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Le matériau d'une pièce est transféré et solidement soudé sur l'autre. Les pièces peuvent être immobilisées par un grippage, dont la forme n'est reconnaissable qu'au début, avant que les surfaces ne soient complètement défigurées.
Contrairement à ce qui se passe dans le cas de l'abrasion, de brusques changements de régime d'usure peuvent résulter de légères modifications des paramètres. Pour des surfaces non lubrifiées, le coefficient de frottement n'est pas multiplié par plus de vingt mais le taux d'usure peut varier d'un facteur un million.
Il faut insister sur la solidité des soudures formées par usure adhésive.
Nature du phénomène.
La matière d'une pièce est transférée sur l'autre pendant le mouvement par soudage en phase solide. Les métaux, s'ils sont mutuellement solubles, forment des alliages par diffusion.
On sait calculer ou mesurer la force d'attraction entre deux matériaux mais pas la force de décohésion une fois le contact établi. La séparation par décohésion ne se fait pas d'un coup mais se propage comme une fissure ; le frottement vient de la force requise pour cisailler les jonctions.
Le grippage épidermique, conséquence extrême du frottement par soudure, est facilité par divers facteurs comme :
L'effet de la charge est double : l'échauffement et la rupture des films d'oxydes favorisent l'usure adhésive, comme pour les engrenages lourdement chargés. La vitesse a deux effets opposés : elle facilite la formation de films d'huile, mais en même temps elle la limite par l'échauffement qui diminue l'adsorption des films superficiels protecteurs et la viscosité des lubrifiants. L'ambiance modifie les propriétés des surfaces, entre autres par la formation d'oxydes. C'est dans le vide que les risques de grippage sont les plus élevés.
Prévention.
Il faut choisir des couples de matériaux n'offrant aucune possibilité de filiation cristalline résistante. Les suivants sont couramment utilisables en atmosphère non oxydante (attention, l'argent et le cobalt sont compatibles mais pas leurs oxydes !).
En fonction des circonstances, on peut essayer d'autres couples. Les données de l'ambiance (milieu chimique, lubrifiant, ...) sont ici très importantes.
On peut métalliser les pièces, en se méfiant de la fragilisation par l'hydrogène lors des dépôts électrolytiques.
Deux métaux incompatibles peuvent devenir compatibles par l'action d'un troisième élément : ainsi la présence d'étain dans l'aluminium rend ce dernier compatible avec l'acier, au point que l'on fabrique des coussinets en alliage aluminium-étain., De même, l'acier sulfinuzé frotte correctement sur l'aluminium alors que le frottement acier-aluminium est catastrophique.
Pour les métaux ferreux, les structures martensitiques, perlitiques ou encore bainitiques conviennent mieux que les structures continues ferritiques ou austénitiques. Les traitements thermiques de durcissement sont favorables : trempe, cémentation, nitruration, carbonitruration ...
La fonte secrète son propre manteau protecteur en graphite, mais doit être usinée correctement. Ainsi, la finition par pierrage des chemises de moteurs impose des choix difficiles : avec les outils au carbure de silicium, de minuscules arêtes tranchantes coupent le métal d'une façon très franche. Les lamelles de graphite affleurent, la qualité frottante est bonne, mais l'outil ne reste tranchant que grâce à l'usure qui amène à sa surface de nouvelles arêtes : il faut donc le re-profiler régulièrement.
Les outils diamantés ont une durée bien supérieure mais leurs arêtes plus ou moins émoussées refoulent le métal plus qu'elles ne le coupent : la pression chasse le graphite et forme une couche de métal écroui. Une telle surface dite « manteau de tôle » (en allemand Blechmantel), « peau en écailles de poisson » (en anglais fishscale skin), frotte mal, surtout quand le glissement prend les écailles « à rebrousse-poil ». Elle augmente la consommation d'huile, mais reste cependant tolérable si les segments sont métallisés au molybdène.
