Synthèse

Le grippage est un cas particulier d’usure adhésive dont les conséquences industrielles et

économiques sont importantes, en particulier dans les applications pour lesquelles la sécurité et

la santé sont primordiales. Cette étude bibliographique s’est focalisée sur quatre axes

principaux.

Le premier axe avait pour but de définir le phénomène de grippage et les différents phénomènes

d’usure intervenant en parallèle du grippage. Lors de l’étude du grippage, on s’intéresse

principalement à la résistance au grippage d’un couple de matériaux.

La résistance au grippage est décrite par le biais de deux notions complémentaires : le seuil de

grippage et sa sévérité. Le seuil de grippage est utilisé pour comparer des couples de matériaux

en termes de risques d’apparition du grippage. La sévérité du grippage s’intéresse aux

conséquences du grippage sur l’échantillon en fonction des matériaux en présence. La

combinaison de ces deux paramètres permet alors de décrire précisément la résistance au

grippage d’un couple de matériaux.

A l’issue de ce premier axe, on note que la détermination de l’apparition du grippage est

subjective. De nombreuses études se concentrent actuellement pour proposer un critère fiable

et objectif d’apparition du grippage. De même, l’étude de la sévérité du grippage reçoit un

intérêt croissant ces dernières années. La détermination qualitative de la sévérité du grippage

reste cependant insuffisante pour permettre d’en proposer une caractérisation précise et

normalisée.

Le deuxième axe s’intéressait à la description des différents essais de grippage pouvant être

utilisés pour déterminer le seuil de grippage. Les essais selon la norme ASTM G98, permettent

une détermination qualitative et rapide du seuil de grippage d’un couple de matériaux. Les

essais selon la norme ASTM G196 permettent une détermination plus précise du seuil de

grippage mais nécessitent une quantité d’échantillon et un temps d’essai largement supérieur à

celui de la norme ASTM G98. Les essais cylindre-cylindre et les essais sur tribomètre rotatif

rendent la caractérisation de la sévérité du grippage difficile du fait de la faible surface de

contact entre les deux échantillons en contact.

L’essai selon la norme ASTM G98 a été sélectionné dans le cadre de cette thèse car celui-ci

présente le meilleur compromis entre une détermination rapide du seuil de grippage et une

géométrie de contact permettant une étude précise de la sévérité du grippage.

Le troisième axe correspondait aux différents moyens d’augmenter le seuil de grippage dans la

littérature.

46

On remarque qu’il existe principalement deux stratégies. La première stratégie consiste à

optimiser l’interface par une sélection de l’état de surface ou une modification des propriétés

de la surface (revêtement ou traitements de surface). Cette stratégie est probablement la plus

répandue et la plus efficace pour augmenter le seuil de grippage. La seconde stratégie est

d’augmenter le seuil de grippage par le biais des propriétés des matériaux en présence. Cette

augmentation est alors possible par le biais des propriétés mécaniques, de la composition

chimique comme de la microstructure en présence.

Le quatrième et dernier axe étudié correspond aux différents mécanismes identifiés lors de

l’apparition du grippage. A l’issue de cet axe, on remarque que le grippage s’initie à l’issue

d’une usure adhésive localisée au niveau des aspérités des surfaces en contact. Cette usure

adhésive donne lieu soit à un arrachement de l’aspérité soit à la déformation plastique de

celle-ci. Dans les deux cas, le grippage intervient à condition que des particules de matière transférée

s’accumulent au niveau de l’interface jusqu’à former un défaut dont les dimensions excèdent

une « taille critique », dépendante des matériaux et des conditions de sollicitation. Ce défaut

(transfert de matière, bourrelet…) de dimensions importantes est alors à l’origine du grippage

et de l’usure pouvant être observés sur la surface des échantillons grippés.

Alternativement, le grippage est susceptible d’intervenir à la suite de la modification des

propriétés des matériaux en conséquence de la sollicitation mécanique. En particulier les

propriétés mécaniques de la couche en extrême surface évoluent du fait de la sollicitation subie

par le matériau. Les mécanismes intervenant à la suite de l’apparition du grippage n’ont en

revanche pas été développés dans la littérature.

A l’issue de cette étude bibliographique, on remarque donc plusieurs points qu’il faut éclaircir

pour mieux appréhender le phénomène de grippage, en particulier :

1. L’apparition du grippage n’est pas définie de manière objective à ce jour.

Une étude est actuellement réalisée sur la détection de l’apparition du grippage par émission

acoustique au CETIM de Senlis en collaboration avec le projet GRIPAC au sein duquel s’inscrit

cette thèse. Cette amélioration de la définition du grippage ne sera pas abordée au cours de cette

thèse mais les lecteurs sont invités à s’orienter vers les travaux de Friedrich et al. [10] et Saidoun

et al.[80].

