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A. CORNET et J.-P. DEVILLE
3. Frottement, usure et ingénierie des surfaces
3.1. Approche expérimentale
et cartes de mécanismes d’usure
Dans la section précédente nous avons donné u n aperçu succinct des mécanismes de dégradation des surfaces et montré que ces mécanismes sont très
sensibles, d’une part aux paramètres des surfaces : dureté, microstructure,
rugosité.. . , d’autre part à toutes les conditions de sollicitation : pression, vitesse
relative.. .
Pour clarifier cette situation de nombreux auteurs ont procédé, au cours des
années quatre-vingts, à des études expérimentales systématiques dont ils ont
ensuite essayé de reclasser les résultats afin de les rattacher à des bases théoriques. Pour caractériser les dégradations, on trouve soit des approches << tribologiques >> : on caractérise une transition dans le régime d’usure par u n changement de facteur de f r ~ t t e r n e n t ‘ ~ ~ ) ,
soit des approches u matériaux >> : on se base
sur l’examen des surfaces f r ~ t t a n t e s ‘ ~ ~ ’ .
Les résultats (conditions d’existence de
chaque type d‘usure, importance relative de l’usure) sont reportés sur une
<< carte d’usure », valable pour un couple de frottement donné, en fonction des
paramètres de chargement et de mouvement relatif.
Les appareils de test en laboratoire ou << tribomètres P dérivent généralement
du système pion/disque (Fig. 3.37a). On peut les instrumenter pour mesurer le
facteur de frottement (Fig. 3.3713). Le tribomètre bille/disque (Fig. 3 . 3 7 ~ )
permet
d’évacuer les débris d’usure du contact alors que le système disque/disque
(Fig. 3.37d) piège et recycle ces débris (voir section suivante). Enfin on peut utiliser un tribomètre plan/plan (ou bombe/bombé) dont l’un des plans peut être
remplacé par un saphir, permettant ainsi une observation directe du contact.
L‘utilisation des tribomètres est également possible en présence de lubrifiants
pour étudier le frottement lubrifie ou en présence de milieux corrosifs pour
étudier la tribocorrosion ; nous ne développerons pas ici ces deux domaines de
grand intérêt aussi bien scientifique que technologique.
L a figure 3.38 montre u n exemple de carte de mécanisme d‘usure en frottement sec (représentation dans le plan pression de contact, vitesse de glissement)
pour un système pion/disque dont les deux constituants sont en acier(30).
L’usage de ces cartes d’usure peut être étendu à des cas plus complexes
comme l’usure à chaud. L’apport d’un paramètre supplémentaire nécessite de
faire appel à des cartes tridimensionnelles (par exemple, taux d’usure en fonction de la vitesse de glissement et de la température)(31’.
(291 Blau P.J., A model for run-in and other transitions in sliding friction, J . Tribol. 109
(1987) 537-544.
(30) Lim S.C. et Ashby M.F., Wear-mechanism maps, Acta Metall. 35 (1987) 1-24.
(311 Saito Y. et Mino K., Elevated temperature wear maps of X40 and Mar-M247 alloys,
J. Tribol. 117 (1995) 524-528.
A. CORNET et J.-P. DEVILLE
3. Frottement, usure et ingénierie des surfaces
3.1. Approche expérimentale
et cartes de mécanismes d’usure
Dans la section précédente nous avons donné u n aperçu succinct des mécanismes de dégradation des surfaces et montré que ces mécanismes sont très
sensibles, d’une part aux paramètres des surfaces : dureté, microstructure,
rugosité.. . , d’autre part à toutes les conditions de sollicitation : pression, vitesse
relative.. .
Pour clarifier cette situation de nombreux auteurs ont procédé, au cours des
années quatre-vingts, à des études expérimentales systématiques dont ils ont
ensuite essayé de reclasser les résultats afin de les rattacher à des bases théoriques. Pour caractériser les dégradations, on trouve soit des approches << tribologiques >> : on caractérise une transition dans le régime d’usure par u n changement de facteur de f r ~ t t e r n e n t ‘ ~ ~ ) ,
soit des approches u matériaux >> : on se base
sur l’examen des surfaces f r ~ t t a n t e s ‘ ~ ~ ’ .
Les résultats (conditions d’existence de
chaque type d‘usure, importance relative de l’usure) sont reportés sur une
<< carte d’usure », valable pour un couple de frottement donné, en fonction des
paramètres de chargement et de mouvement relatif.
Les appareils de test en laboratoire ou << tribomètres P dérivent généralement
du système pion/disque (Fig. 3.37a). On peut les instrumenter pour mesurer le
facteur de frottement (Fig. 3.3713). Le tribomètre bille/disque (Fig. 3 . 3 7 ~ )
permet
d’évacuer les débris d’usure du contact alors que le système disque/disque
(Fig. 3.37d) piège et recycle ces débris (voir section suivante). Enfin on peut utiliser un tribomètre plan/plan (ou bombe/bombé) dont l’un des plans peut être
remplacé par un saphir, permettant ainsi une observation directe du contact.
L‘utilisation des tribomètres est également possible en présence de lubrifiants
pour étudier le frottement lubrifie ou en présence de milieux corrosifs pour
étudier la tribocorrosion ; nous ne développerons pas ici ces deux domaines de
grand intérêt aussi bien scientifique que technologique.
L a figure 3.38 montre u n exemple de carte de mécanisme d‘usure en frottement sec (représentation dans le plan pression de contact, vitesse de glissement)
pour un système pion/disque dont les deux constituants sont en acier(30).
L’usage de ces cartes d’usure peut être étendu à des cas plus complexes
comme l’usure à chaud. L’apport d’un paramètre supplémentaire nécessite de
faire appel à des cartes tridimensionnelles (par exemple, taux d’usure en fonction de la vitesse de glissement et de la température)(31’.
(291 Blau P.J., A model for run-in and other transitions in sliding friction, J . Tribol. 109
(1987) 537-544.
(30) Lim S.C. et Ashby M.F., Wear-mechanism maps, Acta Metall. 35 (1987) 1-24.
(311 Saito Y. et Mino K., Elevated temperature wear maps of X40 and Mar-M247 alloys,
J. Tribol. 117 (1995) 524-528.