Deux surfaces à stries aléatoires perpendiculaires au sens de la marche ne peuvent frotter que par cisaillement, quelles que soient leurs structures cristallines, ce qui répartit l'usure et augmente les portées.
Dans le cas contraire l'état de surface ne s'améliore pas, l'échauffement est concentré sur des zones étroites et le contact est prolongé, ce qui favorise le grippage. Les surfaces bombées, comme les dents d'engrenages, ne sont par contre jamais assez polies.
L'utilisation de métaux de duretés trop voisines augmente l'aire de contact et les risques de grippage. Une haute limite d'élasticité, une différence de dureté d'au moins 100 Hv et des structures différentes limitent l'adhésion. Le matériau le plus dur doit être le mieux poli pour ne pas limer l'autre mais aussi pour limiter la déformation des aspérités. Les matériaux monophasiques grossiers résistent moins bien que les polyphasiques à grains fins.
On peut faciliter le frottement par cisaillement entre les pièces avec des métaux mous déposés en faible épaisseur sur un support dur (coussinets minces), des sels métalliques apportés par traitement (sulfinuzation, phosphatation) ou des lubrifiants, surtout avec des additifs « extrême pression » formant in situ des sels organométalliques adhérents.
Usure par corrosion, usure chimique.
La corrosion n'est pas directement liée aux mouvements des pièces, mais elle interagit avec le frottement.
Aspect des dégâts.
Les pièces sont rongées et portent de nombreuses piqûres ou crevasses. L'usure est aggravée par les contraintes mécaniques et le frottement.
La corrosion attaque de façon différentielle les constituants des matériaux polyphasiques. Elle peut par exemple éliminer le plomb d'un cupro-plomb, le métal est devenu alors poreux en surface au point de se désagréger. Dans une fonte grise elle peut détruire la perlite et laisser en place le graphite et la cémentite.
Nature du phénomène.
Les surfaces réagissent avec les ambiances agressives, les lubrifiants altérés ... L'attaque chimique ou électrochimique est en général d'abord rapide, puis ralentie par la formation de films plus ou moins protecteurs qui peuvent passiver les matériaux et stopper, au moins provisoirement, le processus.
Le frottement peut accélérer la corrosion s'il élimine des films d'oxydes ou de sels peu résistants, inversement la corrosion peut détruire les qualités frottantes des surfaces. Les films superficiels durs peuvent améliorer la résistance à l'usure mais s'ils se détachent, ils risquent de favoriser l'abrasion.
On provoque une corrosion volontaire et contrôlée avec les lubrifiants contenant des additifs « extrême pression » qui couvrent les pièces de composés mous faciles à cisailler et donnant un très faible taux d'usure : chlorures, sulfures, phosphates ... mais l'attaque chimique peut se poursuivre si ces additifs sont trop actifs ou ionisés par de l'eau de condensation.
Les effets chimiques sont très importants lors de l'usure des polymères, qui sera envisagée plus loin.
Prévention.
Il faut utiliser des matériaux appropriés au milieu, exempts de fissures et de porosités, éviter la formation de couples électrochimiques. Les additifs détergents avec réserve d'alcalinité sont intéressants, de même que les antioxydants (pour l'huile) et les anticorrosifs.
Corrosion de contact.
Bien avant la révolution de 1789 les compagnies françaises de transport par diligence avaient remarqué la destruction des pièces frettées et des moyeux avec émission de « poudre rouge ». La première mention du phénomène dans la littérature scientifique peut être relevée en 1911 : Eden-Rose-Cunningham décrivent les dégâts qu'ils ont constaté sur les attaches des éprouvettes d'une machine d'essai des matériaux. Tomlinson, en 1927, utilise pour la première fois le terme « fretting-corrosion ». On parle aussi d'« oxydation de frottement » et en 1952 a lieu le premier symposium consacré uniquement à ce sujet.
Tomlinson écrivait en 1939 : « Bien que la présence de produits d'oxydation indique qu'une action chimique accompagne le phénomène, le processus n'est certainement pas une corrosion au sens habituel du terme ».
