Usure

Contrairement à l’aspect fissuration le phénomène d’usure sous sollicitations de fretting est moins bien formalisé car il doit prendre en compte des mécanismes beaucoup moins quantifiables tels que :

La modification des surfaces par enlèvement de matière à l’interface,
La présence d’un troisième corps actif à l’interface,

Le flux des débris à l’intérieur et hors de la trace de contact,
Les mécanismes de transfert,

L’influence de l’environnement (O₂, H₂O, …),

Le couplage entre les aspects thermodynamiques, physico-chimiques et mécaniques.

Deux grands courants de pensée ressortent pour définir la cinétique de l’usure: le premier, quantitatif, est dérivé du modèle d’Archard [40] qui analyse la dégradation en termes de volume usé : quantité de matière perdue aux cours de l’essai par rapport aux sollicitations imposées au système et des caractéristiques mécaniques, physiques et chimiques des massifs en contact. Le second, plus qualitatif, considère que l’usure n’est pas une propriété intrinsèque des matériaux et qu’il est nécessaire de prendre en compte le troisième corps présent à l’interface. Cette démarche a été introduite par Godet [41], [42]. Elle considère que le troisième corps est à l’origine du transfert de chargement d’un solide à l’autre. La dégradation n’est plus associée à un volume usé mais à la quantité de débris éjectés hors du contact.

I.2.2.1.Approche quantitative

Les cinétiques d’usure sont basées sur les relations de la mécanique des contacts. De nombreuses relations prennent en compte l’aire réelle de contact et les propriétés mécaniques des matériaux en contact comme leur module de Young ou bien leur dureté. Le modèle le plus représentatif est la relation élaborée par Archard [40]:

m V P P L K W = ⋅ ⋅ (I-4)

22 où WV – volume total usé, K – coefficient d’usure, L – distance de glissement, P – effort normale, Pm – pression de plastification locale associée à la limite de plastification du matériau. Cette formule est dérivée par Archard à partir d’une équation donnée par Holm [43], dans laquelle un coefficient adimensionné K a été introduit par souci de conformité entre la relation et les essais :

H P K

W_V = ⋅ (I-5) où WV – volume total usé, P – effort normal, H – dureté du matériau « mou ». Le coefficient K est interprété par Archard comme étant la probabilité de former une particule d’usure entre les aspérités des deux massifs en contact. Cependant d’autres auteurs proposent différentes interprétations de ce coefficient [44], [45], [46]. Par ailleurs des modèles similaires [47], [48], [49] sont proposés.

Récemment il est possible de quantifier l’usure au travers de la formulation locale de la loi d’Archard [50]. Les tribologues considèrent que les contacts doivent être étudiés par une approche du système tribologique. L’énergie dissipée par frottement apparaît comme activateur principal des processus de dégradations des systèmes tribologiques.

Mohrbacher et al. [17] introduit le concept d’énergie dissipée cumulée pour des glissements bidirectionnels (Fretting mode I). L’énergie dissipée est calculée à partir du déplacement relatif des deux surfaces en contact (δ) et de la valeur de la force tangentielle Q correspondant donc à l’aire du cycle de fretting.

∑ ⋅ = ⋅ ⋅

= Q δ 4 Q δ *

E

(I-6)

Cette variable intègre différents phénomènes comme : la déformation plastique des massifs en contact [51], la création et l’éjection des débris [52], la thermodynamique du contact [53], etc.

Cette approche est largement validée en reliant le volume usé à la valeur de l’énergie dissipée, induite par le frottement, par une relation linéaire dans les cas des métaux, composites et céramiques [17], [31], [54], [24]. Sur la figure I-11 l’évolution linéaire de

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23 volume d’usure en fonction de l’énergie dissipée accumulée est présentée pour le cas d’un contact acier rapide HSS revêtu ou non de TiN contre alumine [55]. La pente de cette relation permet de déterminer des coefficients énergétiques (α) pour ces systèmes tribologiques. En ce qui concerne les polymères à notre connaissance, aucune étude n’a été réalisée dans ce sens. Donc, on ne sait pas encore quelle relation sera établie entre le volume de l’usure et l’énergie dissipée.

Fig. I-11 : Evolution du volume usé en fonction de l’énergie dissipée cumulée, contact acier rapide HSS revêtu ou non de TiN contre alumine [55].

I.2.2.2.Approche « troisième corps »

L’approche dite du troisième corps a été introduite par Godet [41], [36], [42]. Celle-ci est basée sur une étude rhéologique du troisième corps présent à l’interface de contact et considère une quantité de débris éjectés du contact comme facteur contrôlant l’usure plutôt qu’une détermination quantitative d’un volume de matière éliminée des premiers corps. Ce troisième corps peut être introduit volontairement dans le contact (huile, graisse, lubrifiant solide…) ou bien être le produit de l’usure des deux corps en contact (lit de débris présent à l’interface du contact). Il participe à la transmission du chargement (en termes de déplacement, de vitesse et/ou de force) entre les deux solides en contact et peut donc indirectement diminuer la dégradation volumique des premiers corps.

24 A partir d’observations avancées de l’interface les auteurs proposent un formalisme décrivant les différents sites et processus présents à l’interface (fig. I-12). Le contact est défini par 5 sites Si et 4 mécanismes Mj. Ainsi, il peut être décrit 20 configurations différentes. Cependant seulement 12 mécanismes sont possibles. Les 5 sites correspondent respectivement aux deux premiers corps en contact, au troisième corps et à deux écrans qui séparent le troisième corps des premiers corps. Les 4 mécanismes représentent la déformation élastique, plastique, la rupture et le roulement. Un mécanisme d’accommodation est donc décrit par un couple (SiMj). Vincent [36] met en évidence des écrans (S2 et S4) sous sollicitations de fretting.

Fig. I-12 : Mécanismes d’accommodation dans le contact [42].

Ainsi l’usure correspond au volume de débris éjecté au cours de l’essai. Cette hypothèse peut être prise en considération par la formule suivante :

= ⋅

∫

Où : l – longueur de contact, h_d – épaisseur de la couche de débris, u – distribution de gradient de vitesse des débris éjectés.

Ce modèle décrit relativement bien les mécanismes réels mais reste difficile à formaliser et ne permet pas une comparaison simple de différents tribosystèmes. Cette analyse permet l’interprétation de phénomènes tribologiques associés à l’action du troisième corps sur la diminution du coefficient de frottement ou l’aspect bénéfique de sa présence vis-à-vis de la

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25 cinétique d’usure. Ceci permet notamment d’expliquer la grande différence des cinétiques d’usure observés pour les contacts piégeant (fretting) et les contacts non piégeant (frottement par passages successifs par exemple, glissements alternatifs réciproques, …).