Influence de la microtexture sur le piégeage des particules

Après avoir corrigé la masse des particules en séparant celles stockées par la macrotexture de la surface du reste, il est maintenant possible d’étudier l’effet de piégeage des particules et son impact sur le frottement. La variation du coefficient de frottement en fonction de la masse des particules en surface (mesurée dans le cas de la plaque Sablé et estimée dans le cas de la plaque Sablé Strié) est présentée dans la Figure 5.16.

En regroupant tous les résultats trouvés pour chaque surface sur le même graphe, on constate que la tendance générale est la même pour les différentes fractions de taille de particules et les différentes concentrations initiales des particules : le coefficient de frottement diminue lorsque la masse des particules augmente. Quelques dispersions peuvent être observées, principalement lorsque la masse des particules est importante.

a) b)

Figure 5.16 Variations du coefficient de frottement en fonctions de la masse des particules pour toutes les fractions de taille et toutes les concentrations initiales des particules : a) Sablé ; b) Sablé Strié

Le phénomène de piégeage des particules a été observé par les mesures de masse déjà présentées. Il est clair que ce phénomène est lié à la taille des particules et à la microtexture de la surface. Pour étudier les particules piégées dans la microtexture, deux approches sont utilisées :

La masse des particules mesurée à la fin de chaque série d’essais sur la surface d’aluminium grenaillée est présentée dans la Figure 5.17. Chaque barre représente la moyenne des trois dernières pesées d’une série d’essais (dans le protocole d’essais, les mesures sont arrêtées quand la différence entre trois mesures consécutives de coefficient de frottement ne dépasse pas ± 0,01).

a)

b)

Figure 5.17 Masse des particules mesurée à la fin de chaque série d’essais : a) Sablé ; b) Sablé Strié

Le piégeage des particules dépend de la fraction de la taille et de la concentration des particules. Pour une fraction de taille donnée, une concentration élevée des particules génère une quantité de particules piégées plus importante. Ce résultat révèle le fait qu’une stabilisation du coefficient de frottement ne signifie pas une saturation des aspérités de la surface (où les particules sont piégées) ; sinon, la quantité finale des particules devrait être la même indépendamment de la concentration initiale. Une stabilisation du coefficient de frottement signifie donc simplement que les particules ne sont plus éjectées de l’aire de contact entre le patin et la surface d’essai.

grossières et atteint une valeur proche de celle d’une surface propre puisqu’il ne reste plus de particules sur la surface. A l’inverse, les particules fines s’accumulent sur la surface et continuent à lubrifier l’interface patin/plaque ; le frottement se stabilise par la suite à une valeur plus faible que celle d’une surface propre.

Le fait qu’il y a plus de particules piégées pour la fraction de taille de 0-100μm (comparée à la fraction 0-40µm) montre qu’il y aurait un autre mécanisme de piégeage. En effet, le piégeage ne signifie pas seulement un remplissage des creux de la surface. Il peut y avoir un blocage mécanique des particules qui empêche le roulement des particules entre elles. Ce mécanisme est plus adapté pour les particules fines (entre 50-60μm d’après Mills et al (2009)), qui sont plus denses (moins de vide entre les particules) et probablement pour une distribution de taille des particules étalée (comme celle de 0-100μm) où les particules fines occupent les espaces entre les particules grossières et génèrent une densité de particules plus importante.

5.4.3.2. Analyses des volumes de vides

La deuxième approche d’estimation consiste à quantifier les particules piégées dans les creux de texture de la surface en se référant aux paramètres de volumes de la courbe d’Abbott. Le schéma suivant explique les différents paramètres utilisés (Figure 5.18).

Figure 5.18 Schéma représentatif des paramètres de volumes avec la courbe d’Abbott

Les paramètres utilisés sont le Vvc (le volume de vide du cœur) et le Vvv (le volume de vide des vallées). Ces paramètres sont calculés par défaut avec des seuils de taux de portance à 10% et 80% de la courbe d’Abbott extraites à partir d’une cartographie de la surface de l’échantillon propre (présentés dans le Tableau 4.3 Chapitre 4). La somme de VVV et VVC représenterait le volume de particules piégées dans tous les creux de la surface.

Volume de vide du cœur

Volume de vide des vallées

Une fois le volume de vides total de chaque plaque (Vvv+Vvc) et le volume de vides des vallées (Vvv) calculés, la masse de particules nécessaire pour remplir les vides est calculée en multipliant ces volumes par la masse volumique des particules. Dans nos expérimentations, seules les densités des particules fines de Cheviré (fractions 0-40µm et 40-50µm) sont mesurées : elles présentent des valeurs similaires (2,52.10^-3 g/mm3 et 2,55.10^-3 g/mm3). On peut donc considérer que la moyenne de ces deux valeurs donne une densité moyenne des particules de Cheviré. Les résultats trouvés sont présentés dans le Tableau 5.3. Les masses correspondant aux seuils Vvv+Vvc et Vvv sont ensuite injectées dans le graphe de la variation du coefficient de frottement en fonction de la masse des particules pour chaque surface (Figure 5.19 et Figure 5.20).

Tableau 5.3 Valeurs la masse calculée

Figure 5.19 Variation du coefficient de frottement en fonctions de la masse des particules sur la surface Sablé (toutes fractions de taille et toutes concentrations initiales des particules)

La Figure 5.19 donne un autre éclairage sur la relation entre le frottement et la masse des particules. Quand la masse des particules est inférieure à 0,443g, le coefficient de frottement commence à s’accroitre par rapport à une valeur qui correspond à μmin (ligne horizontale à μ = 0,54). La dispersion observée des points sur la moitié droite de la courbe est peut-être liée à la répartition des particules sur la surface qui pourrait être non homogène. Dès que la masse des particules devient inférieure à 0,046 g, l’accroissement du coefficient de frottement s’intensifie et la dispersion n’est plus visible. On peut considérer que quand la quantité de particules est plus

Plaque ^{masse des particules (g) en}

considérant VVV+VVC

masse des particules (g) en

considérant VVV

Sablé 0,443 0,046

Sablé Strié 0,31 0,032

direct commence à s’établir entre le patin et les aspérités de la surface et donc le coefficient de frottement devient supérieur à μmin. Quand les particules sont retenues dans les vallées les plus profondes (masse < 0,046 g), on peut considérer que le contact direct entre le patin et la plaque s’étend sur toute la surface de la plaque.

Les masses de particules présentées dans la Figure 5.19 montrent que les particules sont probablement piégées dans les vallées les plus profondes de la surface. Les particules les moins piégées sont des fractions de 40-50μm, 50-80µm et 80-100μm, ce qui signifierait que ces particules sont plus grandes que les dimensions des vallées de la surface et donc seulement une petite partie d’entre elles peut être piégée.

Les mêmes tendances sont trouvées sur la plaque Sablé Strié (Figure 5.20). La remontée du coefficient de frottement est plus marquée quand la masse des particules devient plus faible que 0,032 g et la dispersion n’est plus visible.

Figure 5.20 Variation du coefficient de frottement en fonctions de la masse estimée des particules sur la surface Sablé Strié (toutes fractions de taille et toutes concentrations initiales des particules)