La corrosion de contact est connue sous des noms très divers : traditionnels (poudre rouge), français (corrosion-frottement, frottement-fatigue, usure induite en petits débattements) ou anglais (fretting corrosion). Le terme « corrosion de contact » est en fait mal adapté car il donne une fausse idée de la réalité ; « usure induite en petits débattements » est plus correct mais n'informe nullement sur le déroulement des dégradations.
Aspect des dégâts.
Strictement limitée aux zones de contact, cette forme d'usure est propre à des mécanismes ou assemblages soumis à de petits déplacements tangentiels rapides ou à des vibrations sous forte charge. Les surfaces commencent généralement par se colorer, puis elles se creusent de cavités remplies des débris émis. On observe aussi, très souvent, des criques de fatigue.
Les métaux ferreux produisent en abondance une poudre rouge ou brune d'oxyde de fer Fe2O3, sous forme de particules plates et allongées. Toutefois, le phénomène ne concerne pas seulement les aciers, ni même les métaux, il se produit aussi avec certaines matières plastiques.
La corrosion de contact s'attaque particulièrement aux pièces de haute qualité : moteurs d'avions, clavetages et cannelures, manchonnages et emmanchements, roulements, mors de machines de fatigue, portées de culasse sur bâtis de moteurs ... On peut dire qu'il s'agit d'une usure « de luxe ». Elle touche aussi les lames de ressorts et les assemblages : têtes de rivets, voisinage des points de soudure, liaisons boulonnées ... Le phénomène est commun, difficile à éviter, et il ne s'arrête jamais de lui-même.
Nature du phénomène.
La complexité du phénomène a fait apparaître diverses théories concurrentes pour expliquer l'émission de particules et la formation d'oxydes. Rapidement, les théories de Bowden et Merchant sur l'usure adhésive amenèrent à prendre en compte la formation de jonctions au niveau des contacts des aspérités des surfaces.
Ces aspérités, dénudées par la rupture des couches d'oxydes subissent des pressions et des températures très élevées ; Caubet et Amsallem ont même parlé de plasma dans la zone interfaciale. Il en résulte des microsoudures identiques à celles qui produisent le grippage, phénomène dont la corrosion de contact, au début, est toujours très proche.
Le soudage par imbrication des systèmes cristallins est suivi de flexions alternées des jonctions. Des débris naissent de la rupture des microsoudures ou des joints de grains. Écrouis, broyés, mais incapables de s'échapper, ils s'oxydent rapidement et s'agglomèrent, provoquant une abrasion de plus en plus intense contre laquelle il n'existe pas de remède miraculeux. Le coefficient de frottement baisse considérablement à cause de la poudre mais cela n'arrête nullement le désastre.
Le rapport de la surface au volume des particules, augmenté par frottement, facilite l'oxydation. L'oxyde Fe2O3 est formé après passage par la poudre de fer, par l'oxyde FeO instable en-dessous de 570°C ou éventuellement par FeO(OH), puis par la magnétite Fe3O4 de couleur gris-bleu. Les effets mécaniques s'accompagnent d'effets chimiques complexes comme l'absorption de l'azote atmosphérique qui facilite l'amorçage des ruptures de fatigue.
L'usure par corrosion de contact augmente linéairement avec le nombre de cycles si l'atmosphère n'est pas oxydante, sinon elle est quasi exponentielle. Peu de processus sont aussi destructeurs. Une fois qu'elle est amorcée, on ne peut que retarder la destruction par des apports massifs de lubrifiants.
La diminution de la résistance à la fatigue des pièces, à la suite de la corrosion de contact, a été signalée dès 1911. De nombreux chercheurs ont mis en évidence l'existence de microfissures dans les zones de contact atteintes par le phénomène. Il n'est pas évident d'établir des relations de cause à effet entre la corrosion de contact et la fatigue mais il semble établi que ce sont pour une large part les mêmes conditions qui provoquent les deux phénomènes. Il est quasi certain en tous cas que la corrosion de contact multiplie les sources de fissuration à partir desquelles s'amorcent les ruptures par fatigue, et les fissures atteignent plus vite la taille critique à partir de laquelle elles deviennent dangereuses.
