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Érosion.
Aspects des dégâts.
L'érosion est une usure abrasive particulière, causée par des impacts de particules solides contenues dans un fluide en mouvement ou par des particules liquides en milieu gazeux.
Lors des chocs, il y a ébranlement du matériau de la surface et bris du système cristallin, les dégâts sont fonction de l'énergie cinétique, donc de la masse et du carré de la vitesse de la particule. L'enlèvement de matériau croît très vite avec la vitesse, comme la cinquième puissance pour les gouttes.
Le comportement est très différent selon la nature du matériau.
Nature du phénomène.
L'érosion diffère de l'abrasion car elle est corrélée avec l'énergie cinétique des particules qui, frappant les surfaces à grande vitesse, créent des petits cratères par déformation plastique du matériau sous l'effet du cisaillement. La perte de matière résulte de la coupe ou des déformations alternées des aspérités formées par les impacts successifs.
Quand l'angle d'impact est faible, le phénomène de coupe est important, la résistance du matériau dépend très étroitement de sa dureté. S'il est grand, l'usure est due à la déformation des surfaces et le phénomène est beaucoup plus complexe : un matériau moins dur mais plus tenace peut fort bien résister.
Prévention.
La résistance est liée au paramètre formula_1 qui indique la quantité d'énergie absorbée avant fissuration. On peut traiter les surfaces ou les revêtir de métaux ou alliages durs mais le mieux est d'empêcher les impacts par tous les moyens possibles.
En érosion par impact comme en abrasion sous faibles contraintes, l'emploi de certaines matières plastiques ou élastomères est possible, par exemple des polyuréthannes spéciaux utilisés sous forme de revêtements. Un certain nombre de matériaux souples sont connus par leurs noms commerciaux : RILSAN ®, PEBAX ®, ABCITE ®, HYPSAR ®.
Dans tous les autres cas c'est la dureté superficielle du matériau qui intervient : il faut opposer à l'abrasif une surface plus dure que lui et peu fragile.
Cavitation.
La cavitation exige un mouvement relatif entre un solide et un fluide. Elle concerne en premier les organes pour fluides, pompes, hélices de bateaux ... mais aussi certains mécanismes lubrifiés : coussinets de moteurs ou engrenages, par exemple.
Aspect des dégâts.
Des trous, à peu près hémisphériques, apparaissent hors de la zone frottante ou à sa limite, puis l'ensemble de la surface est rongé. La destruction, souvent catastrophique, est très rapide et très bruyante. C'est la cavitation que l'on entend lorsque l'eau « chante » dans une bouilloire.
Nature du phénomène.
Quand la pression du fluide descend localement au-dessous d'une valeur critique (pas forcément sa tension de vapeur), des bulles se forment soudain à partir de germes : gaz dissous, microbulles, impuretés, rayures ... Quand la pression remonte, les bulles implosent, la brutale condensation de la vapeur projette les molécules du liquide sur les parois, créant une onde de choc.
Lord Rayleigh a montré que les pressions atteignent plusieurs milliers de bars. Les effets sont surtout mécaniques et les chocs successifs fatiguent les surfaces, surtout en présence de défauts. Les trous sont autant d'amorces et se creusent davantage.
Pour comprendre le rôle des défauts, il suffit d'observer un verre de champagne que l'on vient de remplir. D'abord, le gaz s'échappe de façon énergique pendant plusieurs secondes, formant une mousse qui ne tarde pas à retomber. Au bout de quelques minutes, le liquide est calmé et l'on peut apercevoir des colonnes de petites bulles montant de certains points précis de la surface du verre. Le dégazage ne se produit pas dans les zones où le verre est parfaitement lisse, mais seulement là où se trouvent d'imperceptibles défauts, rayures, microbulles, inclusions, ... Si l'on introduit maintenant dans le liquide un objet très irrégulier, par exemple un biscuit à la cuiller, l'effervescence reprend aussitôt avec vigueur.
Nous disions plus haut que tout le monde a déjà entendu la cavitation. Mettons donc une casserole d'eau sur la plaque électrique ou sur la flamme du gaz.
La théorie n'a pas encore permis de relier la cavitation aux propriétés mécaniques des matériaux. On sait par contre qu'elle est maximale à une certaine température, qui dépend du fluide : en-dessous, ce dernier ne bout pas facilement, au-dessus, l'implosion est moins violente.
Prévention.
