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La tendance actuelle est de s'éloigner de considérations statistiques vers une analyse des champs de contraintes et des déplacements au niveau des aspérités. Les surfaces diffèrent des volumes tant par la composition que par les propriétés mécaniques. Elles forment des écrans pour les forces d'adhérence entre les solides, c'est pourquoi deux pièces peuvent être mises en contact sans coller. Ces écrans peuvent être détruits par le frottement, et se reformer par réaction avec l'environnement.
Le passage du frottement à deux corps au frottement à trois corps est très rapide, une séparation des deux premiers corps par le troisième peut survenir après quelques passages seulement.
Pour prendre un exemple, en faisant frotter une gomme sur une règle transparente, on observe les diverses phases :
Les troisièmes corps ne sont pas du tout homogènes. Leur élimination des contacts constitue l'usure proprement dite.
On peut dire en conclusion qu'un bon matériau de frottement sacrifie sa surface pour sauvegarder son volume.
L'usure et le monde vivant.
Comme dans le cas des machines, l'usure révèle des facettes diverses et parfois inattendues.
Usure dentaire.
Les dents des hommes et de la plupart des animaux s'usent naturellement par abrasion à trois corps. Ce processus était anormalement rapide parmi les populations qui consommaient beaucoup d'aliments à base de céréales moulues par des meules en pierre. L'examen des dents et de leurs rayures permet d'ailleurs aux archéologues de se faire une idée du régime alimentaire des individus étudiés.
Dans le cas des rongeurs, dont les dents poussent de manière continue comme si elles étaient extrudées, l'usure est à la fois inévitable en raison du régime alimentaire naturellement riche en matériaux abrasifs et nécessaire car elle permet aux incisives de conserver leur « affûtage ». En cas d'usure insuffisante, ces animaux doivent passer de longues heures à frotter leurs dents les unes contre les autres. Parfois, les éleveurs de lapins doivent intervenir pour couper les dents exagérément développées, par exemple celles qui font face à une dent cassée.
D'autres dégradations peuvent apparaître, en particulier sous l'effet de facteurs chimiques ou bactériens. Comme pour les machines, certaines formes d'usure s'excluent mutuellement, c'est ainsi que l'on ne trouve jamais de carie dans les zones qui subissent l'abrasion et réciproquement.
Érosion amélaire et « développement économique ».
L'érosion amélaire, qui détruit l’émail des dents, est en nette progression dans la plupart des pays développés. On estime que 20 % des Français en présentent les signes et la situation est sans doute beaucoup plus grave car cette estimation ne concerne que les patients qui se font soigner régulièrement !
Les dents atteintes par l'usure amélaire jaunissent et présentent souvent de petites craquelures à leur base. Des élancements ponctuels et une certaine gène peuvent apparaître, en particulier au moment du brossage, lorsque le phénomène atteint un stade déjà avancé. L’usure peut être classée en trois niveaux selon l’exposition de la dentine, 1/3 pour une usure faible, 2/3 pour une usure modérée etr davantage pour une usure prononcée. Dans ce dernier cas, la dent perd également de la hauteur, mais cette perte croît aussi avec l’âge du patient qui doit être pris en compte dans l'évaluation.
Le vieillissement de la population et surtout les changements dans nos habitudes alimentaires sont les principales causes de l'usure amélaire. Les sodas, généralement très acides, sont les pires ennemis de l'émail dentaire, surtout s'ils sont bus trop lentement et gardés dans la bouche. Chez les sportifs de haut niveau, on constate les effets désastreux des boissons « énergétiques » et de l'eau chlorée des piscines.
Pour éviter l'usure amélaire, il faut consommer sans excès et sans les conserver longtemps en bouche les aliments acides tels que les agrumes, les jus de fruits, les sodas, les condiments vinaigrés, les tomates, les asperges, les artichauts, les choux de Bruxelles, etc. Les effets négatifs du grignotage ont également été mis en évidence. La salive joue normalement un rôle protecteur en reminéralisant l'émail amolli par les aliments acides. Il faut lui laisser le temps d'agir et ne pas se brosser les dents immédiatement après la consommation de tels aliments. La consommation de lait et de fromages, qui contiennent du calcium, contribue à une bonne protection.
