Analyse de l’évolution du couple de frottement des couples de base de l’étude lors

Les courbes décrivant l’évolution du couple résistant maximum pour les couples de matériaux de base de l’étude : palier en carbone amorphe ou en graphite contre arbre en Ti- 6Al-4V ou en acier 304L, sont présentées figure 5.1.

L’évolution des différents graphiques montre dans un premier temps que le comportement des couples de matériaux étudiés est le même vis-à-vis de la température que lors des essais en vibration. Avec une importante hausse du frottement lors des phases à haute température à l’exception du couple Graphite / Ti-6Al-4V. Dans un second temps il est possible de constater que la hausse est relativement rapide pour les couples de matériaux dont le couple de frottement augmente avec la température. En effet, les couples atteignent ici en 2 heures de cycles à température élevée des valeurs équivalentes ou supérieures aux valeurs relevées après 10 heures lors des essais en vibration. Enfin, les courbes montrent également que l’évolution des couples de frottement au cours du temps peut être décomposée en cinq grandes phases (Fig. 5.1).

(a) (b)

Fig. 5.1 Evolution du couple de frottement au cours des essais de « frottement » avec un palier carbone amorphe et un palier graphite contre : (a) un arbre en Ti-6Al-4V, (b) un arbre en acier 304L

La phase 1 est la phase de démarrage des essais de t = 0 minute à t = 10 minutes, la régulation n’étant pas déclenchée, la température est celle de l’atmosphère ambiante, les couples de frottement sont relativement faibles autour de 4 à 6 N.mm selon les couples de matériaux.

La phase 2 correspond au lancement de la régulation en température, à partir de cet instant tous les couples de matériaux présentent une chute de leur couple de frottement durant une période de 10 à 20 minutes. Pour interpréter ce phénomène deux hypothèses peuvent être émises : soit il s’agit d’une conséquence directe de l’enrichissement de l’atmosphère du contact en vapeur d’eau qui modifie l’équilibre d’adsorption de la vapeur d’eau et son rôle lubrifiant en baissant d’avantage le frottement ; soit il s’agit d’un artefact lié à une dilatation

tangentielle s’ajoute à la résultante des forces de frottement mesurées. Il peut également être possible que ces deux phénomènes coexistent et que leurs effets s’ajoutent pour provoquer cette baisse apparente ou réelle du frottement. Néanmoins, si l’on s’appuie sur les travaux de Gouider [GOUI 04] et de Doyen [DOYE 06] la première hypothèse semble la plus plausible. En effet, Gouider a mis en valeur lors de sa thèse une augmentation rapide et momentanée du taux d’humidité au sein d’un contact fermé en s’appuyant sur une analyse par spectrométrie de masse in situ des gaz présents au sein du contact dynamique. Doyen a quant à lui effectué le même type de d’essai, que ceux que nous présentons, avec des matériaux composites disposant d’un coefficient de dilatation similaire à celui du graphite et les résultats ont montré que cette chute n’était pas présente avec ce type de matériau. Cette absence de la chute pour certains groupes de matériaux, dans des conditions identiques, confirme donc que la source de ce phénomène ne provient pas des dilatations thermiques des composants en frottement, mais d’un phénomène de condensation locale.

La phase 3 s’étend jusqu’à l’arrêt de la régulation thermique et peut présenter deux allures différentes :

- La première, la plus courante, correspond à une augmentation régulière et très important du couple de frottement jusqu’à des valeurs dépassant largement les couples résistants observés à température ambiante. Cette phase, due à l’assèchement progressif des réservoirs de physisorption présents à la surface des matériaux carbonés, peut se découper en deux étapes de durées variables selon le couple de matériaux : d’abord une augmentation rapide du couple résistant jusqu’à t = 50 minutes environ, puis une augmentation plus progressive jusqu'à l’arrêt de la régulation en température.

- La seconde, n’est présente que pour le couple graphite / Ti-6Al-4V et correspond à une augmentation très faible du couple de frottement par rapport à celui obtenu lors de la phase 2 et qui se stabilise très rapidement à une valeur plus faible que celle enregistrée à température ambiante.

La phase 4 intervient au moment de l’arrêt de la régulation thermique, elle peut prendre plusieurs formes selon le couple de matériaux et selon la nature de la phase 3 qui la précède.

- La forme la plus classique de la phase 4 est celle découlant de la première nature de la

phase 3. Elle correspond à une chute très brutale du couple de frottement lors de l’arrêt du

chauffage. La température diminue, l’atmosphère du contact devient moins sèche l’air se « recharge » en humidité, les matériaux carbonés également. Les réservoirs de physisorption se remplissent donc à nouveau, les matériaux frottent donc mieux, le couple de frottement

redescend. Néanmoins, une différence importante peut être notée par rapport à la phase 3, c’est le caractère très brutal de cette chute du couple de frottement par rapport à la progression très régulière observée en phase 3. Pour tenter de donner une explication à cette différence notable, deux hypothèses peuvent être soulevées. Il est possible en effet de penser, que pour les matériaux carbonés, l’adsorption est plus facile et naturelle (étant donné qu’elle agit de façon positive) que la désorption (qui est un facteur négatif qui augmente le frottement). Et donc, qu’en conséquence, les réservoirs de physisorption se remplissent beaucoup plus facilement qu’ils ne se vident. De plus, on peut également penser que cette chute est également la conséquence d’une rupture brutale des liaisons adhésives formées lors de la

phase 3, sous l’effet du refroidissement. D’où cet effondrement brutal du couple de

frottement. Un autre point intéressant lors de cette phase 4, est le fait que le couple de frottement descende jusqu’à une valeur équivalente à celle de la phase 2, sauf pour le couple carbone / acier 304L. Cette descente jusqu’à la même valeur minimale que lors de la phase 2, semble pouvoir s’expliquer avec l’une des hypothèses précédentes : les réservoirs de physisorption se remplissant semble t-il avec plus de facilité qu’ils ne se vident, ils le feraient également au maximum de leurs capacités en se remplissant complètement. Ce fonctionnement « à l’extrême » des réservoirs provient certainement de leurs assèchements lors de la phase 3. Les réservoirs lors de cette phase 4, fonctionnent à la manière d’une « éponge sèche » qui se gorge d’eau. On peut également penser pour expliquer ce couple de frottement très bas et cette chute brutale, lors de cette phase, à une adsorption très rapide des particules du 3ème corps ou bien encore à une « consommation » de ce 3ème corps.

- La seconde forme de la phase 4 est celle observée pour le couple graphite / Ti-6Al-4V, avec une remontée du couple de frottement autour d’une valeur légèrement plus élevée qu’à la

phase 1.

Enfin, la dernière et 5ème phase se traduit pour la majorité des couples par une légère

augmentation du couple de frottement jusqu’à une stabilisation autour de la valeur de départ à l’ambiante. Seul le couple carbone / acier 304L, dont le couple de frottement ne redescend pas aussi bas que les autres lors de la phase 4, voit son couple résistant continuer à diminuer régulièrement jusqu’à atteindre une valeur équivalente à celle de la phase 1.