La première chose à faire est d'améliorer le tracé des pièces pour éviter autant que possible les dépressions. Il faut ensuite diminuer les « germes » : filtrer les huiles, améliorer l'état des surfaces et leur intégrité cristalline.
D'après Hammit, un matériau supporte bien la cavitation si sa charge de rupture, sa limite d'élasticité, sa résilience et sa limite de fatigue sont élevées. Il doit de plus être ductile et à grain fin. La résistance dépend aussi de la capacité d'amortir les ondes de choc et nécessite une tenue minimale à la corrosion et à l'oxydation. Il y a de nombreuses exceptions.
Les meilleurs matériaux sont les stellites et certains polyuréthannes non chargés (polyuréthanne prend deux « n », c'est un nom commercial). Comme pour l'érosion, on peut conseiller des matériaux souples connus par leurs noms commerciaux RILSAN ®, PEBAX ®, ABCITE ®, HYPSAR ®.
On utilise aussi des rechargements au plasma avec des métaux résistants à la corrosion comme le molybdène ou les alliages à base de cobalt ou de nickel.
Les contraintes résiduelles de compression, les traitements de surface de type nitruration, sulfinuzation, sont favorables.
Fatigue thermique.
C'est une dégradation par alternance d'échauffements et de refroidissements, qui touche des pièces comme les cylindres de laminoirs, les matrices de forge ... mais aussi les surfaces rectifiées dans de mauvaises conditions.
Aspect des dégâts.
La fissuration finale a un aspect caractéristique de mosaïque, dit de « faïençage ». Les fissures sont plus ou moins polygonales et suivent les joints de grains et s'enfoncent dans les matériaux perpendiculairement à la surface.
Nature du phénomène.
Les contraintes par flash thermique font alterner très vite compressions et tractions. Les premières déforment plastiquement les surfaces, les secondes descellent les grains par cisaillement, surtout si les joints sont oxydés. Le faïençage peut exister avant ou après frottement. Les contraintes résiduelles de traction, ou les contraintes de traction provoquées par le frottement, facilitent la dégradation.
Prévention.
Il faut utiliser des surfaces présentant un bon compromis entre la dureté et l'allongement à la rupture et introduire par traitement des contraintes de compression, à condition que ces dernières ne s'estompent pas dans le temps. La résistance à l'oxydation doit être bonne.
Naturellement, on diminue les risques de faïençage en diminuant les chocs thermiques par tous les moyens classiques.
Usure par dissolution.
Aspect des dégâts.
On constate, par exemple, une usure catastrophique d'outils de coupe utilisés dans des conditions sévères.
Nature du phénomène.
Le carbure de tungstène, vers 1100°C, migre dans les copeaux de métaux ferreux et l'outil est littéralement « mangé » par le fer chaud. Le phénomène est en fait plus général : par exemple certains métaux se dissolvent dans les polymères (Belii).
Prévention.
Il faut limiter l'échauffement des surfaces, en allant moins vite, en refroidissant, ... Un traitement de surface des outils peut être intéressant. Avec les métaux ferreux, on peut utiliser le carbure de titane qui ne s'y dissout pas.
Mécanismes d'usure des polymères.
L'usure est plus complexe que pour les métaux en raison d'une plus grande sensibilité à la température et de la nature spécifique des matériaux, dont la structure cristalline dépend entre autres des appareils de moulage. Après formula_2 cycles les poids moléculaires des couches de surface diminuent jusqu'à 30 %, parfois la destruction du matériau forme une sorte de matière graisseuse. La structure semble d'abord se réorganiser lors du frottement, puis elle se détruit.
L'interaction avec les métaux mérite une attention particulière. La dissolution de ces derniers peut être sélective : ainsi, le laiton frottant contre le polyéthylène s'enrichit superficiellement en cuivre par suite de la dissolution du zinc. L'enlèvement du métal peut former de véritables excroissances sur le polymère, ce que l'on rencontre fréquemment dans les engrenages à contact mixte.
Si les produits de destruction du polymère sont des matières actives, le métal est fragilisé et l'usure s'accroît. Cet effet a été particulièrement étudié par le chercheur soviétique P.A. Rehbinder. Le coefficient de frottement dépend alors beaucoup du temps de maintien en contact et l'adhésion augmente lors des arrêts répétés.
Effet de non détérioration et avaries dues à l'hydrogène.
