COMPORTEMENT EN FROTTEMENT ET A L’USURE D’UN ACIER TRAITES
DIFFEREMMENT
RESUME
Le choix d’un matériau devant résister à l’usure est actuellement décidé en fonction de ses caractéristiques mécaniques parmi lesquelles la dureté est considérée comme un paramètre décisif. Pour cela, notre travail porte essentiellement sur l’étude du comportement en frottement et à l’usure de différents matériaux, où ce dernier est un sujet de grand intérêt, pour ses influences sur la dégradation des surfaces flottantes. [5]
Ce travail comprend une étude bibliographique sur le frottement et l’usure des matériaux et des expériences ayant pour objet la détermination des propriétés ainsi que la détermination de l’influence de la vitesse, la charge et la variation de la taille d’abrasif sur la dégradation des pistes.
Dans cette étude, nous avons réalisé dans un premier temps, des traitements thermique et thermochimique sur les aciers dans le but de former des interfaces résistantes à l’usure, suivis par des tests de frottement. Les tests tribologiques réalisés sont complétés par des essais mécaniques : profil de dureté pour mettre en évidence l’évolution du polissage.
Les résultats obtenus nous ont permis de confirmer que le comportement tribologique des matériaux dépend du film intercalaire (troisième corps), qui sépare les surfaces flottantes et, que la dégradation de ces dernières est déterminée par le comportement purement mécanique des couches superficielles. On note cependant, que l’usure est étroitement liée aux propriétés intrinsèques des matériaux, tout particulièrement à la dureté de leurs couches superficielles.
Mot clés
Frottement, Usure, Troisième corps, Abrasif, Aciers, Traitement superficiels.
I. INTRODUCTION
L’étude des problèmes de frottement-usure en mécanique fait appel au concept de système
tribologique, dont les principales composantes sont les différents éléments en présence (propriétés et interactions) et les variables opératoires (sollicitations) .
Les paramètres du contact, dont l’étude fait appel à des disciplines aussi diverses que la mécanique, la métallurgie, la physique du solide, la chimie, sont très nombreux et sont liés par un réseau de relations complexes. Aussi, les propriétés tribologiques, telles que les Caractéristiques de frottement, la résistance à l’usure, ne peuvent s’exprimer par des critères et valeurs simples, ni se modéliser facilement, contrairement à certains domaines telles que la résistance des matériaux. La tribologie n’étant pas une science exacte, il s’ensuit également que- la résolution des problèmes de frottement-usure ne repose que sur des lois générales, souvent empiriques ;
- l’étude de ces problèmes, même au stade de l’approche industrielle (sélection, validation des solutions...), fait largement appel à l’expérimentation ; Les résultats d’expérience sont difficilement extrapolables d’une situation à l’autre. Malgré sa complexité, l’analyse du système tribologique constitue l’outil de référence d’aide à la définition et à l’étude d’une configuration de frottement. Cette analyse doit permettre en particulier :
- d’exprimer rationnellement le cahier des charges du problème à résoudre, condition préalable à l’étape de recherche et de sélection des solutions possibles;
- d’identifier les situations à risques, les probabilités d’incidents, pour arrêter certains choix de conception ; - d’appréhender les implications liées à telle ou telle option technologique (conception géométrique, cinématique...). À cet égard, il est important de prendre LAHMAR.Sihem
Université, 20 Août 1955, Département de génie Mécanique
Skikda, Alegria [email protected]
Tamaloussi.Naima Université, 20 Août 1955, Département de génie Mécanique
Skikda, Algeria [email protected]
L. Khochemane
Université, 20 Août 1955, Département de génie Mécanique
Skikda, Alegria
conscience que les matériaux ne constituent qu’une des composantes du système tribologique, c’est à- dire qu’une partie de la solution à un problème d’usure. De nombreux exemples de la pratique industrielle montrent que des solutions rationnelles (tant sur le plan des performances que sur l’aspect économique) peuvent être mises en place en agissant prioritairement sur l’optimisation de la géométrie ou de la topographie des contacts, sur une meilleure gestion du milieu environnant [1]
II. PIECES USEES PAR ABRASION
L'allure typique des stries d'abrasion peut être constatée sur ce tourillon. Il s'agit ici d'une usure abrasive à trois corps, car l'arbre tournait dans un coussinet moins dur que lui. [1]
.
