selon que l'on glisse, pivote ou roule, selon la part des cisaillements épidermiques ou des déformations. En règle générale les cisaillements sont prépondérants dans les mouvements de glissement et de pivotement, pour le roulement ce sont les pertes par hystérésis qui prennent le dessus. Lorsqu'il y a combinaison de mouvements de plusieurs sortes, par exemple glissement et roulement, il devient hasardeux de faire des pronostics.
En général le coefficient d'adhérence est généralement plus important que le coefficient de frottement. On interprète ce phénomène par la montée des aspérités d'une pièce sur celles de l'autre pour que le déplacement puisse avoir lieu. Une fois cette montée accomplie, on pourrait penser que les surfaces n'ont pas le temps de retomber lorsque la vitesse est assez forte, mais ceci n'est pas du tout évident.
Si l'on applique une charge tangentielle à une bille pressée en contact avec un plan, on constate que la partie avant de l'empreinte est plus large que la partie arrière. La bille se déplace un peu dans le matériau avant que le glissement ne commence vraiment. L'état d'équilibre d'avant l'application de la charge tangentielle est rompu. La bille, qui modélise ici le contact d'aspérités, se décale latéralement en même temps qu'elle s'enfonce. Verkhovskii en 1927, puis Courtney-Pratt ont étudié en détail les déplacements préliminaires.
Le frottement est par ailleurs lié à divers phénomènes vibratoires, dont le plus connu est le mouvement baptisé en anglais « stick-slip », ce qui signifie littéralement colle-glisse.
Il s'agit d'un processus de relaxation dont on peut trouver de nombreux exemples : frottement de l'archet contre la corde d'un violon, freins qui grincent, craie qui crisse sur le tableau, ... On constate des à-coups dans les vitesses lentes : D'après Courtel, chaque temps d'arrêt permettrait à une rangée d'aspérités de se réenclencher dans l'autre, d'où un coefficient de frottement oscillant et des vibrations normales et tangentielles qui sont simultanées, de même fréquence et en phase. Ce mode de frottement laisse des traces d'allure périodique.
Par ailleurs, il faut signaler que le coefficient de frottement peut devenir très faible dans le cas où les pièces frottantes sont excitées par une source de vibrations extérieure.
Paramètres pour la fabrication.
Les surfaces frottantes doivent être conformes à des critères précis et il est bien évident que le bureau d'études doit se préoccuper des protocoles de fabrication des pièces qu'il aura dessinées. Il existe heureusement un certain nombre de règles de l'art qui seront étudiées plus loin.
L'état de surface doit être parfaitement spécifié. Par exemple, l'étanchéité dans un tiroir hydraulique dépend davantage de la disposition, de la profondeur et de la forme des sillons que de l'espace ménagé entre les pièces. L'élaboration des relations entre les critères géométriques et l'état de surface est hélas rendue très difficile en raison du nombre de paramètres.
Les calculs de résistance des matériaux n'ont de valeur qu'en fonction d'une structure donnée et ils doivent concerner des volumes de matière tels que les lois statistiques puissent s'appliquer. Ce n'est évidemment pas le cas pour les surfaces.
Il faut combiner les contraintes de frottement qui peuvent être, de loin, les plus dangereuses, avec celles résultant d'autres sollicitations. L'endommagement des surfaces par frottement joue le rôle du premier stade de la fatigue et raccourcit considérablement la durée de vie des pièces jusqu'à l'amorçage de la fissuration, laquelle est favorisée par les sillons laissés par l'usinage ou l'usure.
Les contraintes résiduelles de compression retardent la fissuration sans modifier la durée entre l'apparition d'une fissure et la rupture. Or, le simple changement de fluide d'arrosage en rectification peut inverser le signe de ces contraintes résiduelles.
Autrement dit, lorsque l'on aura trouvé la bonne méthode de fabrication, il faudra s'efforcer de la codifier et surtout il ne faudra la changer, même légèrement, qu'après des essais et une nouvelle codification. Les exemples ne manquent pas, de causes apparemment négligeables ayant entraîné des catastrophes :
Tribologie/Usure des surfaces
Merci de consulter la page de discussion associée.
L'usure est un ensemble complexe de phénomènes difficiles à interpréter, amenant une émission de débris avec perte de masse, de cote, de forme, et s'accompagnant de transformations physiques et chimiques des surfaces.
La majeure partie de cet article est consacrée à l'usure des machines, mais on y trouvera aussi des données sur les phénomènes d'usure qui concernent le monde vivant, en particulier certaines parties du corps humain comme les articulations ou les dents, ainsi que les prothèses qui parfois les remplacent lorsque l'endommagement est trop important.
Généralités.