La théorie du délaminage, introduite par Suh en 1973, apporte un autre point de vue sur l'ensemble des formes d'usure et plus particulièrement sur la corrosion de contact. Elle repose sur l'évolution des dislocations qui se produisent dans les sous-couches lors des déformations plastiques. Il en résulte la formation de fissures, surtout lorsque le matériau est affecté par la présence d'inclusions. Lorsque ces fissures se rejoignent, des particules peuvent être arrachées. Cartier, Caubet et Racine avaient fourni les bases de cette théorie en 1970. La théorie du délaminage a permis de mieux comprendre l'émission de particules plates.
Moreau a montré en 1980 que dans certains tribocontacts avec frottement oscillant, les déformations plastiques pouvaient provoquer un endommagement par fatigue sans pour autant que l'on assiste à l'émission de débris et à l'apparition d'oxydes.
Des pièces polies, des matériaux durs, des mouvements alternés avec microglissements, des jeux faibles, de basses températures atmosphériques, un milieu sec, de même que des pressions élevées mais insuffisantes pour empêcher le glissement, sont autant de facteurs favorisant la corrosion de contact. Cette dernière apparaît pour des glissements de l'ordre du micromètre et devient courante s'ils atteignent 0,01 mm.
Il semble qu'il existe un seuil d'endommagement irréversible au-delà duquel la durée de vie des pièces est diminuée, même si l'on a réussi à empêcher la corrosion de contact.
Un phénomène voisin, appelé « faux brinnelling », s'en prend aux roulements quand ils sont à l'arrêt, mais soumis à des vibrations. De petits « cratères » apparaissent au niveau des contacts des billes ou des rouleaux. Pendant la dernière guerre mondiale, lors du transport par trains de camions Chrysler, les roulements étaient profondément rongés sans que les camions aient servi !
Prévention.
Il faut éviter l'adhésion par des matériaux compatibles et en plus lutter contre l'oxydation par des revêtements de métaux mous et nobles (cuivre, argent, or, nickel, molybdène) ou des traitements (sulfinuzation, nitruration, pour l'aluminium grenaillage et oxydation anodique). Pour les métaux ferreux on doit préférer les structures martensitiques. Parmi les solutions éprouvées on note le frottement fonte sur fonte (le graphite assurant une bonne protection), les revêtements de phosphate ou de lubrifiants solides du style Molykote, ou l'acier laminé à froid sur lui-même.
On utilise aussi des revêtements plastiques ou des matières plastiques inertes (P.T.F.E.) frottant sur des placages d'or ou un chromage dur.
L'introduction entre les surfaces d'un troisième corps approprié peut être une solution intéressante. La lubrification retarde seulement la corrosion de contact, en diminuant l'oxydation qui transforme les débris en abrasifs. Le bisulfure de molybdène dans la graisse graphitée peut donner de bons résultats, ainsi que d'autres lubrifiants solides, des poudres d'oxydes, etc.. Choisir des huiles fluides ou des graisses inoxydables avec des savons d'aluminium, en évitant les dopes.
On peut aussi chercher à diminuer les petits mouvements alternés de diverses manières : remplacement du glissement par le roulement ou par des liaisons élastiques, augmentation du jeu, tracé de pièces courtes et rigides, augmentation des pressions de contact et de l'adhérence (assemblages plus serrés), changement des fréquences propres pour éviter les résonances, dispositifs antivibratoires, immobilisation des pièces et des éléments de machines pendant le transport, etc.
Une rectification est plus mauvaise qu'un usinage classique mais paradoxalement, une superfinition diminue le phénomène.
Surcontraintes.
Le passage d'un curseur sur une surface engendre un ensemble complexe de contraintes, entre autres :
Seules les premières peuvent causer les accidents brutaux examinés ici, les secondes peuvent provoquer du fluage et les troisièmes des phénomènes de fatigue étudiés plus loin.