Voici une usure abrasive à trois corps nettement plus sévère. Elle s'est produite au niveau d'un joint
d'étanchéité qui a provoqué un point d'accumulation de débris abrasifs
Il y avait initialement trois dentures sur cet arbre de boîte de vitesses de machine agricole, mais l'usure abrasive, agissant probablement de façon concomitante avec d'autres formes d'usure, a exercé ses méfaits. En toute logique, le propriétaire aurait dû être alerté par le bruit, on sait bien que la matière est « bonne fille », mais tout de même[5]
III. USURE ADHESIVE
Le roulement ci-contre, qui provient d'une turbine d'hélicoptère, a été éliminé à cause des traces brunes suspectes bien visibles sur la bague intérieure. Il vaut mieux, évidemment, que l'on ne sache pas ce qui se serait passé si la dégradation s'était poursuivie en vol ...
car il s'agit vraisemblablement d'un début de grippage4
Ce tourillon porte diverses traces d'usure. À gauche, on trouve des stries continues probablement dues à un phénomène d'abrasion. À droite, les stries sont beaucoup plus chaotiques, avec des traces
d'arrachements caractéristiques de l'usure adhésive. Le stade suivant aurait été le grippage, avec immobilisation de l'arbre dans son guidage
Grippage sur une dent d'engrenage. Le pignon endommagé provient d'une boîte de vitesses de motocyclette. Les arrachements sont ici parfaitement
visibles, les surcharges appliquées sur la denture ont fini par causer la rupture de plusieurs dents. [1]
IV. PIECES ENDOMMAGEES PAR CORROSION DE CONTACT
L'expression « poudre rouge » est parfaitement illustrée par cette photographie d'un pivot de porte d'une très vieille maie. À chaque ouverture l'angle de rotation varie de 60 à 90 ° environ. Le confinement de l'oxyde de fer dans le guidage est à la fois une cause et un effet de cette forme d'usure, il accélère la dégradation des pièces et la consommation du métal, bien visible ici[6]
Cette grosse bague de roulement, normalement montée serrée, s'est rompue. Dès lors, les petits mouvements de sa surface sur le tourillon ont entraîné l'apparition des premiers signes de la corrosion de contact, c'est-à-dire des zones oxydées formant autant de taches noirâtres ou rougeâtres. [6]
Dans les mêmes conditions (bague intérieure insuffisamment serrée), cet autre roulement voit sa surface d'appui axial attaquée par la corrosion de contact..
La poulie que portait ce bout d'arbre en acier
inoxydable n'était pas suffisamment bien immobilisée ; les vibrations ont provoqué l'attaque de la portée cylindrique et de la rainure de clavette, dont la face d'appui a fini par se rompre. L'acier inoxydable ... s'est oxydé ! [5]
La même pièce, vue sous un autre angle.
V. PIECES USEES PAR EROSION
Virole d'acier inoxydable usée par érosion. Cette pièce (diamètre intérieur 110 mm, épaisseur environ 20 mm) provient d'une usine de traitement de gaz naturel. Elle porte des excavations irrégulières, assez profondes (environ 10 mm), dont la surface est polie et qui semblent avoir été taillées avec une gouge[1]
VI. MATERIAUX ETUDIES
VI-1. PRESENTATION DES MATERIAUX
Dans notre étude, nous avons utilisé des échantillons en acier traité différemment.
La présentation des aciers est faite en mettant l’accent d’une part, sur leur microstructure dont nous avons vu le rôle prépondérant dans le phénomène d’enlèvement de matière, et d’autre part, sur les propriétés mécaniques dont nous avons mesuré les valeurs avec précision. [2]
VI.2.. Les aciers
Dans notre mémoire, nous avons étudié des échantillons en acier non allié puis ils subissent des traitements thermique et thermochimiques :
Cémentation.
Trempe à l’eau.
Nitration
En ce qui concerne le choix des aciers, nous avons considéré : un acier à faible teneur en carbone (disponible).
La composition chimique de l’acier est donnée dans le tableau (1).