L'usure ne varie généralement pas de manière progressive en fonction de paramètres comme la vitesse, la température ou le temps. Si certaines formes d'usure sont relativement régulières, d'autres au contraire connaissent des sauts très brutaux, dans des rapports pouvant aller parfois de 1 à 100 000 ou plus, lorsque certaines valeurs critiques sont franchies.
L'usure est généralement combattue à cause de ses effets négatifs mais elle présente aussi des aspects favorables. L'affûtage d'un outil, la finition d'une surface par rectification, l'écriture de la craie sur le tableau ou du crayon sur le papier sont des exemples d'usures abrasives utiles.
À l'image des pompiers qui allument parfois des contre-feux pour mieux lutter contre un incendie, il arrive que l'on provoque sciemment certaines formes d'usure pour lutter contre d'autres formes qui seraient beaucoup plus dévastatrices. Quand il est bien conduit, le rodage d'un mécanisme, c'est-à-dire la phase de fonctionnement où les pièces « apprennent à vivre ensemble », provoque des usures qui se révéleront « protectrices » lors des phases suivantes.
La plupart du temps, l'usure globale d'un mécanisme est due à plusieurs processus qui agissent simultanément, plus rarement à un processus bien défini et identifiable. L'effet de ces actions simultanées est souvent plus important que la somme des effets que l'on produirait en faisant agir séparément les divers processus, on parle parfois de « sur-additivité ». À l'opposé, certaines formes d'usure s'excluent mutuellement : par exemple, les dents s'usent principalement par carie et par abrasion, mais ces deux processus ne coexistent absolument pas, les zones abrasées ne sont jamais cariées.
Phases de la vie d'un mécanisme.
Un mécanisme passe normalement par trois phases d'usure successives :
Les débris d'usure portent en eux l'histoire de leur formation et l'examen des particules de fer dans les lubrifiants, ou ferrographie, apporte de précieuses informations. Les processus d'avarie produisent des particules atteignant 0,1 mm, mais les débris d'usure douce ont moins de 15 micromètres. Même après une vidange, il y a vite équilibre dans un lubrifiant entre la production des particules et leur élimination par décantation, filtration, rétention par un bouchon magnétique ...
Types d'usure, d'après Kragelsky.
Kragelsky distingue 5 types d'usure :
Les nombreuses formes d'usure sont classées en plusieurs groupes :
L'usure comporte une part importante de réactions chimiques ; des couches superficielles chimiquement inertes peuvent parfois se révéler plus résistantes au frottement que des couches dures, surtout en présence de milieux agressifs.
Difficultés de l'étude et de l'expertise.
L'usure est un phénomène évolutif et irréversible ; chaque état d'un système détruit définitivement l'état précédent, de sorte qu'il est très difficile, voire impossible, de reconstituer le passé à partir du constat d'une dégradation.
La compréhension d'un phénomène d'usure nécessite que l'on puisse enregistrer, si possible en continu, les divers paramètres permettant de caractériser l'état du système étudié au fil du temps. Malheureusement, ces paramètres sont très nombreux, on estime par exemple qu'il en faut entre 100 et 200 pour définir les seules caractéristiques géométriques d'une des surfaces frottantes ... et il faut encore caractériser l'autre surface, l'état physicochimique des matériaux sur une profondeur suffisante, l'état et la composition de l'ambiance, les facteurs thermiques et mécaniques, etc.
Tout ceci n'est réalisable que pour des essais en laboratoire mais se révèle en général impossible pour un mécanisme réel en fonctionnement. Bien souvent, l'expert chargé de donner son avis ne peut émettre que des hypothèses, auxquelles il se cantonnera s'il est honnête. Voici un exemple concret :
L'expertise ne peut rien donner de concret ici, les matériaux des couches superficielles ont été dénaturés, dispersés dans tout le moteur sous forme de fines particules et pour une bonne part, éliminés lors des vidanges. La forme « catastrophique » de l'usure constatée le jour du démontage n'a probablement rien à voir avec le phénomène anormal qui est à l'origine de l'endommagement. On ne peut pas savoir si ce démarrage est dû à un défaut de la came, ou à un défaut du poussoir, ou à une incompatibilité entre les surfaces de ces deux pièces, ou encore à une cause extérieure.
Une telle usure est exceptionnelle et l'on ne peut même pas savoir si elle se reproduira un jour, sous la même forme, dans un autre moteur. Elle relève « de la faute à pas de chance » et il est donc absolument impossible de la prévoir et de l'étudier ...
Usure par abrasion.
Cette forme de dégradation est généralement combattue, mais aussi utilisée pour l'usinage : des taux d'usure importants sont recherchés et obtenus avec des outils abrasifs en rectification, affûtage, etc. L'abrasion coûte très cher, on lui attribue à peu près le tiers du total des pertes économiques dues à l'usure. Elle concerne de nombreux mécanismes fonctionnant dans des conditions sévères : machines agricoles, matériels de travaux publics, matériel minier ...
