Etude en fretting, sous conditions thermiques et vibratoires sévères, de paliers avec butées en matériaux carbonés imprégnés en contact avec des arbres en acier ou en alliage de titanes nitrurés

Pour l’obtention du grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS

ECOLE DOCTORALE :

Sciences et Ingénierie en Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique Secteur de Recherche : Génie Mécanique, Productique, Transport

Présentée par :

Manuel SYLVESTRE

Etude en fretting, sous conditions thermiques et vibratoires sévères,

de paliers avec butées en matériaux carbonés imprégnés en contact

avec des arbres en acier ou en alliage de titane nitrurés.

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Directeurs de Thèse : Hamid Zaïdi, Jean-Paul Rivière ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Soutenue le 7 décembre 2010 Devant la commission d’examen

- JURY –

GRAS R. Professeur, SupMéca Paris Rapporteur

RICHARD C. Professeur, Polytech’Tours Rapporteur

BOHER C. Maître de Conférences, Ecoles des Mines d’Albi Examinateur KOUITAT R. Maître de Conférences, Ecoles des Mines de Nancy Examinateur FRENE J. Professeur émérite, Université de Poitiers Président DOYEN F. Ingénieur de recherche, MERSEN Examinateur ZAIDI H. Professeur, Université de Poitiers Examinateur RIVIERE J. P. Professeur émérite, Université de Poitiers Examinateur

Le présent travail a été effectué au sein de l’Institut P’ de l’université de Poitiers, et plus particulièrement dans les départements de génie mécanique et système complexe et de physique et mécanique des matériaux. Il n’aurait également pas pu voir le jour sans la collaboration de la société MERSEN (site de Gennevilliers). Je tiens à remercier dans cet avant propos les différentes personnes qui m’ont permis d’effectuer ce travail dans les meilleurs conditions.

Tout d’abord j’adresse mes remerciements à Messieurs les professeurs Hamid Zaidi et Jean-Paul Rivière, pour leur encadrement au quotidien et leur soutien tout au long de ces trois années.

Je tiens à remercier Monsieur Franck Doyen, Ingénieur de recherche MERSEN, pour avoir suivi ce travail de très près et m’avoir prodigué de précieux conseils.

Je remercie Madame Caroline Richard, professeur à Polytech’Tours, ainsi que Monsieur René Gras, professeur à SupMéca Paris, d’avoir bien voulu s’intéresser à cette étude et accepter la charge d’être rapporteur.

Mes plus sincères remerciements vont également à Madame Christine Boher, maître de conférences à l’école des mines d’Albi, à Monsieur Richard Kouitat maître de conférences à l’école des mines de Nancy, et à Monsieur Jean Frêne, professeur émérite à l’université de Poitiers pour l’intérêt qu’ils ont manifesté pour ce travail en acceptant d’en être les examinateurs.

Je remercie également Monsieur Dominique Gaveau, responsable du pôle mécanique de MERSEN Gennevilliers, pour m’avoir accordé sa confiance.

Mes plus vifs remerciements s’adressent à tous ceux qui ont contribué par leur aide à l’aboutissement de ce projet, Messieurs : Jean-Jacques Faix, Dominique Eyidi, Michel Drouet, Christian Normand, ingénieurs à l’Institut P’, m’ont apporté une aide concrète et précieuse chacun dans leur domaine.

Enfin, un grand merci également à l’ensemble du personnel du laboratoire : Djam, Laurence, Karine, Héba, Séb. Aux directeurs successifs de m’avoir accueillit Monsieur Olivier Bonneau et Monsieur Michel Fillon, ainsi qu’à tous ceux qui de près ou de loin ont participé à la bonne humeur quotidienne régnant durant ces 3 années : Yoann, Mohamed, Fabien, JéGé, Touf, Laurent, Pierre, Chris, Dédé, Andel, Nono, Jean, Pascal, Hassan, Son, les

Introduction générale

Chapitre 1 : Etude bibliographique

1. Eléments tribologiques du contact sec………..13

1.1 Frottements, usure et dégradations dans un contact glissant………...13

1.1.1 Surfaces et environnement de contact……….13

1.1.2 Le frottement sec………..14

1.1.3 Usure et dégradations………..16

1.1.3.1 Débit d’usure et concept du troisième corps……….16

1.3.3.2 Usures élémentaires………..19

1.1.3.2.1 L’usure abrasive……….. …...19

1.1.3.2.2 L’usure adhésive ou par transfert………...20

1.1.3.2.3 L’usure par fatigue………..21

1.1.3.2.4 L’usure par corrosion ou réaction tribo-chimique…………..22

1.1.3.3 Théories de l’usure………23

1.2 Le fretting un cas particulier de frottement sec et d’usure………...24

1.2.1 Définitions………24

1.2.2 Configuration de contacts étudiés en fretting………..25

1.2.3 Caractérisation de l’usure due au fretting………...26

1.2.4 Analyse du fretting……….. …………28

2. Matériaux en contact sec : l’environnement un facteur très important………30

2.1 Matériaux auto-lubrifiants………...31

2.1.1Matériaux carbonés………...31

2.1.2 Autres lubrifiant solides………...35

2.1.2.1 Matériaux à structure lamellaire………...35

2.1.2.2 Matériaux à structure polymérique et matériaux composites………...35

2.2 Matériaux métalliques en frottement sec………... 36

2.2.1 L’acier : le matériau le plus utilisé………..36

2.2.2 Titane et alliages………..37

2.3 Traitements de surface……….38

2.3.1 Les traitements les plus répandus………38

2.3.2 La nitruration et ses différentes formes………39

2.3.2.1 Les nitrurations thermiques classiques……….40

2.3.2.2 La nitruration ionique………...41

2.3.2.3 La nitruration au potentiel flottant assistée par plasma…….. ………41

de nitruration de l’étude

1. Matériaux……….45

1.1 Les matériaux auto-lubrifiant………..45

1.2 Les contrefaces métalliques………..47

2. Banc d’essais tribologiques………48

2.1 Banc d’essai bille / disque……….48

2.2 Banc d’essai pion / disque……….48

2.3 Banc de simulation de fretting……….50

2.3.1 Description générale………50

2.3.1.1 Génération du mouvement fonctionnel d’oscillation de l’arbre et mesure du couple de frottement………50

2.3.1.2 Génération des mouvements vibratoires du palier………52

2.3.1.3 Contrôle de la température………...52

2.3.1.4 Chargement statique et introduction du mésalignement……….53

2.3.1.5 Contrôle de l’environnement gazeux……….53

2.3.2 Vérification des fonctionnalités du banc……….53

3. Dispositif de traitement de surface et procédés de nitruration envisagés pour l’étude………...57

3.1 Dispositif de nitruration plasma : le réacteur Uranos………...57

3.2 Procédés de nitruration envisagés pour l’étude……….58

3.2.1 Traitements de nitruration envisagés pour l’alliage Ti-6Al-4V………...58

3.2.2 Traitements de nitruration envisagés pour l’acier 304L………….. …………..60

Chapitre 3 : Etude préliminaire en pion / disque sur les matériaux carbonés

de bases et choix des traitements de nitruration les plus adaptés aux

contrefaces

1. Protocoles et échantillons………...63

1.1 Echantillons testés……….63

1.2 Protocoles des essais………..64

2. Essais tribologique préliminaires avec une contreface en Ti-6Al-4V……….64

2.1 Carbone amorphe et Graphite contre disque Ti-6Al-4V brut……….. …...65

2.1.1 L’usure ………65

2.1.2 Le frottement ………...71

2.2 Choix du traitement de nitruration le plus adapté à l’alliage de Titane……….73.

2.3 Carbone amorphe et Graphite contre Ti-6Al-4V nitruré……….74

2.3.1 L’usure ………74

3.1 Carbone amorphe et Graphite contre disque acier 304L brut……….81

3.1.1 L’usure ………81

3.1.2 Le frottement ………...86

3.2 Choix du traitement de nitruration le plus adapté à l’acier 304L………87

3.3 Carbone amorphe et graphite contre 304L nitruré………...88

3.3.1 L’usure ………88

3.3.2 Le frottement ………...92

4. Températures de contacts………..94

5. Conclusion sur les essais préliminaires……….97

Chapitre 4 : Etude en fretting d’un contact arbre / palier avec buttée

soumis à des conditions thermiques et vibratoires sévères

1. Protocole expérimental et échantillons………...101

1.1 Echantillons testés………...101

1.2 Protocole expérimental et paramétrage………102

2. Comportement en fretting d’arbres en Ti-6Al-4V ou en acier contre des paliers en carbone amorphe et en graphite………..104

