Analyse des résultats en surface NON texturée

Chaque expérience est menée à trois reprises pour vérifier la répétabilité. Nous allons d'abord détailler la démarche et les résultats obtenus pour la surface lisse prise dans ce travail comme référence. La Figure 4-6 présente les évolutions du coefficient de frottement et de la vitesse instantanée en fonction du déplacement de la sphère, aux cycles n°100 et 3600. L’exemple illustré ici correspond au cas FN = 90 N soit PHertz = 753 MPa, Vmax = 190 mm/s et T = 80°C. La taille du contact correspond au diamètre de Hertz calculé. L’accélération est de 7,3 m/s² contre 0,01 et 0,3 m/s² respectivement pour les cas de vitesses 15 et 65 mm/s.

Figure 4-6 - Evolution du coefficient de frottement instantané (en bleu) et de la vitesse instantanée de la sphère (en rouge) en fonction du déplacement de la sphère. L’aller et le retour sont tracés. Conditions opératoires : FN = 90 N, Vmax =

190 mm/s, T = 80°C, débattement 20 mm, lubrifiant référence OS34.

Sur la Figure 4-6, les frottements entre l’aller et le retour, et entre le début et la fin de l’essai paraissent relativement homogènes. On observe une réduction du coefficient de frottement local significative lorsque le frotteur atteint une vitesse de déplacement de 100 mm/s. L’amplitude de la vitesse est telle que l’interface ‘’parcourt’’ la courbe de Stribeck sur une gamme de valeurs du nombre d’Hersey lui permettant de balayer à la fois le régime limite et le régime mixte. En première approche, le frottement sera présenté sous la forme de la valeur moyenne des données instantanées sur trois cycles. La Figure 4-7 présente l'évolution du coefficient de frottement moyen en fonction du nombre de cycles. Simultanément, la charge normale, la charge tangentielle et la température sont tracées en fonction du nombre de cycle. Les observations microscopiques de la zone centrale de la trace de frottement sur la surface du plan et celle de la sphère sont illustrées également. Sur le plan, un tribofilm épais et homogène est observé tandis qu’à la surface de la sphère ce dernier parait plus disparate et fin. Des marques noires apparaissent sur la surface de la sphère que l’on retrouve symétriquement sur la surface du plan.

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Figure 4-7 - Exemple d'une expérimentation type en surface lisse pour 3600 cycles. Les sollicitations sont : FN = 90 N, T = 80°C, débattement 20 mm, Vmax = 190 mm/s, lubrifiant référence OS34.

Les tendances mises en évidence à partir de cet exemple sont retrouvées sur l’ensemble des conditions expérimentales étudiées. Les coefficients de frottement moyen obtenus à la fin des tests sous faible et forte charge normale sont caractéristiques de la lubrification limite. L’évolution du coefficient de frottement moyen pour la surface lisse est portée sur la Figure 4-8, en fonction du nombre adimensionné de Hersey, défini dans le chapitre 1 par la relation suivante :

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Où η est la viscosité dynamique du lubrifiant (Pa.s), Vrot la vitesse linéaire du frotteur (m/s), a la largeur de contact et Pcontact la pression moyenne de contact selon Hertz (Pa).

Cette représentation donne une information globale sur la friction. La courbe de la Figure 4-8 présente une décroissance du coefficient de frottement avec le nombre de Hersey. Cette décroissance est d'autant plus marquée que la charge normale est grande (µmin = 0,11 correspond à

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Figure 4-8 - Evolution du coefficient de frottement moyen mesuré à la fin de l’expérience en fonction du nombre de Hersey pour une surface lisse. Le lubrifiant formulé OS34 est utilisé à T = 80°C.

Le coefficient de frottement moyen n'est qu'un indicateur approximatif du comportement de la friction interfaciale en régime limite. Il est insuffisant pour déterminer et comprendre les processus physiques à l'origine de la réponse en frottement. Afin de mieux identifier les phénomènes interfaciaux et de décrire l'évolution spatio-temporelle du tribosystème, nous nous appuierons sur des cartographies (Figure 4-9) qui représentent l'évolution du coefficient de frottement instantané en fonction du déplacement du frotteur et du nombre de cycles.

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Figure 4-9 - Cartographies 2D du coefficient de frottement en fonction de la position du frotteur sur la piste de glissement et du nombre de cycles pour la surface lisse soumise à un profil de vitesse sinusoïdal ayant respectivement un maximum

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Les observations précédentes (Figure 4-6) ont montré des tendances similaires entre l’aller et le retour. Ainsi les cartographies 2D représenteront uniquement l’aller du frotteur. La Figure 4-9 correspond aux cas des vitesses 15, 65 et 190 mm/s à 90 N. On constate que pour les vitesses maximales de 15 et 65 mm/s, le niveau de frottement est homogène et reste proche de sa valeur maximale, indépendamment de la position du frotteur (autrement dit de la vitesse locale de glissement) et de la distance parcourue. Bien que le profil de vitesse soit sinusoïdal, les conditions hydrodynamiques engendrées sont insuffisantes au regard de la pression de contact pour provoquer une portance d'origine visqueuse. L'interface se maintient dans un régime de lubrification limite. Pour une cinématique identique et une vitesse maximale de 190 mm/s, l’interface est en régime limite et mixte (Figure 4-6). Des oscillations du coefficient de frottement sont visibles à vitesse élevée et sont dues au tribomètre. Pour une position donnée du frotteur, l'évolution du coefficient de frottement reste peu sensible au nombre de cycles de glissement, en particulier dans les zones proches des points de rebroussement.

Des analyses de surface ont été réalisées sur une trace spécifique de frottement afin de :

 _{vérifier la présence de tribofilm,}

 _{qualifier les éléments présents dans la trace de frottement.}

La spectroscopie photoélectronique X (XPS) a été utilisée. Cette technique a été choisie pour sa sensibilité aux éléments légers, pour la taille de la zone d’analyse (adaptée aux dimensions des échantillons) et pour la possibilité de réaliser des profils en profondeur grâce au couplage avec l’abrasion ionique. Elle fournit des informations sur l’état chimique des matériaux à partir des premières monocouches atomiques de la surface et peut être utilisée en quantification relative.

Figure 4-10 - a) Localisation des points de mesure effectuée par XPS : le repère 1 localise la mesure réalisée au point de rebroussement d’une trace sur surface lisse. b) Spectre XPS obtenu dans la zone localisé en a). Taille du spot d’analyse 50

µm.

La présence de tribofilm est observée dans la trace de frottement avec les principaux constituants suivants : zinc, phosphore et calcium. Des oxydes de fer sont également détectés. Ces résultats seront ensuite comparés à l’analyse des surfaces texturées (§4.2.2). La formation du film tribochimique est un phénomène mécaniquement et thermiquement activé, auquel peut être

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associée une énergie d’activation. Pour illustrer les énergies de frottement pour chacun des tests réalisés, la puissance dissipée dans l’interface par unité de surface en contact solide, est estimée par :

contact sphère N inj S V F P   ^4-2

Où µ est le coefficient de frottement instantané, FN la force normale, V la vitesse de glissement et

Scontact, la surface du contact Hertzien à la charge FN.