Aspect des dégâts.
Les surfaces présentent des sillons de profondeur variable, parallèles au déplacement. L'usure est assez constante au cours du temps, le volume des débris croît linéairement avec la charge appliquée et la distance parcourue. La vitesse n'intervient que si l'échauffement modifie les caractéristiques du matériau.
Éventuellement, des particules arrachées de la pièce la plus tendre peuvent être transférées mécaniquement sur la plus dure mais sans y adhérer très solidement, comme fait le plomb lorsqu'il « beurre » une lime, la rendant inopérante.
Nature du phénomène.
L'usure peut résulter des protubérances d'une des pièces ou des particules qui circulent dans l'interface. On peut distinguer deux modes d'usure par abrasion :
La perte de matière dépend à la fois du matériau usé et de l'abrasif et l'aspect des sillons fournit de précieuses indications :
L'abrasion combine déformation et coupe. Elle creuse d'abord des sillons puis, si les capacités de déformation sont dépassées, elle enlève des micro-copeaux. Les bourrelets latéraux des sillons peuvent se détacher ultérieurement. Lors d'un usinage par abrasion, on fait tout pour que le métal soit enlevé sous forme de petits copeaux, tels que ceux que l'on retrouve dans le fluide de refroidissement d'une rectifieuse.
Pour rayer une surface il suffit d'une autre plus dure de 20 à 25 %. L'usure croît dès que la dureté de l'abrasif atteint 0,7 fois celle de la surface usée et se stabilise quand elle atteint 1,7 fois. L'abrasion par coupe, fonction de la forme des aspérités, est négligeable si le rapport des duretés est compris entre 0,8 et 1,3.
Les débris émis par les surfaces acquièrent une dureté bien supérieure à celle des matériaux en présence, provoquant une abrasion à trois corps. Ceci est dû à l'écrouissage et à l'oxydation, cette dernière dépendant entre autres de l'humidité atmosphérique. L'abrasion modifie profondément les couches superficielles qui deviennent comparables à celles obtenues par laminage. Les surfaces durcissent et résistent mieux à l'abrasion elle-même.
L'usure dépend des vitesses relatives des surfaces et des particules, de la forme et de la résistance des grains. Elle croît avec la taille de ces derniers, se stabilisant pour une dimension critique voisine de 0,1 mm, et varie selon que les contraintes sont faibles ou fortes, les charges agissent directement ou indirectement, en brisant ou en déformant les grains abrasifs.
Les caractéristiques de l'ambiance modulent l'abrasion mais influent en général assez peu si la vitesse d'usure est grande.
Prévention.
L'abrasion est une usure typique des systèmes télescopiques : tiges de vérins, broches de machinesoutils, certains paliers ... Il faut empêcher l'entrée des corps étrangers par une bonne étanchéité et imposer des jeux plus petits que les particules abrasives, si l'on sait que ces dernières sont assez grosses.
Il faut aussi donner une dureté maximale à la pièce qui défile devant la zone de contact et faire l'autre aussi « tendre » que possible pour qu'elle puisse « enliser » les particules abrasives. Un coussinet trop dur incrustant des corps étrangers use davantage l'arbre.
Il est essentiel que les particules abrasives et les débris d'usure soient évacués des zones frottantes. Il faut impérativement prévoir des sculptures ou des moletages, si aucune circulation de lubrifiant ne permet cette évacuation.
L'usure des matériaux purs est à peu près inversement proportionnelle à leur dureté mais le rapport de proportionnalité varie avec leur structure. Généralement on diminue l'abrasion en augmentant la dureté superficielle sur une profondeur importante. Une meilleure résistance à l'oxydation et à la corrosion donne moins d'oxydes abrasifs, l'écrouissage augmente la dureté et la résistance à l'usure.
Il y a 30 ans on n'utilisait que les fontes et les aciers spéciaux, avec le chrome comme élément d'alliage privilégié. Depuis, la palette s'est élargie à certaines matières plastiques et céramiques.
Pour les métaux ferreux on peut utiliser des structures martensitiques ou apporter un fort pourcentage de phases dures, carbures ou nitrures. On trouve, par ordre de résistance décroissante :
Certains polymères résistent bien à l'abrasion, car ils absorbent beaucoup d'énergie avant de se fragmenter. Les revêtements durs sont souvent une solution. Cependant, si l'abrasif n'est pas trop dur, on peut parfois utiliser un matériau tendre protégé par des inclusions de matériau très dur.
Usure par adhésion.
Aspect des dégâts.