2.1 Paliers carbone amorphe et graphite contre arbre Ti-6Al-4V………104

2.1.1 Usure et dégradations………104

2.1.2 Frottement……….110

2.1.3 Conclusions………112

2.2 Paliers carbone amorphe et graphite contre arbres acier 304 L………112

2.2.1 Usure et dégradations………112

2.2.2 Frottement………..116

2.2.3 Conclusions………117

2.3 Conclusion………118

3. Influence d’un traitement de nitruration plasma des arbres Ti-6Al-4V et acier sur leur comportement en fretting contre des paliers en carbone amorphe et en graphite.119 3.1 Influence d’une nitruration plasma du Ti-6Al-4V………...119

3.1.1 Usure et dégradations………119

3.1.2 Frottement………..122

3.2 Influence d’une nitruration plasma de l’acier 304L………124

3.2.1 Usure et dégradations………124

3.2.2 Frottement………..126

4.1.1 Usure et dégradations………128

4.1.1.1 Contre une contreface Ti-6Al-4V………128

4.1.1.2 Contre une contreface acier 304L………...132

4.1.2 Frottement………..135

4.2 Influence d’une imprégnation antimoine………..136

4.2.1 Usure et dégradations………136

4.2.1.1 Contre une contreface Ti-6Al-4V………136

4.2.1.2 Contre une contreface acier 304L………...140

4.2.2 Frottement………..142

4.3 Influence d’une imprégnation polymère………...144

4.3.1 Usure et dégradations………144

4.3.1.1 Contre une contreface Ti-6Al-4V………144

4.3.1.2 Contre une contreface acier 304L………...147

4.3.2 Frottement………..149

4.4 Conclusion………150

5. Conclusion des essais d’usure en fretting………...151

Chapitre 5 : Discussion, synthèse et analyses complémentaires des

résultats

1. Analyse de l’évolution des couples de frottement des différentes nuances de matériaux de l’étude lors d’essais sans vibration : influence de la température………...…154

1.1 Protocole expérimental et paramétrage………...154

1.2Analyse de l’évolution du couple de frottement des couples de base de l’étude lors d’essai sans vibration ……….154

1.3 Analyse de l’apport d’une nitruration plasma des arbres lors d’essai sans vibration……….158

1.4 Analyse de l’apport d’imprégnation des paliers lors d’essai sans vibration……….159

2. Association nitruration-imprégnation……….162

2.1 Avec une contreface en Ti-6Al-4V……….163

2.2 Avec une contreface en acier 304L………165

2.3 Conclusion………166

3. Développement d’un outil d’analyse supplémentaire : un modèle numérique cylindre dans cylindre………..166

3.1 Modèle initial………...167

3.2 Modification du modèle initial………...168

4. Analyses de paramètres mécaniques et matériaux ………...171

analyse des dégradations des butées………...173

4.2 Estimation des contraintes internes dans un palier en fonction des conditions de frottement………..174

4.3 Influence de la nature des couples matériaux sur les pressions de contact………...177

4.4 Influence du jeu de fonctionnement radial………...179

5. Conclusions………181

Conclusion générale et perspectives de l’étude

Annexe A : Techniques de caractérisations et d’analyses des surfaces

1. Microscopie optique classique………..187

2. Microscopie électronique à balayage (M.E.B) et analyse par spectrométrie X par dispersion en énergie (E.D.S)………...187

3. Profilomètrie par interférométrie en lumière blanche………..188

4. Microdureté………...190

4.1 Essais Vickers ……….190

4.2 Essais Shore ………190

5. Température de contact………191

Annexe B : Essai d’usure sur les contrefaces métalliques nitrurées

1. Effet de la nitruration plasma sur la résistance à l’usure de l’alliage Ti-6Al-4V…...193

1.1 Analyse des pistes d’usure sous des charges normales de 1N……….193

1.2 Analyse du frottement sous une charge normale de 1N………..196

2. Effet de la nitruration plasma sur la résistance à l’usure d’un acier 304L………….197

2.1 Analyse des pistes d’usure sous des charges normales de 4N……….197

2.2 Analyse du frottement sous une charge normale de 4N………..199

Annexe C : Aspects des échantillons arbres et paliers neufs

Annexe D : Estimation de l’angle maximal de mésalignement au départ des

essais

Introduction générale

Les problèmes de surface en contact existent depuis toujours et sont présent dans tous les domaines dès lors que deux objets viennent à se rencontrer. La tribologie est la science qui étudie les phénomènes se produisant lorsque deux systèmes matériels sont en contact que ce soit de manière immobile ou bien en mouvement relatif. Elle englobe à la fois les notions de frottement, d’usure et de lubrification et implique plusieurs disciplines scientifiques telles que la mécanique des solides, la mécanique des fluides, la thermique, les matériaux, la physique, ou bien encore la chimie.

La lubrification est aujourd’hui un outil très performant et extrêmement bien formalisé, grâce notamment à l’essor de la mécanique des fluides qui a permis d’élaborer des outils performant tels que les équations de Reynolds, les équations de profil de vitesse etc. qui permettent de connaître toutes les caractéristiques nécessaires à l’élaboration d’un projet mécanique. A l’opposé, les bureaux d’études possèdent peu d’outils théoriques pour résoudre les problèmes de contacts secs dynamiques et d’usure. Faute de pouvoir s’appuyer sur des prescriptions formelles, la résolution des problèmes de frottement sec et d’usure repose aujourd’hui sur un certain nombre de « règles de l’art » élaborés à partir de résultats expérimentaux et difficilement généralisables. C’est pour cette raison que les études expérimentales ont une place fondamentale en tribologie et notamment en frottement sec et en usure.

