Techniques de caractérisations tribologiques 1 Tribométrie

La résistance à l’usure permet d’apporter une information complémentaire sur les propriétés mécaniques des couches. Dans de nombreux domaines, c’est la résistance élevée à l’usure des revêtements durs à basse ou à haute température qui est le plus souvent recherchée. L’usure est une conséquence du frottement, de l’abrasion…etc. D’une manière générale, le frottement apparaît lorsque l’on déplace deux corps en contact l’un par rapport à l’autre comme c’est le cas par exemple en usinage. Par conséquent, l’usure est définie comme la perte progressive de matière de la surface d’un corps par suite du mouvement relatif d’un autre corps en contact. L’usure est liée aux propriétés des matériaux et est une conséquence du frottement. Elle se caractérise par une perte de cote, de forme et de poids par émission de débris. Expérimentalement, on effectue souvent, soit la mesure de la perte de poids, soit la mesure de variations dimensionnelles, soit la mesure de la modification géométrique de la trace d’usure. Notons que l’usure des matériaux en frottement est très variable. En conséquence, il n’existe ni bon ni mauvais matériau de frottement mais des couples de matériaux qui, pour des conditions données, forment des troisièmes corps compatibles ou non avec les caractéristiques de frottement et d’usure souhaitées.

L’usure est un phénomène complexe, généré par de nombreux processus physiques, chimiques et mécaniques. En général, on distingue deux modes fondamentaux : l’usure adhésive et l’usure abrasive.

 L’usure adhésive se traduit par le transfert de matière d’une pièce frottant sur la surface d’un solide antagoniste. On ne rencontre pas ce type d’usure dans le cas de l’usinage du bois.

 L’usure abrasive quant à elle est produite par l’action de corps étrangers (cas intrinsèque du bois), durs et pulvérulents, présents entre deux surfaces en mouvement relatif ou encastrés dans l’une des deux surfaces. En fonction de la nature et de la granulométrie des corps étrangers ainsi que de la rugosité et du module d’élasticité des matériaux en frottement, les surfaces se déforment soit élastiquement, soit plastiquement. De plus, en fonction des angles d’attaque des particules, on distingue l’usure abrasive par déformation et celle par coupe. L’usure abrasive se manifeste donc par la formation de sillons et la création de micro copeaux.

Il ressort donc que le comportement tribologique n’est pas une propriété intrinsèque des matériaux mais qu’il dépend des caractéristiques mécaniques et structurales des deux matériaux en frottement et des conditions de sollicitation.

Les essais d’usure ont été réalisés à l’aide de deux tribomètres en configuration pion-plan ; l’un au LMS de l’ENSSM de Besançon (Figure.II.15-a) et le second au CER Arts et Métiers ParisTech de Lille (Figure.II.15-b). Le pion est une bille en acier (100Cr6) et le plan est animé d’un mouvement alternatif. Cette configuration entraîne une expulsion des débris d’usure en dehors de la zone de frottement. La charge appliquée au contact est de 5 N avec un frottement alternatif toutes les 8 s. Le temps de frottement est de 10 minutes ce qui correspond à une distance linéaire de 0,3 m.

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Figure.II.15. Tribomètre en configuration pion plan : a) appareil de l’ENSSM, b) celui du CER Arts et Métiers ParisTech de Lille.

De plus, grâce au tribomètre, nous pouvons avoir une idée qualitative de l’adhérence de la couche sur le substrat. En effet, si lors d’un essai la couche ne résiste pas au frottement et qu’elle se désagrège, ou si des fissures apparaissent ainsi que des arrachements le long de la trace d’usure, c’est qu’elle n’a pas une bonne adhérence.

Les tests de tribométrie ont été effectués dans le but d’étudier l’effet du pourcentage d’Al et de V sur le coefficient de frottement des couches de CrAlN et de CrVN. Ces essais nous permettront seulement de comparer les couches les unes avec les autres car les sollicitations auxquelles ces dernières sont soumises lors des tests de tribométrie ne représentent pas celles rencontrées en usinage des panneaux de MDF.

II.3.3.2. Scratch test

Après dépôt et selon leur structure et leurs propriétés mécaniques intrinsèques, les films obtenus n’auront pas le même accrochage mécanique sur les substrats. C’est là qu’intervient la notion d’adhérence du film. Cette notion est plus que capitale si l’on veut statuer sur le comportement en usinage des matériaux revêtus. Si l’adhérence du film élaboré est faible, il est évident que le revêtement ne jouera aucun rôle de protection, ainsi on retombe dans le cas de l’usinage avec un outil conventionnel.

Afin d’obtenir cette information, nous avons réalisé des tests de rayage monopasse à charge croissante, plus connu sous l’appellation ‘Scratch-test’. Cette méthode très largement utilisée consiste à faire glisser, à vitesse constante, un indenteur en diamant chargé avec une force normale et croissante FN sur la surface du revêtement à caractériser. Une force tangentielle FT

est mesurée durant l’essai et un capteur acoustique enregistre l’intensité du signal sonore émis par l’échantillon. A partir d’un graphique (Figure.II.16) sur lequel sont reportées l’évolution de la force tangentielle et l’intensité acoustique en fonction de la force normale, la pente de la droite (dans un cas idéal) donne la valeur du coefficient de frottement.

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Figure.II.16. Courbes obtenues pour une couche après scratch-test.

La rupture de la pente de la courbe de la figure.II.16 correspond à l’arrachage de la couche et à une valeur limite de la force normale. Cette valeur notée LC2 dépend de plusieurs facteurs

tels que : les propriétés du substrat, les propriétés du film, le coefficient de frottement entre la couche et l’indenteur, l’état de surface du film, la vitesse de montée en charge et de déplacement de l’indenteur, le rayon et l’usure de l’indenteur ainsi que les facteurs instrumentaux. Une illustration d’un endommagement d’une couche correspondant à cette valeur LC2 est montrée sur la figure.II.17.

Figure.II.17. Micrographie de l’endommagement d'un film.

Les scratch-tests ont été réalisés au CER des Arts et Métiers ParisTech de Lille avec un appareil de type « Scratch Tester Millenium 200 » équipé d’un microscope optique, d’un système de détection de l’émission acoustique et d’un capteur de force tangentielle (Figure.II.18). La force normale est appliquée par l’intermédiaire d’un moteur électrique. La charge minimale est de 0,1 N et la charge maximale est de 200 N. Tous les essais ont été effectués avec une pointe conique en diamant de type Rockwell C de 200 µm de rayon et d’angle au sommet de 120°. L’appareil permet de faire des essais sur une longueur de rayage maximale de 30 mm. Nous avons calibré la sensibilité acoustique entre 5 et 16 et sélectionné manuellement avec le microscope la zone de départ de la rayure. La fréquence d’acquisition des données est de 5 kHz. Pour nos tests de scratch-test nous avons appliqué un effort progressif de 200 N sur une longueur de 8 mm.

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Figure.II.18. Scratch Tester Millenium 200 du CER Arts et Métiers ParisTech de Lille.

II.4. Méthodes de caractérisation et usinage des panneaux de MDF