Évolution de tension/résistance de contact sous sollicitation vibratoire

La dégradation mécanique par fretting-corrosion peut-être constatée en mesurant les perturbations électriques. L’expérience de laboratoire classique consiste à appliquer un déplacement relatif et sinusoïdal entre deux contacts de type clip/languette. Un courant (ou une différence de potentiel) est imposé aux bornes des contacts. La mesure de la tension/résistance de contact indique le type de conduction à leur interface. Selon le cahier des charges constructeur, la limite préconisée est de 4mΩ[44]. Au delà, le contact est défini comme défaillant.

La mesure expérimentale doit seulement correspondre aux interactions électriques de l’interface. Pour cela, une méthode de mesure 4 fils est utilisée. Elle consiste à mesurer la tension de contact par un chemin différent que prend le courant imposé par un générateur aux bornes du contact. En effet, un courant nul est équivalent à une tension nulle. Par conséquent, la mesure de la différence de potentiel sera prise à des points d’entrée et de sortie différents des connections du générateur, voir figure 1.24.

Figure ^{1.24 – Schéma d’un contact électrique de type clip/languette soumis à un mouvement relatif}

sinusoïdal d’amplitude A, de fréquence f. Un courant continu de valeur I est imposé aux bornes du contact. La mesure de la tension/résistance de contactV est réalisée selon la méthode 4 fils.

La figure 1.25 présente une dégradation électrique typique d’un contact étamé. La résistance de contact est mesurée en fonction du nombre de cycles. Les lettres A à H indiquent des moments/étapes clefs qui expliquent les différents types de conduction liés à un état spécifique du troisième corps. Ces moments sont d’ailleurs commentés et illustrés par des états de surface du clip et de la languette ci-après, voir les figures 1.26 à 1.28.

Figure ^{1.25 – Évolution de la résistance de contact en fonction du nombre de cycles d’un contact Sn-Sn}

(50µm, 1 Hz, 3 N, 100 mA) [43].

Cas A → D : Résistance de contact stable (figure 1.25). La figure 1.26 représente l’état de surface au bout de 30 cycles de déplacements relatifs. Avant les contraintes vibratoires, la zone de contact est de forme circulaire. Elle correspond à une zone de contact statique typique. Au bout de 30 cycles, la zone est élargie suivant l’axe du mouvement en raison de l’effet du mouvement. Les pollutions de surface (poussières...) et les premiers débris d’étain commencent à s’accumuler sur les contours de la trace de fretting, voir figure 1.26 [43].

Entre ces deux stades, la résistance de contact est à la fois faible et stable. En effet, l’aire de contact électrique est suffisamment grande pour conduire les charges électriques à travers l’étain pur et sans perturbation.

Cas E → F - Première augmentation de la résistance de contact (figure 1.25).

Les photographies MEB de la figure 1.27 indiquent les traces de fretting entre 60 et 350 cycles de déplacements relatifs. Elles sont représentées par les moments E et F de la figure 1.25. Les observations sont les suivantes :

— En premier point, les valeurs de dureté du centre de la piste augmentent au cours du temps. En effet, elles sont tout d’abord inférieures à 50 HV pour être ensuite supérieures à 350 HV. De ce fait, l’état de surface est constitué tout d’abord d’étain pur puis d’un inter-métallique.

— En deuxième point, les valeurs de dureté autour de la piste augmentent également. Elles sont tout d’abord inférieures à 50 HV pour être ensuite comprises entre 75 et 150 HV. Cette augmentation est due à la présence d’oxydes d’étain en surface. Ils proviennent d’une part de l’oxydation de cette zone en surface et d’autre part des débris issus de la zone centrale.

La zone centrale de contact est entièrement dégradée au bout de seulement 350 cycles de vibration. Les oxydes d’étain sont à la fois durs et abrasifs. Par conséquent, ils dégradent facilement et rapidement les zones de contact. Sous l’effet de la sollicitation vibratoire, ces débris seront d’une part éjectés sur les contours de la zone de contact et d’autre part s’intercaleront à l’interface. Leur présence à l’interface est mesurable par une forte augmentation de la résistance de contact de 0,2 mΩ à 500 mΩ.