Les contacts industriels où la lubrification est impossible sont très nombreux, notamment dans des secteurs tels que l’aéronautique, l’aérospatiale, l’industrie pharmaceutique ou alimentaire. Ils sont en général présents dans des systèmes mécaniques destinés à fonctionner sous conditions sévères et nécessitent de trouver des solutions matériaux adaptées. L’apport de matériaux autolubrifiants tels que le graphite, le bisulfure de molybdène, … ou bien encore des solutions de traitements de surface tels que les revêtements, la nitruration, …prennent alors tout leur sens dans l’amélioration des caractéristiques tribologiques de ce type de contact. La caractérisation du comportement tribologique d’un contact sec nécessite la prise en compte de très nombreux paramètres : matériaux, environnement de contact, géométrie de contact, type de sollicitations, etc. Et, d’une combinaison optimale de ces paramètres dans un cas précis ne découle pas forcément une généralité applicable à tout type de contact.

contrefaces métalliques. La configuration géométrique utilisée est un contact arbre / palier avec butée soumis à des mouvements de faibles amplitudes (fretting) et cela dans un environnement thermo-vibratoire sévère. Le carbone et ses dérivés (graphite,…) sont très utilisés pour leurs propriétés autolubrifiantes et ils sont la plupart du temps mis en contact contre des aciers. Néanmoins, dans la perspective d’améliorer les systèmes mécaniques, les aciers tendent de plus en plus à être remplacés par des matériaux plus performants mécaniquement, comme les alliages de titane mais dont les propriétés tribologiques sont souvent mauvaises. Notre étude cherche à développer la compréhension et à trouver des solutions pour tenter d’améliorer le comportement tribologique en fretting et sous conditions thermique et vibratoire sévères du carbone et de ses dérivés contre un acier classique et contre du Ti-6Al-4V. Pour cela, deux axes principaux ont été développés : La nitration plasma de l’acier et du Ti-6Al-4V et l’imprégnation du carbone et de son dérivé principal le graphite par divers matériaux

Ce projet est né de la collaboration entre les départements de génie mécanique et systèmes complexes, et de physique et mécanique des matériaux de l’Institut P’ de l’université Poitiers et le groupe industriel MERSEN (Site de Gennevilliers). Il a débuté avec la mise en place d’un banc d’essai dédié au contact sec : arbre / palier avec butée, élaboré lors de la thèse de F. Doyen et se poursuit donc avec l’étude présentée dans ce manuscrit.

Dans le premier chapitre une étude bibliographique est présentée, elle se décompose en deux grandes parties. La première démarre sur une présentation des notions tribologiques de bases nécessaires à la compréhension du problème et se recentre ensuite sur le cas particulier du fretting. La seconde partie est consacrée aux matériaux présents dans les contacts secs et à l’influence de l’environnement. Les caractéristiques des traitements de surfaces les plus courants et tout particulièrement de la nitruration y sont également développés.

Le second chapitre a pour objectif de présenter les matériaux de l’étude, les traitements de nitruration employés ainsi que les différents bancs d’essais et le dispositif de traitement de surface utilisés.

Le troisième chapitre est consacré à une étude préliminaire sur une géométrie de contact simple de type pion / disque, le but ici est d’appréhender le comportement

tribologique des couples de matériaux de base de l’étude dans des conditions de sollicitations simples et d’étudier l’influence d’un traitement de nitruration plasma des contrefaces.

Le quatrième chapitre porte sur l’étude en fretting d’un contact arbre / palier avec butée sous conditions thermiques et vibratoires sévères. Ce chapitre est décomposé en trois grandes parties. La première est consacrée à l’étude et à l’appréhension du comportement en frottement et en usure des couples de base : paliers carbone ou graphite et arbres acier ou alliage de titane La seconde discute l’influence d’une nitruration plasma des arbres. Enfin, la troisième partie met en évidence l’effet de différentes imprégnations des paliers carbone et graphite.

Le cinquième, et dernier chapitre, est une discussion générale sur les résultats obtenus. Dans cet objectif, l’effet d’une utilisation combinée : imprégnation des paliers / nitruration des arbres, est discutée et des essais complémentaires sur le contact arbre / palier sont présentés et analysés. Enfin, un modèle numérique a été développé pour compléter les résultats expérimentaux. Ce chapitre présente également ce modèle et discute l’influence de paramètres mécaniques, tels que le jeu de fonctionnement radial, le mésalignement, etc.

Chapitre 1 : Etude bibliographique

Comme nous l’avons évoqué dans l’introduction générale la tribologie est un domaine qui implique de nombreuses disciplines différentes : la mécanique des solides, la lubrification, la thermique, la physique, les matériaux ou bien encore la chimie des surfaces. Ce chapitre vise à présenter l’état de l’art concernant les travaux en rapport avec le sujet de cette thèse, tant concernant l’aspect mécanique que l’aspect matériaux ou bien encore physique de la problématique.

Dans une première partie nous présenterons les principaux éléments tribologiques nécessaires à l’étude du contact sec en partant des notions tribologiques de bases du contact non lubrifié pour se recentrer ensuite sur le cas particulier du fretting.

Puis dans une seconde partie les matériaux et les traitements de surface les plus employés en contact sec seront présentés.

1. Eléments tribologiques du contact sec

1.1Frottement, usure et dégradations dans un contact glissant

1.1.1 Surfaces et environnement de contact

La surface d’un corps est le lieu des points séparant ce corps du milieu environnant, la surface de contact peut donc être définie comme la zone d’interaction et de séparation entre deux éléments. Une notion importante lorsque l’on s’intéresse à la surface d’un corps est l’ordre de grandeur auquel s’arrête l’observation. Trois « types » de surface peuvent être distinguées : la surface nominale, conçue et dimensionnée sur un dessin, la surface apparente visible à l’œil nu et la surface réelle qui n’est jamais parfaitement lisse et où s’effectue le contact entre deux éléments (Fig.1.1).

Le contact entre deux objets s’effectue donc par l’intermédiaire de micro-zones plus ou moins nombreuses en fonction de la rugosité des surfaces réelles. Lorsque les deux surfaces en contact se mettent à glisser l’une par rapport à l’autre, les zones discrètes de contact sont sans cesse renouvelées. La compréhension d’un contact dynamique nécessite donc d’avoir des informations sur la morphologie globale et la rugosité des surfaces en

Fig.1.1 Surface apparente et surface réelle

D’une façon générale, les caractéristiques d’une surface diffèrent de celles du matériau (dans la masse), d’une part parce que la symétrie de la structure atomique est rompue (modification des forces de liaison, de la concentration en défaut, etc.), d’autre part parce l’effet des contraintes extérieures et notamment de l’environnement peut modifier considérablement les couches superficielles en créant des concentrations d’éléments très différents des valeurs moyennes volumiques. En effet, la présence de couches adsorbées à la surface concerne la plupart des matériaux. En fonction de la nature des éléments en présence, les liaisons mises en jeu peuvent être physiques (physisorption) ou chimiques (chimisorption). Les couches chimisorbées sont caractérisées par des forces de liaisons plus grandes [CART 01].

L’environnement (température, pression, humidité, nature du milieu : air, gaz,…) entourant les surfaces en contact est donc un facteur majeur du comportement tribologique de ces dernières car il modifie la composition et les éléments entrant dans leur composition.

1.1.2 Le frottement sec

Le frottement sec est défini comme l’interaction entre des surfaces qui s’oppose à la création ou à la persistance d’un mouvement relatif entre deux systèmes en contact. C’est donc la force résistante tangentielle à l’interface commune entre deux corps qui apparait lorsque sous l’action d’une force externe, un corps se déplace ou tend à se déplacer par rapport à la surface de l’autre. C’est un phénomène complexe qui ne possède pas d’outils théoriques aussi bien formalisés que la lubrification fluide qui peut s’appuyer sur les équations de Reynolds et de nombreux outils théoriques provenant de la mécanique des fluides.

Le frottement n’est pas une propriété intrinsèque des matériaux, il dépend du système tribologique dans son ensemble qui comprend les matériaux, mais aussi l’environnement de fonctionnement ou bien encore le type de sollicitations. Pour définir de façon précise le frottement entre deux corps des lois empiriques ont été élaborées d’abord par Amonton en 1699, puis par Coulomb en 1785 qui mit en évidence une relation entre la force T de frottement tangentielle et la charge Fn appliquée sur les corps en contact, définissant ainsi le coefficient de frottement µ par la relation :

T = µ.Fn (1.1) La force tangentielle de frottement est la résultante d’une force nécessaire au cisaillement des jonctions formées aux aspérités de contact et d’une force dont l’amplitude dépend de la déformation de la piste de frottement [FECH 96].