Tableau -1. Composition chimique de l’acier étudié.
Les caractéristiques mécaniques sont regroupées dans le tableau (2).
Tableau -2. Caractéristiques mécaniques de l’acier étudié.
VII. CONDITIONS DE TRAVAIL
Dans cette partie, nous allons présenter les procédés d’élaboration réalisés sur les aciers à fin d’améliorer les propriétés des couches superficielles.
. VII.I ESSAI DE CEMENTATION La procédure consiste à porter les échantillons dans un four électrique à une température de 950°C pendant sept heures, suivies d’un refroidissement lent dans les caisses. Une fois les échantillons refroidis, ils doivent subir une double trempe : la première à une température de 930°C pendant 45 minute dans l’eau pour régénérer le matériau (rendre fin le grain à l’intérieur de la pièce, mais laisse grossir le grain de la couche cémentée). La deuxième trempe à 750°C pendant 30 minute, toujours le refroidissement dans l’eau, qui affine le grain de la couche cémentée et laisse fin le grain à cœur. A la fin, un revenu à 175°C pour diminuer la fragilité de la couche cémentée.
L’épaisseur de la couche cémentée est de 0.8 à 0.9 mm.
(Figure -1) [3]
Figure -1. Epaisseur de la couche cémentée.
VII.2 ESSAI E TREMPE
La procédure consiste à maintenir les échantillons dans un four électrique à une température de 950°C pendant 1 heure, en suite en les refroidissent rapidement dans de l’eau.
En fin, un revenu à une température de 175° pendant 45 min, puis un refroidissement à l’air libre.
VII.3 CARACTERISATION DES MATERIAUX ETUDIES
VII.3.1. LA DURETE
Les essais de dureté Vickers sont effectués sur des échantillons frottés ou non (avant et après le frottement) à l’aide d’un appareil de dureté (WOLPERT) (équipé d’une pyramide à base carrée d’angle au
sommet.
136°) ou nous avons pris la valeur moyenne de trois essais. La charge de (5KP
5N) agitdirectement sur le pénétrateur dont le déplacement est régulier, avec un temps de maintien de 30 secondes.
L’image de l’empreinte est analysée directement sur un écran et les dimensions des deux diagonales de
l’empreinte sont mesurées par un ajustement manuel de quatre réticulaires quadrillant l’écran, (la diagonale de l’empreinte est mesurée optiquement avec un
série Cc10 C(%) 0,10 Si(%) 0,21 Mn(%) 0.50
Cr(%) _
Mo(%) _
Ni(%) _
S(%) 0,008
P(%) 0,001
Série Re (Kg/m2) Rm (Kg/m2) A%
Cc10 22 35 - 45 30
agrandissement de 100,200 ou 400 fois). Le
dépouillement des résultats est automatique et utilise l’expression suivante :
Dureté (en Gpa) :
2
10
3. 854 ,
1 d
H P
……..(1)Ou p : est la charge appliquée (en Newton).
d : est la diamètre de l’empreinte (
m).Comme l’acier non traité est moins dur que les aciers traités différemment et que la mesure de sa dureté ne demande pas un pénétrateur très dure (en diamant), nous avons effectué des essais de dureté Rockwell (HRB). Nous rappelons que le dépouillement est le même que celui de la dureté Vickers.
- Les valeurs mesurées de dureté sont rassemblées dans le tableau [3]
Matériaux Avant frottement
Après frottement Acier non
traité
86 89
Acier trempé
180 216
Acier cimenté
795 841
Acier nitruré
946 1006
Tableau -3. Dureté des matériaux étudiés.
VII.4 ESSAIS DE FROTTEMENT ET L’USURE VIII.4.1 DISPOSITIF EXPERIMENTAL Les tests d’usure sont menés sur une polisseuse tournant à deux vitesses,
N
1 150 tr / min et N
2 300 tr / min
ou nousavons choisi la géométrie de contact plan / plan (figure III-3). Cette configuration géométrique permet le frottement des échantillons plans sur lesquels on peut mesurer la quantité de matière enlevée par une simple pesée à l’aide d’une balance analytique de grande précision. L’échantillon plan qui est fixe frotte contre un abrasif en carbure de silicium (SiC), monté sur un disque de polisseuse est maintenu par un porte
échantillon que nous avons fabriqué au sein de l’atelier de fabrication mécanique.