Figure ^{1.26 – Photographie MEB des zones de contact du clip et de la languette et schématisation du}

processus de dégradation (A) avant les contraintes vibratoires et (D) au bout de 30 cycles (conditions expérimentales : 50 µm, 1 Hz, 3 N, 100 mA) [43].

Figure ^{1.27 – Photographies MEB des zones de contact du clip et de la languette et schématisation du}

processus de dégradation au bout de (E) 60, (F) 350 cycles (conditions expérimentales : 50 µm, 1 Hz, 3 N, 100 mA) [43].

Cas F → G - Amélioration de la résistance de contact (figure 1.25).

Entre 350 et 900 cycles de sollicitations vibratoires, la résistance de contact diminue en passant de 500

mΩ à 2mΩen raison d’une amélioration de la conduction électrique via des spots de contact en cuivre. Cette affirmation provient des observations de la figure 1.28 :

— L’alliage en cuivre apparaît progressivement sur la zone de contact. En effet, les mesures de dureté de la zone centrale indiquent la présence exclusive du substrat en cuivre au bout de 900 cycles. — Les mesures de dureté autour de la zone de contact attestent de la présence d’oxydes d’étain

(75-150HV) et de l’inter-métallique (351-630 HV) autour de la zone centrale. Par conséquent, les débris d’étain oxydés et du composé inter-métallique sont éjectés hors de la zone de contact. La conduction électrique a donc lieu par la zone centrale.

Figure ^{1.28 – Photographies MEB des zones de contact du clip et de la languette et schématisation du}

processus de dégradation au bout de (G) 900 et (H) 2500 cycles (conditions expérimentales : 50 µm, 1 Hz, 3 N, 100 mA) [43].

Cas G → H - Dégradation définitive de la résistance de contact (figure 1.25).

La résistance de contact augmente de trois ordres de grandeur entre 900 et 2500 cycles. Les mesures de dureté au bout de 2500 cycles sont comprises entre 180 et 300 HV sur toute la trace de fretting. Le substrat en cuivre est donc présent sur toute cette zone. Cependant, les mesures électriques attestent de la présence de composés isolants à l’interface. Les débris composés de cuivre pur commencent donc à s’oxyder. Une partie de ces oxydes s’intercalent à l’interface, une autre partie est évacuée autour de la zone de contact.

En résumé, la dégradation par fretting-corrosion d’un contact étamé est rapide. En effet, le substrat en cuivre est rapidement atteint en moins de 1000 cycles. Les perturbations électriques sont dues à l’apparition d’oxydes et de composés inter-métalliques à l’interface. Les différents stades d’évolution de la conduction électrique correspondent à la composition et la structure du troisième corps.

Les intermittences et micro-coupures.

Les perturbations électriques ne sont pas seulement évolutives car des intermittences et des micro-coupures peuvent survenir. Ce sont des augmentations soudaines de la tension de contact à une amplitude donnée et une durée très courte. Ces perturbations de la tension de contact sont contraignantes car une partie de l’information électrique est alors perdue.

La figure 1.29 représente le nombre d’événements où ces intermittences de contact apparaissent en fonction du nombre de cycles. Ces résultats sont illustrés suivant 4 amplitudes limites pour un contact Sn-Sn [45]. Les remarques suivantes indiquent que plus l’état de surface est dégradé, plus les intermittences sont importantes :

— Les intermittences de faibles amplitudes (2 et 4 mV) ont lieu au début et au milieu de l’expérience. Par conséquent, il s’agit de résistance de constriction.

— Les intermittences à 500 mV sont dues à la présence de cuivre à l’interface. En effet, la relation de Kohlrausch relie cette tension de contact à la fusion du cuivre.

Figure ^{1.29 – Histogramme des événements pour quatre valeurs de tensions limites : 2, 4, 11 et 500mV}

en fonction du nombre de cycles d’un contact étain-étain (50 µm, 100 Hz, 3 A, 20 V).[45]

Cartographie de la résistance de contact

La figure 1.30 montre une zone de contact dégradée par fretting-corrosion [46]. Entre les points A et B, la cartographie de l’oxygène indique la présence d’oxydes autour de la zone de contact. La cartographie de la résistance de contact montre que les zones électriquement isolantes sont celles où les proportions d’oxygène sont importantes. Par conséquent, l’isolation électrique d’un contact est reliée à la présence des oxydes à l’interface. Leur concentration n’est pas homogène sur l’ensemble de la surface.