Le modèle de Coulomb reste à ce jour la base des autres modèles plus développés pour théoriser le frottement par glissement. Les modèles les plus courants font intervenir des phénomènes dus aux aspérités des surfaces qui subissent, lors du glissement, des déformations élastiques puis plastiques entrainant une adhésion des surfaces en contact. Il y a alors au sein du contact à la fois un cisaillement des zones d’adhésion, un labourage des surfaces par les aspérités et un cisaillement du film présent entre les aspérités. La force tangentielle T peut alors être décomposée en une force d’adhésion Fa, une force Fd comprenant les déformations des aspérités et le labourage des surfaces et un terme de potentiel Fp lié à l’effort nécessaire pour franchir les aspérités [BOWD 63] [GRAS 08] :

T = Fa + Fd + Fp (1.2) Les modèles plus récents prennent en compte plus de paramètres, mais chacun reste spécifique à un cas particulier et il reste difficile d’en tirer une théorie générale. Ils se basent en général sur le modèle de Coulomb et y rajoutent des notions supplémentaires avec par exemple la prise en compte de la viscosité, du coefficient de frottement statique ou bien encore de composantes plus complexes : température de contact, etc. [THIE 05].

Néanmoins, ces modèles restent liés à des conditions quasi-statiques alors que la plupart des problèmes réels concernent des phénomènes dynamiques.

Il existe également des modèles plus complexes comme celui de Dahl qui généralise la loi de Coulomb, ou bien encore celui de Bilman et Sorine etc. Un des plus complet à l’heure actuelle semble être le modèle de LuGre développé par les universités de Lund (Suède) et

de contact par des lames. Chaque lame représente une aspérité en contact contre une autre dont la déformation est prise en compte mathématiquement par une variable z (Fig. 1.2).

Fig. 1.2 Déformation des lames lors d’un déplacement : modèle de LuGre [THIE 05]

Le modèle mathématique repose sur la vitesse de déplacement des lames, la modélisation permet ensuite de tirer l’équation suivante :

zv v g v dt dz ) ( 0 σ − = (1.3) Avec 2 ) ( ) ( ) ( vd v c s c F F e F v g = + − − (1.4) Où v est la vitesse relative au déplacement des solides, σ0 la rigidité des lames, Fc la force de Coulomb, Fs la force statique et vd la vitesse dynamique. La force de frottement est alors donnée par : v

dt dz z

F =σ₀ +σ₁ +σ₂ (1.5) Avec σ1 le coefficient d’amortissement et σ2 le coefficient de viscosité du matériau.

1.1.3 Usure et dégradations

1.1.3.1 Débit d’usure et concept du troisième corps

L’usure d’une surface est définie comme une perte de matière, accompagnée de modifications géométriques, de perte de masse et la plupart du temps de modifications profondes sur le plan physico-chimique. Elle intervient lorsque deux surfaces en contact ne sont plus capables d’accommoder élastiquement les déformations qu’elles subissent en frottant l’une contre l’autre. L’usure est souvent due à plusieurs processus : mécanique, physique, thermique ou bien encore chimique qui agissent simultanément, et très rarement à un seul processus clairement identifiable. Il est possible d’analyser l’usure comme un débit

d’accommodation en se fondant sur le concept de circuit tribologique [BERT 88a, 90, 00] (Fig.1.3).

Fig. 1.3 Circuit tribologique de l’usure [Bert 88a, 90, 00]

Le circuit tribologique est alors défini par :

- Un débit source interne Qis ou débit d’alimentation interne au contact, il est obtenu par détachement de particules des surfaces en contact.

- Un débit interne Qi qui correspond à la circulation du lit de débris à l’intérieur du contact

- Un débit externe QE provenant de l’éjection du lit de débris à l’extérieur du contact et qui peut être décomposé en deux parties. La première définissant le débit de re-circulation QR qui correspond aux particules réintroduites dans le contact, la deuxième, le débit d’usure QU correspondant à ce que l’on peut appeler particules d’usure c'est-à-dire les particules qui ne seront jamais ré-introduites dans le contact.

- Un débit source externe Qes qui définit un débit provenant d’une source extérieure (lubrifiant solide, etc.). Ce débit, de part sa nature, n’est pas tout le temps présent.

Ce concept du circuit tribologique conduit à la notion de 3ème corps [BERT 82, 88a]. Il s’agit du volume de matière présent entre les deux premiers corps en contact. Il peut être :

- Soit d’origine naturelle lorsqu’il provient des surfaces en contact, cela implique alors une période de formation par détachement de particules [GODE 91]].

- Soit totalement artificiel lorsqu’il est introduit dans l’interface comme en lubrification fluide par exemple.

Le troisième corps a à la fois un rôle de portance, de support de la charge et d’accommodation des déplacements entre les premiers corps. Ces mécanismes

établit que l’accommodation des déplacements au sein d’un contact entre deux surfaces peut se faire au niveau de 5 sites d’accommodation : deux au niveaux des premiers corps en contact (S1 et S5), un dans le 3ème corps (S3) et deux autres au niveau des zones frontières entre premiers et troisième corps (S2 et S4) (Fig.1.4).

Fig. 1.4 Sites et modes d’accommodation des déplacements [Bert 88a]

A ces cinq sites d’accommodation, le modèle fait correspondre quatre modes d’accommodations pouvant être présents dans chacun des sites, dont trois irréversibles:

- Accommodation élastique ou déformation: c’est le seul mode d’accommodation qui

n’entraine pas de conséquence irréversible, il provient des déformations élastiques des solides en contact qui entrainent des déformations non négligeables contribuant à l’accommodation des déplacements.

- Accommodation par cisaillement : un matériau peut s’écouler par cisaillement

lorsqu’il est soumis à des sollicitations trop importantes, c’est un effort qui tend à entailler le corps qui y est soumis soit parallèlement au glissement soit dans d’autres directions. Le cisaillement contribue grandement à l’accommodation des déplacements notamment au sein du 3ème corps.

- Accommodation par roulement : la formation de corps roulant ou de rouleaux dans

un contact permet une très bonne accommodation des déplacements.

- Accommodation par rupture : Une rupture dans un contact autorise des déformations

de très grandes ampleurs, et intervient dès que la limite de rupture d’un matériau est dépassée par des sollicitations en traction ou compression.

1.1.3.2 Usures élémentaires

La formation d’un troisième corps naturel est due au détachement de particules provenant des deux premiers corps en contact, ou bien encore à la formation de couches chimiques sur les surfaces de ces premiers corps. Ces particules ou couches peuvent se former de différentes manières, la littérature répartie à ce jour quatre grands types d’usure élémentaires : l’usure abrasive, l’usure adhésive, l’usure par fatigue et l’usure par corrosion. A cela s’ajoute des formes secondaires d’usure : l’usure par cavitation, par érosion (due à des particules solides entrainées par un fluide), par impact (due à des phénomènes de percussions), par fretting (due à des mouvements oscillatoires de faibles amplitudes). Ces formes d’usures plus complexes se manifestent souvent comme phénomènes composants les formes fondamentales d’usure.