Le bruxisme.
Cette pathologie, qui touche environ 6 % de la population, est un comportement pathologique attribué au stress, à l'anxiété en période d'examens ou à une activité débordante. Pendant leur sommeil, les personnes atteintes serrent fortement les dents, de façon inconsciente, en accompagnant ou non ce serrage de mouvements simulant plus ou moins la mastication.
Usure et matériaux d'apport.
Les matériaux de réparation et les matériaux cosmétiques utilisés en art dentaire devraient, en toute logique, s'user au même rythme que les dents naturelles. Cette condition était à peu près réalisée avec l'or utilisé (de plus en plus rarement !) pour fabriquer des couronnes, mais elle ne l'est plus guère avec l'acier inoxydable ou les céramiques. En tout état de cause il vaut mieux que ce soit le matériau rapporté qui s'use, plutôt que le matériau naturel antagoniste, mais c'est loin d'être toujours le cas.
Arthrose.
La plus commune des affections articulaires touche plus de 30% des 45-65 ans. Peu douloureuse au début, elle s'accompagne à un stade avancé de vives douleurs et rares sont ceux qui ne connaissent pas, dans leur entourage, des personnes qui en sont frappées.
L'arthrose s'attaque aux cartilages des articulations, c'est-à-dire à un tissu vivant, élastique, démuni de vaisseaux sanguins mais poreux, qui constitue le « revêtement de surface » des os formant la charpente du corps de l'homme et des animaux vertébrés.
La défaillance des cellules du cartilage, appelées "chondrocytes", s'accompagne de la production excessive des "métallo-protéases", enzymes destructrices qui normalement participent au renouvellement de ce matériau très particulier.
La disparition localisée du cartilage met les os à nu et ceux-ci s'usent à leur tour par suite des frottements répétés. C'est à ce moment-là que la douleur s'installe. L'organisme réagit mais il le fait de façon anarchique, des formations osseuses « bourgeonnent » en périphérie des articulations et deviennent des excroissances appelées "ostéophytes". C'est ainsi qu'apparaissent, entre autres, les "becs de perroquet" sur la colonne vertébrale.
De nombreux facteurs prédisposent à l'arthrose ou favorisent son apparition. On estime qu'environ la moitié des cas relèvent d'une origine héréditaire, d'autres sont dus à l'obésité, à certaines activités professionnelles ou sportives entraînant la répétition de gestes identiques, sous forte charge et pendant de longues périodes. Des causes accidentelles, liées à des traumatismes articulaires ou à des fractures mal réduites, peuvent également amorcer ou favoriser le phénomène.
Dans beaucoup de cas, le handicap provoqué par la maladie impose le recours à un traitement chirurgical :
L'arthrodèse est une opération plus simple, plus brève et moins risquée que la pose d'une prothèse, elle évite les risques de descellement et on la propose lorsque l'immobilisation n'est pas trop invalidante, par exemple dans le cas des vertèbres, des poignets ou de la cheville.
Problématique des prothèses.
Naturellement, les prothèses peuvent être considérées comme des composants mécaniques, un peu particuliers en raison de leur implantation, mais qui se comportent comme tous les autres face aux diverses formes d'usure.
Les matériaux utilisables ne sont pas légion, en raison de la nécessaire compatibilité biologique avec le corps humain. Les principaux sont :
Le « lubrifiant » est très particulier puisqu'à la base il s'agit d'eau salée additionnée d'innombrables composés chimiques d'origine biologique. De plus, il n'est pas question de procéder à une vidange périodique comme avec n'importe quel moteur automobile. En l'absence de fonctionnement en circuit fermé, la nécessaire évacuation des débris d'usure est partiellement réalisée par la lymphe qui les transporte vers les filtres que constituent les ganglions lymphatiques. Ces derniers, d'ailleurs, finissent parfois par noircir chez les patients munis de prothèses en composite carbone-carbone.
