Aspects mécaniques et thermiques du contact
381
Ces lois sont assez bien vérifiées en première approximation et permettent un
premier dimensionnement. Il est néanmoins souvent constaté, lorsque la plage de
variation des paramètres devient importante, que ces lois ne sont plus représentatives des comportement des matériaux. Il convient alors de mettre en œuvre des lois
de frottement plus complexes.
Du point de vue physique, le facteur de frottement peut être considéré comme
la somme de trois termes:
µ = µ pot + µ adh + µ def
(23.29)
• µ pot : le terme de potentiel est relié à l’effort nécessaire pour franchir les
aspérités.
• µ def : le terme de déformation consiste à exprimer l’effort nécessaire à la
déformation du matériau le moins dur par les aspérités du matériau le plus
dur et à la perte d’énergie qui en résulte.
• µ adh : le terme d’adhésion exprime la force nécessaire pour rompre les
microliaisons interfaciales qui peuvent s’établir entre les sommets des aspérités en contact.
L’importance relative de ces différents termes varie en fonction de la nature et
des propriétés des matériaux ainsi que des circonstances dans lesquelles s’effectuent les contacts (température, environnement, charge, vitesse).
De récents travaux ont apporté des indications intéressantes concernant la
compréhension des mécanismes fondamentaux du frottement. Ils ont été rendus
accessibles par la possibilité de réaliser des mesures à l’échelle atomique grâce aux
techniques de nanotribologie et en particulier à l’exploitation du microscope à force
atomique (AFM). Dans cet équipement, une sonde miniature avec un rayon au sommet dans la plage des 10 à 100 nanomètres, se déplace sur une surface. Les composantes des forces interatomiques entre la sonde et les atomes de la surface étudiée,
sont mesurées avec une précision de l’ordre du piconewton (10 –12 N).
On observe qu’à l’échelle atomique, la force de frottement n’est pas proportionnelle à la charge. Le frottement dépend de l’aire réelle de contact qui est déterminée à la fois par la charge appliquée et les forces d’adhésion. Il peut, en effet,
exister des forces d’ attraction entre atomes même sans charge appliquée au contact.
De même, il a été démontré que l’on peut observer du frottement sans usure.
La perte d’énergie dans le contact est alors corrélée aux irréversibilités associées au
processus de rapprochement et éloignement des atomes. Un modèle de frottement
basé sur les vibrations du réseau atomique a été développé qui s’appuie sur le fait
que le travail nécessaire pour vaincre le frottement se dissipe sous forme d’ondes
vibratoires ou éventuellement de chaleur.
Outre leur intérêt manifeste pour la compréhension des phénomènes de base mis
en jeu à l’échelle atomique par le frottement, ces nouvelles techniques trouvent des
applications dans le stockage magnétique et les industries de microélectromécanique.
381
Ces lois sont assez bien vérifiées en première approximation et permettent un
premier dimensionnement. Il est néanmoins souvent constaté, lorsque la plage de
variation des paramètres devient importante, que ces lois ne sont plus représentatives des comportement des matériaux. Il convient alors de mettre en œuvre des lois
de frottement plus complexes.
Du point de vue physique, le facteur de frottement peut être considéré comme
la somme de trois termes:
µ = µ pot + µ adh + µ def
(23.29)
• µ pot : le terme de potentiel est relié à l’effort nécessaire pour franchir les
aspérités.
• µ def : le terme de déformation consiste à exprimer l’effort nécessaire à la
déformation du matériau le moins dur par les aspérités du matériau le plus
dur et à la perte d’énergie qui en résulte.
• µ adh : le terme d’adhésion exprime la force nécessaire pour rompre les
microliaisons interfaciales qui peuvent s’établir entre les sommets des aspérités en contact.
L’importance relative de ces différents termes varie en fonction de la nature et
des propriétés des matériaux ainsi que des circonstances dans lesquelles s’effectuent les contacts (température, environnement, charge, vitesse).
De récents travaux ont apporté des indications intéressantes concernant la
compréhension des mécanismes fondamentaux du frottement. Ils ont été rendus
accessibles par la possibilité de réaliser des mesures à l’échelle atomique grâce aux
techniques de nanotribologie et en particulier à l’exploitation du microscope à force
atomique (AFM). Dans cet équipement, une sonde miniature avec un rayon au sommet dans la plage des 10 à 100 nanomètres, se déplace sur une surface. Les composantes des forces interatomiques entre la sonde et les atomes de la surface étudiée,
sont mesurées avec une précision de l’ordre du piconewton (10 –12 N).
On observe qu’à l’échelle atomique, la force de frottement n’est pas proportionnelle à la charge. Le frottement dépend de l’aire réelle de contact qui est déterminée à la fois par la charge appliquée et les forces d’adhésion. Il peut, en effet,
exister des forces d’ attraction entre atomes même sans charge appliquée au contact.
De même, il a été démontré que l’on peut observer du frottement sans usure.
La perte d’énergie dans le contact est alors corrélée aux irréversibilités associées au
processus de rapprochement et éloignement des atomes. Un modèle de frottement
basé sur les vibrations du réseau atomique a été développé qui s’appuie sur le fait
que le travail nécessaire pour vaincre le frottement se dissipe sous forme d’ondes
vibratoires ou éventuellement de chaleur.
Outre leur intérêt manifeste pour la compréhension des phénomènes de base mis
en jeu à l’échelle atomique par le frottement, ces nouvelles techniques trouvent des
applications dans le stockage magnétique et les industries de microélectromécanique.