1.1.3.2.1 L’usure abrasive

L’usure par abrasion est une forme d’usure purement mécanique. C’est un processus d’usure par déplacement ou enlèvement de matière des surfaces frottantes sous l’action des aspérités ou particules dures. Deux types d’usure abrasive peuvent se produire :

- L’abrasion à 2 corps, lorsqu’il y a pénétration du matériau le plus tendre par les aspérités du matériau le plus dur.

- L’abrasion à 3 corps, lorsque des particules dures détachées des surfaces usées ou provenant de l’extérieur restent retenues dans l’interface et participent à l’abrasion des surfaces des premiers corps.

La dureté du matériau abrasif par rapport au matériau abrasé est un facteur prépondérant sur l’évolution du taux d’usure abrasif, ainsi lorsque la dureté Ha de l’abrasif est faible par rapport à celle H du matériau abrasé (Ha/H<0.7), le niveau d’usure est faible, alors qu’au dessus d’une certaine valeur (Ha/H>1.3), l’usure est maximale [COLI 87, STEM 01].

L’usure par abrasion se manifeste par des polissages, des rayures, des labourages, des arrachements de particules, des éclats (micro-fractures), ou bien encore par des décohésions de matières (micro-fatigue). L’abrasion combine déformation et coupe, elle creuse d’abord des sillons par un déplacement de matières par déformation plastique (labourage de la surface)

1.1.3.2.2 L’usure adhésive ou par transfert

L’usure adhésive fait intervenir à la fois des phénomènes mécaniques et des interactions physico-chimiques. Elle est due au cisaillement par frottement des microsoudures ou jonctions qui peuvent se former entre deux aspérités en contact. Au niveau des zones réelles de contact, quand deux surfaces sont assez proches l’une de l’autre, les forces d’attraction moléculaire ne sont plus négligeables. Lorsque les surfaces se rapprochent de plus en plus, les forces d’attraction augmentent à mesure que la distance de séparation des interfaces diminue. Par ailleurs, lorsque la distance de séparation des surfaces devient très petite, de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres, des forces répulsives apparaissent également. Il est alors possible de parler d’adhésion lorsque l’équilibre entre ces forces répulsives et attractives est établi [BUCK 81]. Le frottement sert à rompre les microsoudures ainsi créées et trois cas de figures peuvent se produire :

- Soit la rupture se produit directement dans les jonctions liant les deux matériaux, ce qui se produit lorsque les soudures de l’interface sont plus fragiles et ont une résistance au cisaillement plus faibles que celles des corps de départ. L’usure est alors douce.

- Soit la rupture se produit au sein du matériau le plus mou, lorsque la résistance au cisaillement des soudures est supérieure à la résistance au cisaillement du corps le plus tendre. Les fragments d’usure du corps le plus mou peuvent alors soient rester fixés sur la surface du corps le plus dur (transfert), soit être détachés et expulsés du contact sous forme de particules d’usure. Dans cette configuration l’usure est souvent sévère et peut aller jusqu’au grippage du mécanisme.

- Soit la rupture se produit dans les deux matériaux, ce qui peut être observé par exemple pour le couple cuivre / acier.

L’usure par adhésion est donc à la fois un phénomène physico-chimique tributaire des liaisons interatomique et intermoléculaire des surfaces et un phénomène mécanique lié à des forces de tensions et de cisaillement (Fig. 1.5).

Fig.1.5 La part de mécanique dans l’adhésion [EMMO 94]

L’usure adhésive peut être influencée par différents facteurs :

- Les contacts élasto-plastiques qui déterminent les zones réelles de la surface de contact.

- La présence de films de surface ou d’aspérités de surface qui peuvent réduire les forces d’adhésion.

- L’affinité des matériaux.

1.1.3.2.3 L’usure par fatigue

L’usure par fatigue est longue à se mettre en place, il convient de distinguer l’usure par fatigue mécanique des surfaces soumises à des contraintes hertziennes élevées de l’usure thermique de surfaces dures et fragiles soumissent à des gradients thermiques élevés [CZIC 78].

L’usure par fatigue mécanique des surfaces se manifeste par des fissurations, des écailles et elle est directement à mettre en relation avec l’action cyclique des mouvements, ainsi qu’avec la capacité des matériaux à absorber et à accommoder les énergies de déformation et les contraintes thermiques générées lors du frottement. Elle peut se décomposer en quatre phases d’évolution [STEM 01] :

- L’amorçage de la fissure par fatigue - La propagation de cette fissure initiale

- L’amorçage de fissures secondaires découlant de la première fissuration

L’usure par fatigue thermique ou thermomécanique affecte essentiellement les surfaces dures des matériaux fragiles dont la résistance à la traction est faible devant la résistance à la compression (Rt < Rc/3) lorsque celles-ci sont soumises à des gradients thermiques élevés [AYEL 79]. Ce type d’usure affecte surtout les surfaces soumises à des mouvements de glissement pur à vitesses élevées. Les effets thermiques jouent un grand rôle dans ce processus d’usure : des ruptures superficielles se produisent par dépassement de la résistance à la traction du matériau sous l’effet des chocs thermiques favorisés par la conductibilité thermique généralement faible des matériaux de type fragile. L’usure par fatigue thermique se manifeste sous la forme de fissures superficielles.

1.1.3.2.4 L’usure par corrosion ou réaction tribo-chimique

La corrosion est une attaque chimique des surfaces, elle n’est pas directement liée aux mouvements des corps mais interagit avec le frottement. Elle s’amorce généralement à la surface des métaux. Elle est fonction de l’atmosphère environnant le contact et peut devenir très prononcée dans des atmosphères humides ou à des températures élevées. Dans ce type d’usure intervient à la fois des interactions chimiques entre les surfaces, avec le milieu extérieur et des interactions physico-chimiques avec les débris. La corrosion peut avoir un effet bénéfique, grâce aux débris oxydés de nature très stable qui peuvent servir de lubrifiants naturels ou former un film mince protégeant les premiers corps [AMIR 08]. Ou, au contraire, ces mêmes débris peuvent avoir un rôle beaucoup plus agressif et abrasif et accentuer l’usure, ce qui peut alors conduire jusqu’au grippage des surfaces [STEM 01].

La cinématique de l’usure corrosive peut se décomposer en deux grandes étapes :

- Dans un premiers temps, les surfaces sont soumises à une attaque corrosive qui peut former soit un film ou bien une couche de débris.

- La seconde étape est l’enlèvement par frottement de ce film, les surfaces sont alors « dénudées » le phénomène est alors relancé depuis son début et l’attaque corrosive se poursuit.

La cinématique de l’usure par corrosion est donc contrôlée par la compétition entre la formation de ce film réactionnel et sa destruction par le frottement.

1.1.3.3 Théories de l’usure

La mesure de l’usure et son évolution reste un problème difficile à théoriser. Si du point de vue expérimental il existe des manières bien maîtrisées de quantifier l’usure en s’intéressant au volume, à la masse de matière perdue, ou bien encore à l’évolution du profil géométrique des pièces usées, du point de vue théorique ou bien numérique l’évolution de l’usure de pièces en contact reste un sujet où aucun formalisme n’a encore été établi à ce jour. Certains modèles existent depuis longtemps mais ils ne prennent en compte souvent qu’un type d’usure élémentaire à la fois, alors que les mécanismes de contact réels sont la plupart du temps des combinaisons de ces usures élémentaires. Les premiers modèles de quantification de l’usure datent des années 40 avec les travaux de Holm [HOLM 46], puis, Archard, en reprenant les travaux de Holm, a fait évoluer ces modèles [ARCH 53]. Il a notamment établi des lois simples pour estimer le volume de matière perdue pour une usure par abrasion :

V=K.(Fn/H).L (1.6) Avec, K le coefficient d’abrasion qui dépend de la géométrie des aspérités des surfaces et des grains abrasifs, Fn la force normale appliquée, H la dureté du matériau le plus tendre et L la distance de glissement. Cette loi trouve très vite ses limites car elle ne prend en compte que certaines caractéristiques du matériau en faisant abstraction notamment, des capacités d’écrouissage, de la microstructure des matériaux en contact, de l’environnement dans lequel se déroule le processus d’abrasion ou encore des modifications éventuelles des sollicitations dues aux évolutions du contact.