Tribologie/Lubrifiants
Un peu d'histoire.
Dès l'Antiquité, l'homme a utilisé des corps lubrifiants d'origine animale ou végétale pour résoudre divers problèmes de frottement et de glissement.
Un bas-relief égyptien représente un homme versant de l'huile sur des planches afin de faciliter le glissement d'un traîneau chargé de pierres. Un chariot à roues retrouvé dans une tombe égyptienne, daté de 1400 avant J.-C., portait encore des traces du suif utilisé pour graisser les moyeux. Un ouvrage de Pline l'Ancien est d'ailleurs consacré aux lubrifiants et l'on a retrouvé les vestiges de deux savonneries à Pompéi.
À quelques exceptions près comme l'huile de ricin, les produits de l'époque étaient de médiocre qualité et vite dégradés. C'est probablement le développement des moyens de transport qui posa les premiers véritables problèmes de lubrification.
Les produits pétroliers étaient eux aussi connus : les Égyptiens se servaient d'asphalte pour embaumer leurs morts. Les bateliers d'Irak utilisent depuis des temps immémoriaux les bitumes pour calfater leurs embarcations. C'est en Chine que l'on a retrouvé les premières lampes à pétrole.
En 1627, une lettre patente autorisa l'exploitation commerciale à Pechelbronn, en Alsace, d'une source qui produisait une « huile de pierre » réputée pour ses propriétés thérapeutiques. En 1741 fut constituée la première société pétrolière de l'histoire, pour exploiter à côté de la source une veine de sable bitumineux dont on tirait une graisse apte à remplacer le « vieux oing » et le suif. Le roi Louis XV, conscient de l'intérêt de cette exploitation, la confia par lettre patente du 5 août 1772 à un certain Le Bel. De cette époque date l'origine de la société ANTAR, créée en 1927.
Dès le début de la Révolution industrielle et plus particulièrement à cause de la généralisation des machines à vapeur, la fabrication des lubrifiants prit de l'importance et quitta le stade artisanal. Plusieurs sociétés européennes spécialisées dans ce domaine ont d'ailleurs fêté récemment leur bicentenaire.
C'est la découverte et l'exploitation des champs pétroliers qui permit de disposer de bases minérales abondantes et bon marché. L'industrie du raffinage n'est pas née, comme on le croit généralement, de la fabrication de carburants, essence, gazole et fiouls, mais de la production de kérosène pour les lampes à pétrole et de lubrifiants. Le premier, supplanté par le gaz puis par l'électricité, a pris sa revanche comme carburant pour les turboréacteurs des avions. Les seconds ont connu une expansion jamais démentie depuis ...
En 1855 le chimiste américain B. Silliman, reprenant des travaux antérieurs, retrouva un certain nombre de produits naturels par distillation du pétrole : goudrons, lubrifiants, naphta, solvants pour les peintures ainsi que l'essence qui, considérée à l'époque comme produit mineur, était utilisée comme détachant.
En 1857, la ville de Bucarest était éclairée au pétrole.
Aujourd'hui, les chimistes savent améliorer les lubrifiants naturels par toutes sortes d'additifs ou « dopes » et aussi fabriquer toute une gamme de produits synthétiques. L'industrie des lubrifiants participe largement aux progrès de la construction mécanique depuis plusieurs dizaines d'années.
La France consomme chaque année environ un million de tonnes de lubrifiants dont la moitié pour les moteurs. Plusieurs centaines de sociétés ont leur activité principale dans ce domaine. Quelques unes sont très importantes et très connues mais la plupart des autres, plus discrètes et ignorées du grand public, disposent d'un remarquable savoir faire dans leur spécialité. La concentration industrielle est du reste très lente dans ce secteur.
Évolutions récentes.