Toutes les 60 minutes l’éprouvette est retirée pour être pesé, puis remise en place avec précision à fin de poursuivre l’essai.
Eau
Abrasif
Charge (P) Echantillon
disque tournant
Figure -2. Dispositif de frottement des surfaces planes [4]
On note que les expériences étaient conduites dans un milieu lubrifié à l’eau et à température ambiante où on fait varier la charge, la vitesse et la taille de l’abrasif.
Nous signalons que la perte en poids est mesurée à des intervalles réguliers pendant 7 heures de temps interrompues et que chaque essai est le résultat d’une moyenne de plusieurs tests.
VII.4.2 PROCEDURE EXPERIMENTALE Afin d’éviter les sources d’erreurs et les dispersions dans les résultats, une procédure expérimentale bien précise a été suivi. Après nettoyage et montage sur le disque de polisseuse, on positionne les poids pour avoir un contact plan de l’échantillon sur l’antagoniste. Une fois la charge normale est appliquée, on procède à la mise en rotation de la machine à une vitesse
préalablement fixée (sélectionnée).
Nous rappelons que la charge et la vitesse appliquées à chaque essai sont maintenues constantes, et que les essais sont interrompus toutes les 60 minutes de façon à mesurer l’évolution de la perte en poids.
Figure -3. Usure en fonction du temps d’un acier non traité (
220).Dans notre étude nous avons frotté nos échantillons dans un milieu lubrifié, contre un abrasif à gros grain où nous avons fait varier la charge et la vitesse (figure -3).
On retient principalement que la perte en poids à tendance à accroître au fur et à mesure que le temps de frottement augmente d’une part, d’une autre part est caractérisée par une perte en poids variable par groupe de deux, c'est-à-dire sous faible vitesse (V1) et grande vitesse (V2). En effet, on note que l’influence de la vitesse et nettement remarquable, suivie de la charge.
Figure -4. Usure en fonction du temps d’un acier non traité (
500).Sur la (figure -4), nous avons rapporté la perte en poids en fonction du temps d’un acier non traité frottant contre un abrasif plus fin. Pour les mêmes conditions que le test précédent, nous constatons que le classement est conservé mais avec un taux d’usure moins élevé comparé a celui des gros grains.
Figure -5. Usure en fonction du temps d’un acier cémenté (
220).Sur la figure suivante (Figure -5), le classement est toujours conservé et les conditions sévères semblent augmenter l’usure.
Figure -6. Usure en fonction du temps d’un acier cémenté (
500).Quand l’abrasif est plus fin (figure -6), les courbes d’usure ont une allure identique : une usure remarquable en premier temps en suite une légère augmentation du volume d’usure ce qui correspond a un régime de frottement plus au moins sévère.
Figure -7. Usure en fonction du temps d’un acier trempé (
220).Les études effectués sur l’acier trempé
(Figure -7) ont montré que le classement est toujours conservé quelle que soit la charge et la vitesse imposé et que les conditions sévère conduisent à une usure plus élevée.
Figure -8. Usure en fonction du temps d’un acier trempé (
500).En variant maintenant la taille de l’abrasif, et dans les mêmes conditions que les tests de frottement précédents (figure -8), on constate que le classement est toujours conservé.
Figure -9. Usure en fonction du temps d’un acier nitruré (
220)Sur la figure suivante (Figure -9), le classement est toujours conservé et les conditions sévères semblent augmenter l’usure.
Figure -10. Usure en fonction du temps d’un acier nitruré (
500)Sur la (Figure -10), pour les mêmes conditions que le test précédent, nous constatons que le classement est conservé mais avec un taux d’usure moins élevé comparé a celui des gros grains.
VIII.. ETUDE COMPARATIVE Il est évident de faire une étude comparative pour chaque groupe de matériaux étudié, afin de faire le bon choix des matériaux qui résiste convenablement à l’usure et qui se comporte bien en frottement.