Le concept de circuit tribologique et de répartition de l’usure par site et mode d’accommodation développé par Berthier a offert une perspective de mise en équation des différents mécanismes d’usure et de dégradations beaucoup plus aboutie. Certaines études ont déjà été mises en place en prenant comme théorie un troisième corps granulaire par exemple. Dans cette approche, la lubrification granulaire décrit la lubrification de deux corps solides par une couche intermédiaire constituée de petites particules solides. Les lois de la dynamique des solides sont alors appliquées à chaque particule, et les forces qui agissent sur chaque particules sont les forces d’interaction entre deux particules, la gravité et éventuellement d’autres forces de volume (magnétiques, électrique, etc.) [ELRO 95, LUBR 95, FILL 04a,

discontinu qui permet de prendre en compte la topographie des surfaces en contact [ DAI 94, HESH 92, STEM 01].

Néanmoins, l’aspect pluridisciplinaire du problème à la fois mécanique, physique et chimique freine encore la progression dans ce domaine.

1.2 Le fretting un cas particulier de frottement sec et d’usure

1.2.1 Définitions

On distingue dans la littérature deux grands types de fretting :

- Le fretting wear est défini comme un mouvement alternatif de faible amplitude se

produisant entre deux surfaces en contact. Il apparait dans les systèmes où l’on peut trouver des pièces assemblées soumises à un environnement vibratoire susceptible d’induire des microglissements entre les surfaces en contact, allant de quelques micromètres à quelques centaines de micromètres. Il se caractérise par une usure des pièces en contact pouvant aller jusqu'à un grippage et un blocage du système.

Ce phénomène a longtemps été confondu avec de la corrosion. Cette confusion qui a persisté de nombreuses années, provenant du fait que les premières études [EDEN 11, TOMI 27] étaient effectuées sur des éprouvettes en acier où l’on voyait se former des oxydes de fer, il en a alors été conclu que l’oxydation était la cause du phénomène. Ce n’est qu’en 1953 que Mc Dowell [McDO 53] montra que ces phénomènes d’oxydation étaient en réalité la conséquence du mouvement alternatif de faible amplitude et non la cause.

- Le fretting fatigue, ce terme est employé lorsque le déplacement est la conséquence de

la déformation des structures en contact soumises à des sollicitations cycliques. Ce phénomène est souvent caractérisé par l’apparition de fissures, il peut apparaitre dans les câbles de ponts, les câbles d’ascenseur, etc. [FOUV 97, ENDO 03].

Ces deux phénomènes peuvent coexister dans les applications réelles, l’un peut être la conséquence de l’autre : le fretting fatigue peut engendrer des débris participant au fretting wear, par exemple [BERT 88b].

Néanmoins, cette étude bibliographique insistera essentiellement sur le fretting wear car

1.2.2 Configuration de contacts étudiés en fretting

Le fretting est un phénomène complexe et les contacts réels où il est présent sont généralement mal définis et leurs études restent complexes étant donné les différents paramètres agissant sur un contact. Afin de modéliser les mécanismes de dégradations en fretting, les chercheurs ont choisi des géométries simples faciles à étudier, il est possible d’en dénombrer essentiellement trois principales (Fig.1.6) :

- La configuration plan / plan - La configuration cylindre / plan - La configuration sphère / plan

Fig.1.6 Pricipaux types de contact étudiés en fretting [LISK 04]

La configuration plan / plan permet de maintenir des surfaces de frottement constantes quelques soit l’usure des interfaces. Cependant l’analyse mécanique montre que la distribution de pression et surtout de cisaillement se caractérise par une discontinuité en bordure de contact (effet de bord). L’analyse est alors complexe et il est difficile d’évaluer correctement le chargement qui est imposé au matériau. De plus, la mise en glissment engendre très souvent des mésalignements difficilement maitrisables.

A cette configuration sont donc souvent préférées des configurations cylindre / plan ou sphère plan. Ces configurations peuvent être décrites en chargement par la théorie de Hertz en appliquant les principes d’élasticité linéaire.

1.2.3 Caractérisation de l’usure due au fretting

L’usure par fretting peut amener différents problèmes de pertes de côtes entraînant des modifications géométriques, des pertes de résistance des matériaux comme une diminution de la résistance à la fatigue, etc. Selon la direction du mouvement relatif, M. Zhu a dénombré quatre grands modes de fretting (Fig.1.7) [Zhu 01] :

- Le fretting tangentiel lorsque le mouvement des corps en contact est tangentiel et

rectiligne.

- Le fretting radial lorsque l’effort normal change de sens, et où les deux corps

considérés restent en contact permanent.

- Le fretting rotationnel qui peut être assimilé à un roulement oscillatoire d’un corps sur

l’autre.

- Le fretting en torsion (ou pivotement) où les surfaces des premiers corps en contact

sont sollicitées en torsion.

Fig.1.7 Les différents modes de fretting sur une configuration bille / plan [Zhu 01]

Dans un contact tribologique ces quatre modes de fretting peuvent intervenir simultanément et interagir les uns par rapport aux autres, l’intérêt d’une telle décomposition est alors de pouvoir les considérer individuellement pour mieux les appréhender.

Il a été montré que l’usure sous faibles débattements ou fretting était régie par trois grandes étapes principales [BERT 85] :

- La prédisposition des matériaux à créer des débris d’usure : Ce premier stade

correspond à l’aptitude des matériaux constituant les premiers corps à accommoder les vitesses et les déformations locales imposées. En effet, cette faculté d’accommodation va déterminer la vitesse de détachement et la quantité des débris. Pour un même matériau, la

profondeur des dégradations va dépendre de la durée de cette première étape. Dans un frottement par petits débattements, plusieurs situations peuvent se présenter en fonction de la géométrie de contact et de l’effort normal ou tangentiel. En effet, sous l’action de l’effort tangentiel des zones de déformations superficielles intenses peuvent apparaître, et sous l’action de l’effort normal des fissures peuvent se propager dans les zones de cisaillements. Dans cette première étape, il faut aussi prendre en compte le rôle des couches superficielles de « polluants » que l’on trouve en surface des premiers corps, ainsi que des couches adsorbées qui contribuent à la prédisposition des matériaux à créer des débris.

- La création et l’évolution de ces débris : La création de débris en condition de

fretting peut être très particulière, elle suppose souvent l’existence d’une zone « source » difficilement mesurable. Néanmoins, des études ont montré que cette zone était le siège de nombreuses modifications tribologiques, physico-chimiques, mécaniques, ou encore thermiques qui sont à l’origine du détachement des particules et de la création de débris au sein du contact. Ces débris vont alors jouer un rôle similaire aux débris que l’on peut trouver lors d’autres types de frottement que le fretting, néanmoins dans une sollicitation de fretting les débris séjournent toujours un certain temps dans le contact, ils ne sont jamais directement évacués en débris d’usure. Ils sont en effet dans un premier temps capturés et piégés dans le contact, ils vont alors continuer à se déformer plastiquement et à être broyés. Leur taille moyenne va en général diminuer et ils vont se fragmenter augmentant ainsi leur surface spécifique et les rendant encore plus sensibles à l’environnement. Comme dans de nombreux cas de frottement sec, et c’est la même chose en petits débattements, les débris durant la période où ils restent piégés dans le contact peuvent jouer un rôle de « lubrifiant » et de protection entre les surfaces des premiers corps.

