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Analyse et technologie des surfaces
23.4.2 Frottement des métaux
Le tableau 23.1 (§ 23.2.3) présente des valeurs classiques du facteur de frottement statique et dynamique de quelques métaux. Ainsi qu’il a été indiqué, le facteur
de frottement dépend beaucoup des conditions dans lesquelles s’effectuent les contacts. Nous discuterons ici l’incidence des paramètres les plus influents.
Les surfaces métalliques propres placées dans le vide ou des atmosphères inertes ou réductrices présentent généralement une adhésion marquée. L’absence de
contamination fait que des liaisons métalliques fortes s’établissent entre les surfaces, ce qui induit des facteurs de frottement élevés (µ > 1). Des microsoudures peuvent s’établir conduisant au grippage épidermique qui, en se généralisant, peut amener la soudure complète des deux solides en contact.
Structures et propriétés mécaniques font apparaître des différences dans le
comportement en frottement des matériaux. Les études réalisées respectivement par
BUCKLEY [23.6] et COURTEL [23.7] sur des monocristaux ont mis en évidence le fait
que le frottement était hautement anisotrope selon la face cristalline et la direction
du glissement sur cette face. Le frottement est minimal sur les plans cristallins de
densité atomique maximale et sur ces plans dans les directions de densité maximale.
Les facteurs de frottement obtenus sur des matériaux polycristallins de structures différentes indiquent que le système hexagonal donne des valeurs plus basses
que les systèmes cubiques. C’est ainsi que les mesures du facteur d’adhésion de
métaux de structures différentes sur eux-mêmes réalisés par SIKORSKY [23.8]
conduisent au classement suivant par ordre d’aptitude à l’adhésion décroissante:
• réseau cubique à face centrée,
• réseau cubique à corps centré,
• réseau hexagonal.
L’anisotropie des propriétés mécaniques, due au réseau cristallin, est mise à
contribution dans les lubrifiants solides. Pour la plupart, ce sont des composés à
réseau hexagonal lamellaire. Ces composés présentent une résistance élevée suivant
l’axe de symétrie, ce qui assure une bonne résistance à la pénétration des aspérités
métalliques. Par contre, le cisaillement facile dans des plans parallèles aux plans de
base permet d’obtenir des frottements faibles.
En milieu réactif, du fait de la contamination et de la réactivité naturelle des
matériaux, les facteurs de frottement sont plus faibles que dans le cas de surfaces
propres en atmosphères inertes. La plage de variation pour les métaux dans l’air se
situe, par exemple, entre 0,4 à 1,5.
En présence d’air, la plupart des métaux s’oxydent formant des films entre 1 et
10 nm d’épaisseur. Ces films jouent un rôle déterminant dans le comportement tribologique dans la mesure où les conditions de fonctionnement permettent leur
maintien ou leur renouvellement. En général, le frottement métal oxydé/métal
oxydé est inférieur à celui métal nu/métal nu. Les conditions de charge et de vitesse
d’une part, les propriétés mécaniques et physico-chimiques des métaux d’autre part,
régissent le comportement global.
Analyse et technologie des surfaces
23.4.2 Frottement des métaux
Le tableau 23.1 (§ 23.2.3) présente des valeurs classiques du facteur de frottement statique et dynamique de quelques métaux. Ainsi qu’il a été indiqué, le facteur
de frottement dépend beaucoup des conditions dans lesquelles s’effectuent les contacts. Nous discuterons ici l’incidence des paramètres les plus influents.
Les surfaces métalliques propres placées dans le vide ou des atmosphères inertes ou réductrices présentent généralement une adhésion marquée. L’absence de
contamination fait que des liaisons métalliques fortes s’établissent entre les surfaces, ce qui induit des facteurs de frottement élevés (µ > 1). Des microsoudures peuvent s’établir conduisant au grippage épidermique qui, en se généralisant, peut amener la soudure complète des deux solides en contact.
Structures et propriétés mécaniques font apparaître des différences dans le
comportement en frottement des matériaux. Les études réalisées respectivement par
BUCKLEY [23.6] et COURTEL [23.7] sur des monocristaux ont mis en évidence le fait
que le frottement était hautement anisotrope selon la face cristalline et la direction
du glissement sur cette face. Le frottement est minimal sur les plans cristallins de
densité atomique maximale et sur ces plans dans les directions de densité maximale.
Les facteurs de frottement obtenus sur des matériaux polycristallins de structures différentes indiquent que le système hexagonal donne des valeurs plus basses
que les systèmes cubiques. C’est ainsi que les mesures du facteur d’adhésion de
métaux de structures différentes sur eux-mêmes réalisés par SIKORSKY [23.8]
conduisent au classement suivant par ordre d’aptitude à l’adhésion décroissante:
• réseau cubique à face centrée,
• réseau cubique à corps centré,
• réseau hexagonal.
L’anisotropie des propriétés mécaniques, due au réseau cristallin, est mise à
contribution dans les lubrifiants solides. Pour la plupart, ce sont des composés à
réseau hexagonal lamellaire. Ces composés présentent une résistance élevée suivant
l’axe de symétrie, ce qui assure une bonne résistance à la pénétration des aspérités
métalliques. Par contre, le cisaillement facile dans des plans parallèles aux plans de
base permet d’obtenir des frottements faibles.
En milieu réactif, du fait de la contamination et de la réactivité naturelle des
matériaux, les facteurs de frottement sont plus faibles que dans le cas de surfaces
propres en atmosphères inertes. La plage de variation pour les métaux dans l’air se
situe, par exemple, entre 0,4 à 1,5.
En présence d’air, la plupart des métaux s’oxydent formant des films entre 1 et
10 nm d’épaisseur. Ces films jouent un rôle déterminant dans le comportement tribologique dans la mesure où les conditions de fonctionnement permettent leur
maintien ou leur renouvellement. En général, le frottement métal oxydé/métal
oxydé est inférieur à celui métal nu/métal nu. Les conditions de charge et de vitesse
d’une part, les propriétés mécaniques et physico-chimiques des métaux d’autre part,
régissent le comportement global.