2. Certaines nuances d’acier et certains traitements de surface présentent une résistance au

grippage élevée mais les mécanismes associés restent mal compris.

La compréhension des mécanismes expliquant la résistance au grippage élevée des échantillons

traités S

³

P et du Nitronic60 servira de fil directeur tout au long de cette thèse.

3. Les effets de la microstructure sur le grippage restent méconnus.

En effet, le grippage est essentiellement défini par une approche surfacique. Les effets de la

composition chimique et de la microstructure ne sont que rarement étudiés dans la littérature.

Le fil directeur précédemment défini sera donc suivi à la fois par des observations de la surface

mais aussi par l’étude microstructurale des échantillons.

47

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[80] A. Saidoun, C. Herve, Y. M. Chen, T. Lesage, and S. Bouvier, “Galling detection by

Chapitre 2 :

Techniques expérimentales et

caractérisation des matériaux

53

Introduction ... 54

I. Techniques expérimentales ... 55

I.1. Morphologie de surface et dureté ... 55

I.1.a. Profilométrie ... 55

I.1.b. Micro-indentation et nano-indentation ... 56

I.2. Caractérisation de la microstructure ... 57

I.2.a. Observations à l’échelle du MEB ... 57

I.2.b. Analyses à l’échelle du MET ... 61

I.3. Caractérisation de la composition chimique et des phases en présence ... 62

I.3.a. EDS ... 62

I.3.b. DRX ... 62

II. Sélection et caractérisation des matériaux ... 63

II.1. Nuances d’acier inoxydable retenues ... 63

II.1.a. Sélection des nuances d’aciers inoxydables... 63

II.1.b. Propriétés mécaniques ... 66

II.1.c. Microstructure à l’état de réception ... 67

II.1.d. Usinage des échantillons et topologie de surface ... 72

II.2. Traitements thermochimiques de surface ... 74

II.2.a. Description des traitements S

³

P ... 74

II.2.b. Profondeur affectée par les traitements ... 78

II.2.c. Evolution du paramètre de maille ... 80

II.2.d. Evolution des contraintes résiduelles après traitement ... 80

54

Introduction

Ce chapitre est dédié à la présentation des moyens expérimentaux et à la sélection des matériaux

et des traitements utilisés dans cette thèse.

On décrira notamment les techniques de caractérisation selon trois axes distincts : la

caractérisation de la surface (profilométrie et nano-indentation), de la microstructure (MEB,

BSD, EBSD, MET, DRX) et de la composition chimique (EDS). Cette description a

principalement pour objectif de mettre en avant les points forts et les limites de chacune de ces

techniques.

Par la suite, on justifiera le choix des nuances d’aciers inoxydables et des traitements

thermochimiques de surface sélectionnés dans ce projet. Les aciers inoxydables sélectionnés

sont les aciers 316L, 316LN, Nitronic60 (austénitiques), AISI660 (austénitique à durcissement

structural), 17-4PH (martensite à durcissement structural) et Uranus45N (duplex

austéno-ferritique). Des notations pour ces aciers sont employées dans ce document pour permettre une

meilleure lisibilité des essais réalisés. Ainsi ; 316 se réfère au 316L, LN au 316LN, Nit au

Nitronic60, A660 à l’AISI660 et UR à l’Uranus45N. Les traitements utilisés sont issus de la

technologie S

³

P et sont adaptés à chacune des nuances employées.

Pour finir, les propriétés mécaniques, la microstructure et la composition chimique des

échantillons à l’état de réception et après traitement de surface seront déterminées. Les

paramètres de réalisation des traitements thermochimiques étant confidentiels, seuls les effets

des traitements sur les aciers inoxydables seront décrits ; à savoir la profondeur affectée par le

traitement, le gradient de dureté, l’augmentation du paramètre de maille, etc...

A l’issue de ce chapitre, les conditions d’essais et les propriétés étudiées lors de cette étude

auront été décrits, permettant ensuite d’étudier les phénomènes intervenant en surface (chapitre

3) ainsi qu’en sous-surface (chapitre 4).

55

Dans le document Grippage des aciers inoxydables : influence de la nature des matériaux, de la microstructure et des traitements thermochimiques de surface (Page 50-60)