Le Professeur russe Dmitry Garkunov vient d'être récompensé pour la découverte de l'effet de non détérioration et du phénomène d'usure accentuée par l'hydrogène, qui ouvrent de nouvelles voies à la recherche. La médaille d'or du British Tribological Trust qu'il a reçue le 26 mars 2006 est une récompense instituée il y a 35 ans par la reine Elizabeth d'Angleterre, suite à l'intervention d'un groupe de chercheurs qui ont mis en évidence l'énorme importance des applications tribologiques dans les économies nationales. On doit au Professeur Garkunov, à l'époque de l'Union Soviétique, la publication d'un manuel de tribologie réputé. Ses découvertes ont des applications dans de nombreuses branches industrielles comme la chimie, l'aéronautique, l'agriculture, les transports, etc. Depuis la création du prix, 34 personnes ont été récompensées, parmi lesquelles 6 Britanniques et 5 Russes.
L'effet de non détérioration consiste en ce que, dans certaines circonstances, les frottements ne détruisent pas les surfaces mais au contraire contribuent à les protéger. Des ions de cuivre ou d'autres métaux plus nobles introduits dans les zones frottantes provoquent des réactions d'oxydoréduction aboutissant, au cours du processus de frottement lui-même, à la formation de films protecteurs contre l'usure. Cela peut être comparé à l'action des fluides très particuliers qui, dans les articulations humaines, protègent les surfaces osseuses pendant des dizaines d'années.
Cet effet a été constaté il y a plus de 50 ans, lors de l'étude d'avaries à répétition dans des boîtes d'essieux d'avions de combat, au moment de l'atterrissage. La responsabilité du lubrifiant, trop agressif pour les pièces, fut vite démontrée. En changeant de lubrifiant, non seulement les avaries ont cessé mais l'effet de non détérioration a pu être mis en évidence. Il est curieux par ailleurs que cet effet ait pu, bien des années auparavant, protéger spontanément de l'usure des compresseurs frigorifiques : en effet, les tubes en cuivre des échangeurs laissent échapper des ions qui, transportés par le fluide frigorigène, finissent par créer une fine couche de cuivre sur les pièces frottantes. Avant la découverte de l'effet de non détérioration, on conseillait, à tort évidemment, d'éliminer cette couche à l'occasion d'un entretien ou d'une réparation.
L'usure accentuée par l'hydrogène va, quant à elle, à l'encontre de l'effet de non détérioration. L'hydrogène atomique produit par les matériaux frottants ou par l'humidité dans les zones de contact forme des composés susceptibles de faire littéralement éclater les surfaces frottantes, dans lesquelles se forment des fissures. Il s'est très vite avéré que l'un des meilleurs remèdes à la pénétration de l'hydrogène était l'effet de non détérioration lui-même, car les couches de cuivre (ou d'autres métaux comme l'or) sont étanches et empêchent la diffusion de l'hydrogène.
Ces effets étaient connus depuis un demi-siècle mais pas vraiment expliqués ; aujourd'hui on les étudie systématiquement et l'on trouve maintenant sur le marché de nombreux lubrifiants contenant des composés de cuivre, dont la nature même relève du savoir-faire industriel. Certains d'entre eux permettent même d'effectuer des réparations de surfaces endommagées sans même qu'il soit nécessaire de les démonter.
Naturellement, même en utilisant le meilleur lubrifiant du monde, on n'est pas à l'abri d'une avarie mais dans tous les cas, l'effet de non détérioration permet de considérables augmentations de la durée de vie des mécanismes et contribue à réduire les gaspillages : moins de machines mises hors d'usage et moins de frottement.
Règles fondamentales.
Ces règles ont été données par Jean-Jacques CAUBET dans son livre « Théorie et pratique industrielle du frottement ».
Éviter le contact des pièces en mouvement relatif tout en conditionnant leur surface pour résister à un contact accidentel.
Séparer les pièces par un lubrifiant en couche épaisse, un lubrifiant solide (le graphite est trop peu connu, le bisulfure de molybdène mal connu comme la panacée qu'il n'est pas), créer des plots de graisse, réaliser des rainures d'alimentation en huile, des facettes, des bassins relais, en évitant les « pattes d'araignée », particulièrement des rainures de réserve de lubrifiant pour les guidages plans hydrodynamiques, prévoir le démarrage onctueux.