Les cinquante dernières années ont marqué un tournant important dans le domaine de la lubrification et des produits lubrifiants. Les charges et les vitesses des machines ont énormément augmenté et la manière de les lubrifier a beaucoup changé.
Fonctions des lubrifiants.
Elles sont multiples :
Choix d'un lubrifiant.
C'est une question très complexe et l'on peut dire qu'à chaque sorte de contact mécanique correspond une composition de lubrifiant optimale (ou moins mauvaise que les autres ...) et une façon de la mettre en œuvre. À la limite, s'il existe dans une machine 50 sortes de contacts différents, il faudrait idéalement utiliser 50 lubrifiants différents, et l'on devine facilement l'étendue des problèmes pratiques que cela pourrait poser.
Il serait vain et prématuré de dresser ici une liste des paramètres qui doivent être pris en considération, car il en existe des centaines. On trouvera des exemples dans l'article détaillé consacré aux applications de la tribologie.
On ne lubrifie pas dans les mêmes conditions les organes d'une machine produite en très grande série, comme une automobile, et les roulements spéciaux d'une installation industrielle très spécifique, par exemple ceux des rouleaux sécheurs d'une grosse machine pour la fabrication du papier (8 m de long, 1 m de diamètre, vitesse périphérique 40 km/h, chauffage interne par de la vapeur d'eau, poids de l'ordre de 5 t, ...). Dans le premier cas, on fera nécessairement appel à des lubrifiants disponibles dans le commerce, dans le second, on n'hésitera pas à créer une formule très spécifique et il est évident que le coût de l'opération n'est pas exactement celui d'une simple vidange.
Le nombre des lubrifiants dans une automobile est beaucoup plus élevé qu'il n'y paraît généralement. L'huile destinée au moteur doit être changée périodiquement, car en dépit de tous les progrès de la chimie, on ne sait pas lui donner la même durée de vie que le moteur. Les huiles destinées à la boîte de vitesses et le cas échéant au pont arrière sont renouvelées beaucoup moins souvent et la tendance actuelle est de lubrifier ces deux éléments « à vie ». Les roulements des roues sont graissés à vie depuis quelques dizaines d'années, de même que ceux des multiples moteurs utilisés pour les essuie-glaces, les ventilateurs, les lève-vitres, etc., et généralement ils le sont avec des graisses différentes. D'autres produits lubrifiants très spécialisés peuvent être rencontrés dans les compresseurs des systèmes de climatisation. En dressant l'inventaire, on arriverait facilement à plusieurs dizaines de produits, mais l'automobiliste lambda ne s'en aperçoit pas, si ce n'est pour la vidange du moteur.
Si l'on raisonne sur un organe particulier, par exemple la boîte de vitesses, on peut conclure qu'il existe un lubrifiant idéal pour chacun des engrenages qui fournissent les différents rapports de vitesses ; ces lubrifiants, selon toute vraisemblance, ne seront pas les meilleurs pour chacun des roulements qui guident les arbres. Évidemment il n'est pas question d'utiliser dix huiles différentes dans une même boîte de vitesses, et c'est la démarche inverse qui s'impose : après que l'on a choisi un des lubrifiants pour boîtes de vitesses disponibles dans le commerce, il faut concevoir les différents engrenages, roulements (pas toujours standard) et autres composants mobiles pour qu'ils puissent accomplir correctement leur service dans le lubrifiant imposé.
Certains constructeurs automobiles ont été plus loin : sur quelques modèles de leur gamme, ils ont créé des ensembles moteur-boîte-pont lubrifiés avec une seule huile. Celle-ci devenait alors, en quelque sorte, le fil directeur du projet. On peut remarquer que si cette solution n'a pas été généralisée, c'est vraisemblablement parce qu'elle posait en fin de compte plus de problèmes qu'elle n'en résolvait.
Dans ce domaine comme en beaucoup d'autres, le choix correct d'un lubrifiant suppose que l'on ait convenablement analysé le problème à résoudre et que l'on connaisse les propriétés des produits disponibles et leurs modes d'action. C'est ce que nous allons nous efforcer de faire dans la suite de cet exposé.