- Le comportement du lit de débris : Les particules dans le contact jouent un

rôle de protection des surfaces des premiers corps, mais sous certaines conditions, elles peuvent également avoir un effet inverse : des particules détachées très dures et très rigides peuvent avoir tendance à labourer les surfaces des premiers corps et à augmenter l’abrasion. Ces particules ont également un rôle de portance entre les deux premiers corps dans les contacts par petits débattements. De plus, la séparation des premiers corps due au lit de débris peut être totale ou partielle. Ces différents comportements du lit de débris sont dus au fait que

d’être considérées comme des particules d’usure. Ces débris peuvent, lorsqu’ils sont dans le contact, se fixer dans les creux, aux sommets des aspérités, créer des ponts entre les aspérités, être réduits sous forme de poudre, ou encore jouer un rôle de portance comme il a été évoqué auparavant lorsqu’ils bouchent puis débordent des volumes libres entre les creux et les sommets des surfaces. Ce piégeage étant gouverné par l’aptitude du troisième corps à adhérer aux surfaces des premiers corps, à former des intercalaires continues et cohésifs, les piégeages sont également dépendant de l’aptitude du lit de débris à rester cohérent en présence d’un champ vibratoire.

Chacun de ces processus a sa propre cinétique mais ils interagissent fortement les uns avec les autres. Une liste des différents dommages identifiés sur les surfaces soumises à des sollicitations de fretting a été établie [HOEP 93] : piqures, oxydes, débris, rayures, transfert, déformation plastique, fissuration en sous couches, cratères, fissure s’amorçant sous diverse formes en surface.

L’usure par fretting de la même manière que tous les autres types d’usure par frottement sec n’est pas une propriété des matériaux. Elle découle et dépend de nombreux autres paramètres. Il faut en effet pour pouvoir étudier ce phénomène d’usure par petits débattements prendre en compte comme dans tout contact sec l’environnement chimique, la géométrie du contact, l’environnement vibratoire (qui peut être la source même des frottements par petits débattements), le compactage des débris, la corrosion, les mécanismes de transfert, le couplage des aspects mécaniques, thermodynamiques et physico-chimiques. Une liste de plus de cinquante paramètres plus ou moins interdépendants, influençant la résistance au fretting a été établie par Beard en 1982 [FOUV 97]. Des études ont notamment été faites sur l’influence des débattements [YATI 07a], la température de contact [HAGE 05], etc.

1.2.4 Analyse du fretting

Il est souvent difficile de distinguer clairement le « début » du fretting et de pouvoir dire qu’à partir d’un instant donné on se trouve en phase de fretting et que ce n’était pas les cas juste avant cet instant. Il en va de même pour la fin d’une phase de fretting qu’il est difficile de clairement mettre en évidence.

Des travaux ont été menés pour tenter de mieux voir les différentes phases précédents et suivant le fretting, ainsi que les différents régimes le constituant [BERT 85], [HAGE 05], [FOUV 96].

Concernant la limite définissant la transition entre un mode vibratoire « classique » et le fretting, différents textes se basent sur l’énergie ou l’amplitude des déplacements pour la définir. Chen a notamment montré une augmentation brutale de l’énergie dissipée suivie d’une stabilisation lors du passage fretting vers le mouvement oscillatoire classique [CHEN 01].

En ce qui concerne les différents régimes de fretting, les sources bibliographiques établissent que lors d’un frottement sous petits débattements on peut classiquement en mettre en évidence trois différents sur un dispositif bille / plan :

- Le régime de collage (partial slip regime : PSR) : Lors de cette phase, l’interface entre les deux solides en contact accommode les déplacements par déformations élastiques. Le domaine de collage est maintenu par des aspérités fermées qui peuvent se partager plastiquement dans la direction des micro-mouvements et rompre ainsi le collage. Cette condition de collage correspond au cas où le cycle F=f (d) est fermé (Fig.1.8.a). On parle de condition non dissipative. Le collage totale génère une destruction plus ou moins importante des matériaux.

- Le régime mixte (mixed regime : MR) : Dans ce type de régime le cycle F=f (d) prend une forme elliptique (Fig.1.8.b) globale, mais il peut évoluer au cours des cycles et prendre des formes complexes lorsque l’on s’intéresse à son évolution dans le temps (bûche de fretting), et cela pour un même essai. Généralement, ce type de régime est caractérisé par des bûches de frottement de formes complexes et irrégulières qui finissent par prendre une forme elliptique (voir quasi rectangulaire) après un certain nombre de cycles. C’est l’étape intermédiaire entre le collage et le glissement total, et sûrement la plus complexe et celle qui produit le plus de dommages.

- Le régime de glissement total (gross slip regime : GSR): A ce stade le cycle F=f (d) prend et conserve une forme rectangulaire, mais le coefficient de frottement peut avoir des variations importantes (Fig.1.8.c)). L’énergie dissipée dans le contact par frottement est

Fig.1.8 Cycles caractéristiques pour différents régimes de fretting, F : force tangentielle appliquée, d : distance de glissement [Lisk04]

Ces différents régimes permettent d’élaborer des cartes de fretting ou des cartes de réponses des matériaux permettant de définir à partir de quelles conditions un couple de matériaux passe du collage, au régime mixte et ensuite au régime de glissement total et quelles sont les dégradations associées (amorçage de fissure, débris, etc.). Visuellement ces différents régimes se retrouvent sur les faciès d’usure des pièces en contact (Fig. 1.9).

.

Fig. 1.9 Visualisation de l’usure provoquée par les différents modes de fretting [Zhu 01]

2.

Matériaux en contact sec : l’environnement un facteur très important

Les matériaux présents dans les contacts secs sont très variés, la gamme s’étend en effet des matériaux auto-lubrifiants (graphite, bisulfure de molybdène, etc.) aux simples alliages métalliques qui dans la majeure partie des applications réelles sont utilisés après avoir subis des traitements de surface pour en améliorer les aptitudes tribologiques. Un des facteurs important dans le choix de tel ou tel matériau dans un contact sec est l’environnement de contact. En effet, l’humidité, la température, la présence de gaz, ou d’autres éléments modifiant l’environnement influent énormément le comportement tribologiques des matériaux

présents dans les contacts secs. Les réactions d’adsorption, de chimisorption ou encore de physisorption prennent ici une très grande importance.

2.1Matériaux auto-lubrifiants

2.1.1Matériaux carbonés

L’élément carbone est très employé dans de nombreuses applications qui peuvent être très variées et la tribologie en fait partie car il offre des propriétés lubrifiantes très intéressantes.

Les matériaux carbonés solides sont essentiellement constitués de l’élément C. Ils présentent la structure graphite (hybridation sp2), diamant (hybridation sp3) ou au moins une organisation bidimensionnelle des couches de carbone, dans ce cas ils prennent le nom de carbones amorphes. Parmi les propriétés générales du carbone les plus intéressantes on peut citer sa très grande légèreté (masse volumique inférieur ou égale à 2,26 g/cm3) et son excellent caractère réfractaire avec une température de sublimation à la pression atmosphérique d’environ 3600°C et une température de fusion à 100 bars de 3900°C. Néanmoins, la plupart de ces propriétés évoluent significativement avec la température.