Choisir des métaux qui soient compatibles, ainsi éventuellement que leurs oxydes. Usiner avec ou sans couche de Beilby. Le polissage mécanique, qui la conserve, est acceptable avec des couples de matériaux présentant des risques de filiation cristalline (acier et fonte), sinon la superfinition ou le polissage électrolytique, qui l'enlèvent, peuvent être meilleurs (chrome et argent).
Choisir la rugosité des pièces. La perfection des surfaces diminue les pressions, accélère le rodage, rend les films d'oxydes plus homogènes et plus solides, mais trop de poli nuit à l'alimentation des films lubrifiants. Les traits d'outils seront perpendiculaires au mouvement, sauf pour les corps convexes qui seront polis. Le brochage est bien meilleur que le tournage pour les portées courtes mais il ne faut jamais brocher ou mandriner un cylindre pour un déplacement axial. Polir au maximum les surfaces des tourillons et coussinets en régime hydrodynamique.
Introduire dans l'acier un métalloïde ou un métal de transition : carbone, soufre, azote, phosphore, étain.
Pour les structures de surface, éviter la ferrite et l'austénite, créer des contraintes résiduelles de compression, ne pas toiler les pièces ferritiques ou austénitiques qui retiennent les grains et deviennent ainsi abrasives, incliner les traits d'usinage par rapport à la direction du mouvement, cémenter, nitrurer ou sulfinuzer.
Éviter le défoncement en profondeur par surpressions hertziennes, les fractures et écaillages par excès d'écrouissage.
Éviter à tout prix les surcharges et les appuis sur arête, donner du bombé aux pièces. Prévoir un couple de frottement, c'est avant tout fixer des tolérances, il faut donc étudier les déformations, les dilatations, ...
Si un métal frotte sur lui-même à une température suffisamment faible pour ne pas relâcher l'écrouissage, c'est la surface la plus grande qui s'use le plus et le plus vite, la plus petite s'écrouit davantage et devient plus dure, en même temps le film adsorbé devient plus résistant. De même, un coussinet sulfinuzé n'offre qu'une sécurité médiocre tandis que la sulfinuzation de la portée de l'arbre est bien meilleure.
La rigidité des surfaces est favorable en raison de l'augmentation de la solidité des films d'oxydes adsorbés et d'une moindre aptitude aux soudures froides, mais elle augmente les pressions hertziennes et la fatigue des couches profondes.
Plutôt que de rechercher, face à une avarie, un matériau plus performant, il est souvent préférable de modifier les caractéristiques de la sollicitation.
Ventiler rationnellement les calories.
La zone de frottement est toujours une source de chaleur.
On appelle L est la conductivité thermique d'un matériau, c sa chaleur massique et d sa densité. Lorsque le frottement a lieu entre deux surfaces géométriquement et cinématiquement équivalentes, les calories se répartissent entre elles proportionnellement au facteur formula_3. Le corps pour lequel ce facteur est le plus grand facteur doit être le mieux ventilé.
Une surface d'antifriction ou de graphite frottant sur de l'acier reçoit beaucoup moins de calories que ce dernier.
Généralement la pièce sur laquelle la zone de frottement parcourt la plus grande distance est aussi la plus facile à ventiler (par exemple, un disque de frein). C'est elle qui doit recevoir le maximum de calories.
Les échauffements anormaux peuvent être estimés par la coloration de l'acier :
Une pièce de frottement fixe par rapport à la charge ne doit avoir aucun rôle d'alignement ou de précision, car elle se courbe sous l'effet de la dilatation différentielle.
Il est essentiel de fixer la température du revenu avant rectification en fonction de l'échauffement prévu en marche.
On doit éviter tout régime onctueux s'il y a le moindre risque d'élévation de température : l'échauffement favorise la désorption des couches adsorbées, il faut alors prévoir des couples de métaux totalement insolubles l'un dans l'autre.
Éviter les accidents connexes tels que la corrosion, la cavitation, l'érosion.
Les remèdes ont été précisés aux différents chapitres.
Définir au bureau d'études les protocoles à respecter pour le rodage.
Le rodage est l'ensemble des processus chimiques et métallurgiques qui améliorent l'ajustage, la topographie de surface et la compatibilité de frottement des organes d'une machine neuve. Dans le langage courant, le mot évoque les précautions à prendre lors des premières heures de fonctionnement. C'est en fait une première usure, d'abord très rapide puis ralentie, à conduire avec soin pour ne pas compromettre le fonctionnement ultérieur.