Notions fondamentales.
Un lubrifiant est un produit qui satisfait à trois conditions fondamentales :
Ce film est souvent appelé épilame ou epilamen.
Pour des surfaces correctement lubrifiées, le frottement et l'usure apparaissent comme deux grandeurs indépendantes ; en revanche, une lubrification médiocre les met en relation directe. Une partie de l'usure provient de l'attaque chimique. Si cette dernière forme des composés faciles à cisailler, les facteurs de frottement faibles iront souvent de pair avec une usure importante. L'utilisation inconsidérée de lubrifiants ou d'additifs susceptibles d'attaquer les surfaces peut entraîner de graves désordres.
L'onctuosité est une variable que l'on ne sait pas encore chiffrer et qui qualifie le comportement global des trois matériaux en présence, le lubrifiant et les deux pièces, compte tenu des traitements de surface éventuels et de l'ambiance. Elle caractérise la plus ou moins grande solidité des manteaux protecteurs.
La viscosité sera étudiée plus loin en détail. C'est une propriété fondamentale pour deux raisons aussi essentielles que contradictoires : un bon rendement mécanique impose un lubrifiant très fluide mais la sécurité de fonctionnement liée à l'épaisseur des films superficiels le fait préférer très visqueux.
Régimes de lubrification.
On passe progressivement du frottement sec à la lubrification « idéale » où un film suffisamment épais sépare complètement les pièces. La transmission des efforts est assurée dans le premier cas par les seules aspérités des surfaces, dans le second par la pression qui règne dans la couche de lubrifiant.
Le frottement immédiat, ou sans lubrifiant, a été envisagé dans les chapitres précédents. Le frottement lubrifié ou médiat est subdivisé en plusieurs régimes différents :
Classification des lubrifiants.
On peut distinguer les lubrifiants selon leur origine, animale, végétale, minérale ou synthétique, ou selon leur présentation, liquide, pâte ou solide.
Lubrifiants d'origine animale.
Ils sont constitués essentiellement d'esters résultant de la combinaison d'acides gras avec la glycérine. Ce sont souvent des « ancêtres » mais certains entrent encore dans diverses compositions :
Lubrifiants d'origine végétale.
Ce sont en général des combinaisons d'acides gras peu ou pas estérifiés. Certains sont encore largement utilisés en addition dans les huiles de pétrole ou dans les graisses :
Lubrifiants gazeux.
Dans certains mécanismes on trouve des surfaces mobiles totalement séparées par un flux de gaz maintenu sous pression ; le plus souvent, pour des raisons évidentes de disponibilité et de coût, on utilise de l'air. Il ne s'agit pas là d'une lubrification au sens propre du terme, mais d'une disposition constructive qui permet d'utiliser à bon escient les propriétés physiques des écoulements gazeux.
Le gaz peut être utilisé sous faible pression, il se comporte alors comme un fluide à peu près incompressible, et l'on obtient alors des déplacements sur « coussins d'air ». Des véhicules ont été construits sur ce principe, comme les « hovercrafts » ou l'aérotrain développé voici quelques décennies par l'inventeur Bertin. Dans d'autres applications, le gaz est soumis à des pressions beaucoup plus importantes et il se comporte alors comme un fluide compressible ; ce mode de fonctionnement est celui des guidages aérostatiques qui permettent d'obtenir des vitesses très élevées sans aucun contact matériel. Un exemple hélas connu de tous ou presque est le guidage des fraises de dentistes, l'air comprimé étant ici à la fois la source d'énergie, puisqu'il fait tourner une petite turbine, et l'élément de sustentation du rotor mobile, lequel atteint couramment 150 à 200 000 tours/min.
La lubrification des micromachines pose de nombreux problèmes, en particulier à cause des forces de tension superficielle et des quantités infimes de produits à introduire. Une solution prometteuse semble être l'utilisation d'une atmosphère d'argon saturée de 1-pentanol à l'état de vapeur. Ce produit se dépose sur les surfaces de silicones pour y former des couches protectrices quasi monomoléculaires.