Dans les applications tribologiques, le carbone est utilisé le plus souvent sous la forme de carbone amorphe, de graphite, de carbone avec différents niveaux de graphitisation, de dépôts (DLC : Diamond-Like-Carbone, Onionlike Carbon), ou bien encore sous la forme de composites carbone (C/C) etc. [GADO 02, YANG00, OHMA 09]. Le graphite peut se trouver à l’état naturel, mais dans les applications industrielles il s’agit le plus souvent de graphite obtenu par transformation d’un matériau carboné après plusieurs étapes de mise en forme, cuisson, imprégnation primaire et graphisation. Selon le degré de graphitisation effectué il est possible d’obtenir trois familles de produit carbonés différentes dont les propriétés varient en fonction de leur degré de graphitisation : les carbones, les carbones sous graphitisés et les graphites, chacune possédant des intérêts. Néanmoins, tous les matériaux carbonés ne sont pas graphitisable il faut pour cela que les cristallites aient la même orientation, ce qui leur permet de croitre facilement avec une organisation tridimensionnelle la plus proche possible de celle du graphite. C’est la distance interplan et la taille des cristallites qui fixent le degré de

Le graphite dans sa structure idéale est composé de couches planes d’atomes de carbone (C) distribués selon un réseau hexagonal dans chacune des couches. La structure du graphite hexagonal peut se décrire comme un empilement de couches carbonées bi-périodiques A,B,A,B, associé à des translations alternées égales en grandeur et en direction à la liaison C-C, comme l’illustre la figure 1.10.

Fig.1.10 Structure du graphite hexagonal [COUL 94]

Dans cette configuration idéale, les liaisons entre les atomes de carbone d’une même couche sont des liaisons covalentes fortes alors que les liaisons entre les plans successifs sont faibles de type Van Der Walls. Cela donne au graphite une très grande anisotropie dans ces propriétés mécaniques, thermiques et électriques [COUL 94, STEM 01] :

- Sur le plan électrique, le graphite est un très bon conducteur, mais seulement dans le

sens des plans d’atomes de carbone, les carbones non graphitisés sont plus résistants électriquement du fait de la séparation des bandes électroniques.

- Sur le plan thermique, le graphite a une exceptionnelle stabilité thermique en atmosphère non oxydée. Il possède une dilatation thermique très faible, notamment selon la direction des plans de bases alors qu’il est un bon isolant thermique selon l’axe transversal.

- Sur le plan chimique, le graphite a la propriété d’être chimiquement stable à

température ambiante. A haute température il est sensible aux processus de gazéification en s’oxydant par l’oxygène, l’eau ou le gaz carbonique. Dans une atmosphère oxydante, l’oxydation peut intervenir dès 400°C et elle sera accélérée par la présence d’impuretés métalliques telles que le plomb, le fer, le cuivre, etc. Il existe des traitements pour limiter cette oxydation et ainsi permettre d’élargir l’échelle d’utilisation des matériaux carbonés : revêtement à base de borate, de carbure de silicium, addition d’inhibiteurs d’oxydation, etc.

- Sur le plan mécanique, le graphite a des propriétés en traction excellentes selon la

direction des plans de bases (E ~ 1060GPa). Par contre selon le plan transversal, le module d’Young est beaucoup plus faible (E ~ 4.5GPa) ce qui laisse prévoir une grande aptitude au clivage et une faible résistance au cisaillement parallèlement aux plans de bases. Cette particularité faisant du graphite un très bon matériau sur le plan tribologique.

En effet, les matériaux carbonés et particulièrement le graphite sont très employés dans les applications tribologiques où une lubrification fluide est impossible. Ils sont en général de bons lubrifiants solides grâce aux produits adsorbés, le graphite ajoute à cela une facilité au clivage et à l’accommodation des déplacements grâce à sa structure lamellaire. De nombreux auteurs ont étudié le comportement tribologique du graphite sous différents environnements, Savage a par exemple montré que la présence de vapeur d’eau diminue le taux d’usure du graphite en remplissant les réservoirs de chimisorption de celui-ci, pemettant ainsi une usure plus douce (Fig.1.11) [SAVA 48].

Fig.1.11 Influence de la vapeur d’eau sur l’usure du graphite [SAVA 48]

Yen et Zaidi ont étudié l’influence de différents gaz sur le frottement du graphite, montrant ainsi le très mauvais comportement en frottement du graphite sous vide et le très bon comportement en présence de gaz inerte ou bien de vapeur d’eau (Fig.1.12) [ZAID 95, YEN 96].

Fig.12 Influence de la présence de différents gaz sur le frottement du graphite [ZAID 95]

Cette sensibilité à l’environnement extérieur, et notamment à la présence de vapeur d’eau, est due au bon comportement du graphite vis-à-vis du phénomène d’adsorption. Lancaster a même montré qu’il existait une combinaison critique : pression, vitesse de frottement, et température (autour de 180°C), pour laquelle les matériaux graphitiques perdaient toutes leurs propriétés autolubrifiantes et où le coefficient de frottement devenait très élevé. Ce passage baptisé « dusting » est associé à une usure très importante et une éjection de particules très fines et de poussières. Il est dû à la désorption de l’eau physisorbée et chimisorbée à la surface du matériau qui entrainerait un fort accroissement des liaisons pendantes du graphite et augmentant ainsi le coefficient de frottement et le taux d’usure. En effet, chaque fois qu’un plan de base subit une fracturation il apparait des liaisons pendantes présentant une très grande énergie de surface qui ne peut être abaissée que par chimisorption [LANC 79, TURG 92, GILM 94, STEM 01].

Pour le graphite et plus généralement pour la plupart des matériaux carbonés il est donc possible d’identifier deux grands régimes de frottement :

- Le frottement bas qui correspond à un frottement faible où le graphite conserve ses

propriétés lubrifiantes.

2.1.2 Autres lubrifiant solides

La famille des lubrifiants solide ne comprend pas seulement les matériaux à base carbonés, on peut distinguer les matériaux disposant :

- d’une structure lamellaire,

- d’une structure polymérique à longue chaine droite orientée, - et les matériaux composites.

Nous présentons les plus courants de ces matériaux dans les paragraphes suivants.

2.1.2.1 Matériaux à structure lamellaire

Le bisulfure de molybdène est le plus employé des autres matériaux à structure lamellaire. Il dispose d’une organisation du même type que le graphite avec une structure hexagonale lamellaire constituée de couches d’atomes de molybdène pris en sandwich entre des couches d’atomes de souffre. Tout comme pour le graphite les liaisons entre les couches de molybdène et de souffre sont covalentes, donc fortes et celles entre les couches de souffre voisines sont faibles de type Van Der Walls. Le bisulfure est caractérisé par un comportement tribologique meilleur dans le vide que dans l’air et meilleur en atmosphère sèche qu’en milieu humide [AYEL 97].

Le graphite et le bisulfure de molybdène sont de loin les deux solides lamellaires les plus couramment employés mais on peut citer également : le bisulfure de tungstène, le fluorure de graphite, le nitrure de bore, etc. qui peuvent être utilisés dans des conditions tribologiques spécifiques [AYEL 97].

2.1.2.2 Matériaux à structure polymérique et matériaux composites

Les matériaux à structure polymérique peuvent être regroupés en deux catégories

[AYEL 97] :

- Les thermoplastiques (polytétrafluorroéthylène (PTFE), polyamides, etc.) qui présentent une chaine linéaire dans laquelle le motif de base est répété plusieurs milliers de fois. Ce type de matériaux a une température de fusion qui constitue une limite absolue et ne