Étude paramétrique

Où H_HS25 est la dureté de l’alliage HS25, corps le plus mou. Ainsi, l’aire réelle de contact, très inférieure à l’aire apparente, est dépendante de deux grandeurs constantes pendant les essais, expliquant les différences de variation entre pression nominale et volume d’usure.

Figure 3.8 – Évolution de la pression nominale en fonction du nombre de cycles à 100˚C (δ₀= ±20µm, P = 50N , f = 50Hz)

3.2.3 Étude paramétrique

Dans cette section, une étude paramétrique est réalisée afin de quantifier l’effet des paramètres tribologiques sur les processus d’usure. Pour cela, on considère le volume d’usure total du tribosystème, V , ainsi que le coefficient énergétique d’usure, α. La figure 3.6 montre une réponse linéaire de l’usure en fonction du nombre de cycles, ce qui rend possible une analyse en terme de rendement énergétique d’usure α.

Effet de la fréquence

La fréquence présente un effet marqué sur le volume d’usure et le coefficient énergétique d’usure (figure 3.9). L’évolution de ces deux grandeurs est similaire en fonction de la fré-quence. L’évolution de l’usure à 100˚C présente une très forte dépendance à la fréquence d’oscillation du système. Plus la fréquence est élevée et plus l’usure diminue. Cette tendance a été également décrite par l’équipe de Shipway [112, 114], par Garcia [75] ou encore par Fouvry [29, 115] qui l’attribuèrent à une synergie entre usure abrasive et oxydation de l’in-terface. En effet, on peut supposer qu’une couche d’oxyde se forme à l’interface entre chaque passage de l’alumine. La cinétique de croissance de la couche dépendant de la température et du temps [67], plus la fréquence augmente et plus le temps entre deux passages diminue. La couche d’oxyde est alors plus fine à haute fréquence et génère ainsi un volume d’usure par cycle plus faible. Par ailleurs, le point à 1 Hz présente une forte discontinuité avec l’en-semble des autres essais réalisés. L’expertise de la trace obtenue à 1 Hz (figure 3.9.c) montre en fait que l’interface a basculé dans un régime d’usure douce (de type domaine II) avec la formation d’un troisième corps protecteur qui réduit considérablement la cinétique d’usure.

Le processus d’usure continue par oxydo-abrasion n’est alors plus effectif. Cela montre que la fréquence peut aussi jouer un rôle sur la transition usure sévère/usure douce.

Figure 3.9 – Effet de la fréquence sur : a) le volume d’usure ; b) le coefficient énergétique d’usure α (δ0= ±20µm, N = 200000, P = 50N , T = 100˚C). c) Image optique de la trace

d’usure générée à 1 Hz

Effet de la température

Au début de ce chapitre, l’effet de la température sur l’usure a été discuté (paragraphe 3.1.1). La figure 3.10.a rappelle la croissance du volume d’usure en fonction de la température, et la figure 3.10.b montre que la même tendance est observée pour le coefficient énergétique d’usure.

Figure 3.10 – Effet de la température sur : a) le volume d’usure ; b) le coefficient éner-gétique d’usure α (δ0= ±20µm, N = 200000, P = 50N , f = 50Hz)

Cette augmentation de l’usure et du coefficient énergétique d’usure est à relier à un phénomène d’oxydation de l’interface de plus en plus important. Tout comme l’effet de la fréquence

sur l’usure, la température favorise une croissance importante d’oxydes à l’interface et donc favorise la génération d’un volume d’usure par cycle plus important.

Effet de l’ouverture de cycle et de la force normale

L’usure dans le domaine I est fortement dépendante de l’amplitude (figure 3.11) : plus l’am-plitude de glissement augmente et plus le volume d’usure augmente. En revanche, le contact ne respecte pas la loi de Archard qui prédit une invariance du coefficient énergétique d’usure en fonction de l’amplitude de débattement. Dans notre cas, le coefficient d’usure augmente également avec l’ouverture de cycle, signifiant que l’endommagement n’est pas uniquement dû à un processus classique d’usure abrasive. Il est communément admis [33,113,116] que la va-riation de l’amplitude de glissement joue sur le piégeage des débris sous condition de fretting. Ainsi, il serait possible d’attribuer l’augmentation du coefficient d’usure à une meilleure éjection de débris, diminuant ainsi le rôle protecteur du lit de particules pulvérulentes. Le concept de circuit tribologique permet alors de comprendre qu’une éjection accrue de débris d’usure favorise sa production afin de maintenir une épaisseur de troisième corps constante à l’interface.

Figure 3.11 – Effet de l’ouverture de cycle sur : a) le volume d’usure ; b) le coefficient énergétique d’usure. c) Image optique associée au point encerclé (N = 200000, P = 50N ,

f = 50Hz, T = 100˚C)

Dans ce cas-ci, le contact semble être très réactif à l’environnement ambiant (phénomène d’oxydation). Ainsi, il est possible d’imaginer que, tout comme la fréquence, l’amplitude per-met de jouer sur les processus d’oxydation. Fouvry et al. ont par exemple montré que l’accessibilité de l’oxygène avait un rôle important dans les processus d’usure [29, 53]. Dans cette étude, l’augmentation de l’amplitude de glissement peut aussi être assimilée à un facteur provoquant une meilleure "oxygénation de l’interface", et donc à une usure plus importante. Par ailleurs, les traces d’usure associées possèdent toutes la même morphologie (identiques à la morphologie présentée dans la figure 3.7), quelle que soit l’ouverture de cycle imposée, minimisant ainsi l’effet des débris sur le processus d’usure. Il existe une seule exception qui est le point encerclé dans les figures 3.11.a et 3.11.b, dont l’image optique montre un début de formation d’un troisième corps protecteur (présence de zones brillantes, typiques du domaine II) et donc une modification de la rhéologie de l’interface. Si l’on considère l’hypothèse que

l’augmentation de l’ouverture de cycle favorise l’éjection des débris, il est alors difficile d’ex-pliquer la formation d’un troisième corps lubrifiant pour les grands débattements. En effet, la formation de ce troisième corps par compactage des débris suppose la présence d’une quantité suffisante de débris à l’interface. Une autre hypothèse à avancer serait l’élévation des tempé-ratures flash à l’interface lorsque le débattement (et donc la vitesse moyenne de glissement) augmente. Cet aspect sera discuté lors de la construction d’un modèle d’endommagement par usure, dans le chapitre 4.

Figure 3.12 – Effet de la force normale sur : a) le volume d’usure ; b) le coefficient énergétique d’usure (N = 200000, f = 50Hz, T = 100˚C, δ0= ±20µm)

L’effet de la force normale est quant à lui très classique puisque le volume d’usure V présente une évolution linéaire confirmant les hypothèses de Archard sur le processus d’abrasion (figure 3.12). Par ailleurs, la quasi constance du coefficient d’usure α valide un processus d’abrasion pur.