Additifs.
La plupart des lubrifiants commerciaux comportent généralement une base et toute une ribambelle d'additifs destinés à améliorer leurs propriétés physiques et/ou chimiques. Les actions de ces produits sont détaillées dans les articles relatifs aux lubrifiants liquides et pâteux (voir ci-dessous). Depuis quelque temps on voit apparaître d'autres sortes d'additifs, sous forme de nanoparticules, qui provoquent une baisse directe du coefficient de frottement.
Nanoparticules.
De nombreuses sociétés et laboratoires de recherche travaillent aujourd'hui sur l'amélioration des lubrifiants par incorporation de nanoparticules, dont les dimensions sont de l'ordre de quelques milliardièmes de mètre.
La société états-unienne "StClaire" annonce la mise sur le marché, après une vingtaine d'années de recherche, de produits appelés « "Nano Bearings"® ». Il s'agit de molécules sphériques de diamètres voisins de 90 nm et qui manifestent des qualités antifriction, particulièrement dans le cas de très hautes pressions de contact.
Les Nano-Bearings adhèrent fortement sur les surfaces, dont ils pénètrent les creux des aspérités en assurant une barrière efficace contre l'oxydation et l'humidité. Ils ne sont pas inflammables et on peut les incorporer dans une large gamme de lubrifiants à base synthétique ou minérale, qu'il s'agisse d'huiles ou de graisses. Aux dires du fabricant, ils ne contiennent ni PTFE, ni graphite, ni bisulfure de molybdène, ni cuivre, ni plomb, ni silicones, ni solvants dangereux. Le lecteur trouvera plus d'informations sur le site du fabricant : .
D'importantes recherches ont lieu actuellement sur l'addition de nanoparticules d'acide borique, en particulier dans les huiles destinées aux moteurs thermiques. Il semble que des gains très appréciables puissent être obtenus sur le coefficient de frottement.
Lubrifiants liquides et produits assimilés.
Ils font l'objet d'un chapitre spécial en raison de l'abondance des notions traitées.
Lubrifiants pâteux, graisses.
Les divers lubrifiants pâteux, en particulier les graisses lubrifiantes, sont traités à part :
Lubrifiants solides et vernis de glissement.
Les divers lubrifiants solides et les vernis de glissement, sont décrits ici :
Contamination des lubrifiants par des particules étrangères.
On ne dira jamais assez que la propreté des lubrifiants est un facteur essentiel du bon fonctionnement et de la fiabilité des machines. Les matériaux presque invisibles qui se trouvent dans les huiles ou dans les graisses n'interviennent pas seulement par le nombre et la taille des particules, beaucoup d'autres facteurs interviennent.
Taille.
On la définit généralement par le diamètre d'une sphère de même volume que la particule considérée, de façon à établir une comparaison avec le jeu régnant entre les surfaces fonctionnelles des mécanismes. Plus les particules sont petites, plus elles pénètrent facilement entre les surfaces et plus elles y causent des dommages de diverses sortes, principalement par usure abrasive. Ce phénomène est aggravé lorsqu'une grosse particule se trouve écrasée pour former des particules plus petites. Par exemple, une particule de 40 µm peut théoriquement être fragmentée en plus de 500 particules de 5 µm.
Surface extérieure.
Lorsqu'une grosse particule se fragmente en plus petites, la surface extérieure en contact avec le lubrifiant s'accroît considérablement (elle est par exemple multipliée par 8 dans le cas de l'exemple précédent). Plus les particules se fragmentent, plus elles restent longtemps en suspension dans les huiles, plus elles retiennent l'eau en engendrant des émulsions, plus elles engendrent la formation de bulles d'air, plus elles consomment les additifs anti-usure, extrême pression, antirouille et autres ; Il en résulte une dégradation rapide des propriétés des lubrifiants, éventuellement aggravée par des réactions catalytiques indésirables.
Formes.