Pendant les premiers instants, les plus délicats, il faut éliminer les aspérités prêtes à se détacher et améliorer la rugosité pour mieux répartir les charges. Un paradoxe est que les nouvelles structures engendrées dans les couches superficielles doivent protéger contre l'usure, de ce fait elles nuisent à l'abaissement de la rugosité, qui n'est autre qu'une usure ...
L'amélioration des portées doit se faire par accommodement (déformation) plutôt que par émission de débris. Les surfaces parfaitement polies en vue de l'établissement d'un frottement hydrodynamique doivent être écrouies le plus vite possible.
L'échauffement doit être surveillé : il facilite la répartition des contraintes par accommodement mais engendre un risque de grippage ou de collage épidermique. Il faut augmenter lentement les charges et les vitesses pour produire un accommodement par rotation des grains, préférable à l'écrouissage des grains eux-mêmes. Ne pas introduire de contraintes résiduelles par labourage juste après les avoir éliminées !
Les traitements de surface peuvent beaucoup faciliter les choses. Sur une surface non traitée, en cours de rodage. Le métal flue de part et d'autre des aspérités, en formant des bourrelets qui vont être éliminés en cours de fonctionnement. La période de rodage sera dangereuse à franchir et le fonctionnement ultérieur peu sûr. Au contraire, une pièce protégée par une couche à la fois dure et ductile fluera en profondeur sans notable émission de particules d'usure. Le rodage se passera bien et renforcera la surface dont le comportement ultérieur sera amélioré.
L'amélioration de la géométrie se fait avant la disparition totale des stries d'usinage. La somme arithmétique des rugosités des deux pièces doit être supérieure à celle des tolérances de forme, sinon le rodage n'a jamais de fin.
Les abrasifs doivent être proscrits, sauf pour roder ou polir des pièces très dures sans ferrite ni austénite, ou pour des pièces dont le traitement ultérieur, par exemple une sulfinuzation, détachera ou enrobera les fragments abrasifs incrustés.
Les pressions doivent se répartir sur des surfaces suffisantes, qui justement croissent lors du rodage. Les débris amorphes bourrent le fond des sillons et y contribuent, mais ils sont très grossiers en cas d'augmentation trop rapide des charges et dans ce cas ils favorisent l'usure.
Les lubrifiants dont la viscosité croît avec la pression, comme les dérivés pétroliers, répartissent mieux les charges. Il faut un lubrifiant propre et abondamment renouvelé, éventuellement avec un dope approprié. Une bonne pâte à roder comporte :
Lorsque la pièce est destinée à un frottement sous fortes charges, elle doit être soumise en fin de rodage à des efforts de surface plus importants que ceux qui la solliciteront ensuite, pour augmenter l'épaisseur de la couche écrouie. La vitesse doit en revanche rester inférieure aux vitesses normales prévues ultérieurement.
Beaucoup d'expériences et d'études ont permis de préciser les paramètres du rodage et de l'usure douce des mécanismes durant leur vie utile.
L'évolution des surfaces peut être décrite à l'aide de la courbe de portance d'Abbott-Firestone qui représente en pourcentage la surface de portance en fonction de la profondeur atteinte par l'usure. Si l'usure est douce on doit atteindre 100 % de portance lorsque toutes les stries d'usinage ont été éliminées. Si l'usure est sévère l'état de surface ne s'améliore pas. L'évolution dépend de la forme des aspérités.
Imposer en fabrication les contrôles de métallurgie, géométrie, macro et microtopologie spécifiques du frottement.
Voici quelques exemples cités par CAUBET :
En frottement il faut proscrire les surfaces décarburées, la perlite trop grossière (à régénérer), l'excès d'austénite et de cémentite, les files d'inclusions qui amorcent les tapures de trempe, l'austénite résiduelle et les inclusions de sulfure de manganèse, les défauts d'adhérence de couches déposées, les structures fragiles de Widmanstatten ...
Un protocole de fabrication qui donne satisfaction doit être codifié et il ne faut alors le changer, même légèrement, qu'avec la plus grande prudence.
Respecter l'homogénéité du projet : un bon couple de frottement doit durer exactement l'âge de la machine, et toutes les pièces s'user ou vieillir ensemble.
L'usure doit être prise en compte dès le début d'un projet. Il faut prévoir des durées de vie (moteurs, roulements ...), des épaisseurs consommables (20 mm sur les jantes des roues du matériel ferroviaire) ...
L'ensemble des formes de vieillissement doivent mener simultanément le mécanisme à sa fin.
Compléments.