Aspect des dégâts.
Des fissures disposées en arc de cercle comme des écailles de poisson, marquent la surface. Leur direction générale est perpendiculaire au mouvement. Elles se forment à partir de défauts superficiels, par exemple une rayure ou une inclusion, puis s'enfoncent dans le matériau, tendant à devenir parallèles à la surface.
Nature du phénomène.
Les contraintes de traction accompagnant le passage d'un glisseur sont capables de fissurer la zone arrière du contact, si elles dépassent la résistance à la rupture du matériau.
De telles fissures apparaissent déjà dans les contacts statiques. Ainsi, une bille d'acier pressée sur un plan en verre ne provoque aucune dégradation dans la zone centrale pourtant soumise aux plus fortes pressions mais elle cause, un peu à l'extérieur du cercle de contact, une fissuration de forme générale tronconique dont l'angle répond à la loi d'AUERBACH. La fissuration est grandement facilitée en présence d'efforts tangentiels et si ces derniers sont suffisants pour entraîner le glissement, alors on trouve toute une série de ruptures successives le long de la zone frottante.
Des expériences faites avec un plan de carbure de titane sur lequel on fait frotter une bille du même matériau ont montré que la fissuration pouvait se produire sous des charges normales qui peuvent varier de 400 N (charge purement statique dans l'air) à 1 N (frottement avec un coefficient de 0,9 dans le vide ou dans un gaz inerte). Ceci remet en cause l'affirmation selon laquelle, pour résoudre des problèmes de frottement dans des conditions très sévères, il faut faire appel à des matériaux très durs. Un auteur a pu écrire, dans le même ordre d'idées, que « le frottement des céramiques est parfois l'une des méthodes les plus onéreuses pour fabriquer du sable ». Il faut donc y regarder de plus près !
Les déchirures par surtension sont bien corrélées avec les calculs de contraintes maximales de tension et les propriétés de résistance à la traction des matériaux.
L'examen des surfaces indique parfois si les fissures sont apparues après un grippage ou si elles l'ont provoqué.
Prévention.
Utiliser des matériaux résistants à la traction, diminuer les pressions et le frottement, éviter les contraintes résiduelles de tension dans les zones frottantes, éviter les défauts de surface.
Fluage superficiel.
Aspect des dégâts.
On remarque des écoulements de matière sans grand relief et très étalés.
Nature du phénomène.
Le matériau flue sous l'effet d'un état de contraintes de compression triaxiales, ce qui peut se produire même s'il est relativement fragile, comme par exemple de l'acier cémenté.
Prévention.
Diminuer les pressions et le frottement, utiliser des matériaux très résistants à la compression.
Fatigue.
L'usure par fatigue est lente et habituellement masquée par l'abrasion ou l'adhésion. Induite par le frottement de roulement ou de roulement avec glissement sous fortes charges répétées, on la rencontre essentiellement dans les engrenages et les roulements dont elle constitue le mode normal de destruction.
Une longue phase de vieillissement précède les accidents visibles. Une pièce peut être atteinte irrémédiablement tout en gardant jusqu'au dernier moment une apparence intacte. Il existe cependant un certain nombre de manifestations extérieures qui permettent, dans certains cas, un suivi des pièces en service.
Aspect des dégâts.
Il y a en fait deux sortes d'avaries distinctes :
la fatigue superficielle par écrouissage.
Elle est due aux contraintes maximales de traction ou de compression : le premier signe visible est une apparence brunie, un éclat lustré du métal et la disparition des marques d'usinage. L'incubation est assez courte, survenant même dans des contacts peu chargés, puis de petites piqûres se forment, alignées le long des aspérités initiales.
L'accident typique est le pitting, ou piquage, des engrenages : le point de cisaillement maximal étant situé à la surface, des fissures se développent perpendiculairement à la direction du glissement, prenant parfois la forme d'un V pointant dans la direction du mouvement. Elles ne sont véritablement dangereuses que si le métal est apte à les propager.
Des microécailles ou « pits », de quelques centièmes de mm dans la direction de la surface et en profondeur, sont émises. Les piqûres sont facilement reconnaissables à leur forme en éventail. La pointe est généralement tournée vers le pied des dents motrices et vers le sommet des dents menées, l'angle va de 60 à 120° et l'autre extrémité est toujours largement arrondie.
la fatigue profonde ou écaillage.
Après un long temps de vieillissement se produit une émission brutale de particules dont la surface atteint quelques mm2, la profondeur quelques dixièmes de mm, et dont la taille est sans rapport avec la structure du métal. L'usure s'étend par le bord des zones écaillées, découvrant progressivement les sous-couches dont l'aspect est poli.
Nature du phénomène.
Les aspérités recevant des pressions cycliques se dégradent par fatigue, même lorsqu'elles sont séparées par un lubrifiant. Les pièces bombées qui reçoivent des contraintes bien plus fortes que les pièces planes s'usent beaucoup plus.
L'endommagement créé par les déformations plastiques, en surface ou en profondeur selon les conditions, provoque des transformations métallurgiques (par exemple, il transforme la martensite en troostite plus fragile) et l'amorçage de fissures. Dans le cas du pitting, l'émission des microécailles est relativement rapide. Dans le cas de la fatigue profonde, amorcée à partir du point de cisaillement maximal, les défauts étalés sous la surface font que cette dernière se comporte comme un véritable placage.
Lors du contact de deux corps bombés, en effet, le cisaillement est maximal à une certaine profondeur sous la surface. Dans les contacts roulants, cette zone de cisaillement profond se déplace sous la surface, créant un endommagement progressif à partir de défauts localisés ou de joints de grains. Dans un premier temps, rien ne paraît à la surface mais vient un moment où se créent des fissures normales à la surface. L'écaillage se produit alors par flambage brutal de la peau de la pièce. Les cavités ont des bords rugueux et un fond lisse qui témoigne du frottement des couches superficielles sur le substrat, avant qu'elles ne se détachent.
Les détériorations par écaillage concernent au premier chef les roulements et les engrenages. Elles dépendent de nombreux paramètres : vitesse de glissement, rugosités, nature et microstructure des matériaux, duretés, contraintes de Hertz, inclusions, lubrifiant et additifs. Parfois, les contraintes dues à la flexion ou à la torsion peuvent accélérer le processus.
Prévention.
Il faut avant tout diminuer les contraintes de contact par une géométrie appropriée, réduire le frottement en évitant absolument l'adhésion. On doit aussi utiliser des matériaux avec aussi peu de défauts que possible, comme les aciers dégazés ou refondus sous vide dont sont faits aujourd'hui les roulements. On choisira des traitements augmentant la dureté et engendrant des contraintes résiduelles de compression : nitruration, cémentation, trempe superficielle, par exemple. La profondeur traitée doit dépasser le point de plus fort cisaillement, sinon le remède peut être pire que le mal.
Lubrifiants et fatigue de surface.
La viscosité intervient au niveau du coefficient de frottement et donc des contraintes, mais bien d'autres effets sont dus à la réactivité physico-chimique avec les matériaux. Voici quelques résultats obtenus lors des deux phases successives d'amorçage et de propagation des fissures de fatigue, avec des additifs placés dans une huile minérale à tendance paraffinique.
- effet des lubrifiants sur la propagation des fissures.
La présence d'huile a un effet bénéfique sur la propagation des fissures en réduisant la variation des contraintes, mais elle peut aussi multiplier par 10 cette propagation à cause d'autres effets : ouverture des fissures par pression hydraulique, pollution par des produits provoquant une corrosion, eau dissoute entraînant une fragilisation par l'hydrogène, etc. Globalement, le lubrifiant accélère la propagation des fissures de fatigue, les additifs ne semblent pas agir notablement sur ce phénomène.