Cette étude a été faite à partir des résultats obtenus par les tests de frottement réalisés précédemment. Pour cela, nous pouvons constater que nous sommes en présence de quatre régimes de frottement distincts selon
la gamme de charge et de vitesse disponibles (P et V).
[5]
Les courbes donnant la comparaison pour l’acier non traité, cémenté, nitruré et trempé, frottant contre un abrasif à gros grains, sont représentées ci-dessous :
Figure -11. Usure en fonction du temps (P1, V1,
220).La figure -11 représente la perte en poids des aciers traité différemment sous des faibles conditions. On retient principalement un début de frottement difficile de l’acier non traité caractériser par une dégradation sévère jusqu'à la fin. Par contre, les autres échantillons (nitruré, cémenté, trempé) révèlent une bonne résistance à l’usure où on note d’une part, que l’acier trempé se caractérise par une usure accélérée au début, ensuite une dégradation ralenti jusqu’à la fin, et que l’acier cémenté présente une dégradation linéaire. D’autre part l’acier nitruré présente une meilleure résistance à l’usure.
On note que la perte en poids à tendance à accroître au fur et à mesure que le temps augmente et que le comportement de l’acier non traité est le moins bon, mais reste néanmoins acceptable.
Figure -12. Usure en fonction du temps (P2, V1,
220).Les courbes donnant la perte en poids en fonction du temps des aciers pour les grandes charges sont illustrées sur la (Figure III-12). L’évolution des courbes
enregistrée en cours d’essai montre bien que le
comportement est identique et que le classement est toujours conservé.
On note une grande sensibilité pour l’acier non traité aux variations des charges ce qui provoque une évolution très nette du taux d’usure.
Figure -13 : Usure en fonction du temps (P1, V2,
220).Cette fois-ci en augmente la vitesse de frottement (Figure -13). Les résultats obtenus montrent bien, dans un premier lieu, que le classement tout le temps conservé et que l’acier non traité se caractérise par une pente raide dont la dégradation est considérable. D’un autre, la dégradation de l’acier nitruré, cémenté et trempé est régulière.
Figure -14 : Usure en fonction du temps (P2, V2,
220).Toujours dans un milieu lubrifié, et contre un abrasif à gros grains, nous avons fait varier la vitesse et la charge en même temps (Figure -14), les tests tribologique effectuées sur ces aciers montre bien que le comportement est quasiment le même. Le bon comportement est signalé pour l’acier nitruré, l’acier cémenté puis l’acier trempé par un écart très net et, en dernier lieu l’acier non traité par une dégradation très accélérée du début jusqu’à la fin de l’essai.
En conclusion, les conditions sévères semblent augmenter l’usure : plus la charge et la vitesse sont élevées plus la dégradation est accélérée.
Dans la partie suivante, nous allons représenter les courbes donnant la perte en poids en fonction du temps des quatre aciers frottant cette fois-ci contre un abrasif plus fin les figures sont ci-dessous
Figure -15 : Usure en fonction du temps (P1, V1,
500).Sur la figure -15, on remarque le même phénomène qui se répète : le bon comportement est signalé pour l’acier nitruré, l’acier cémenté suivi de l’acier trempé avec une légère dégradation, et toujours à la fin l’acier non traité par une usure considérable où l’écart est très net.
Figure -16 : Usure en fonction du temps (P2, V1,
500).En augmentant cette fois-ci la charge (Figure -16), on constate que le classement est conservé avec une dégradation plus élevée : le taux d’usure s’accroît avec l’augmentation de la charge et que l’acier non traité se comporte toujours mal à l’usure
.
Figure -17 : Usure en fonction du temps (P1, V2,
500).Figure -18 : Usure en fonction du temps (P2, V2,
500).En effet, pour le reste de la série (figure -17 et figure - 18) où nous avons augmenté la vitesse puis les deux paramètres, on retiendra que l’allure des courbes reste inchangée et que le classement est toujours conservé, mais le décalage entre les aciers traités et l’acier non traité est trop élevé. Ceci peut s’expliquer par la grande sensibilité de se dernier aux grandes vitesses et que le traitement de surface augmente la résistance à l’usure de l’acier.
Nous signalons d’ailleurs, que les aciers traités ont un comportement très proche quelque soit la nature du traitement attribué à chaque acier. A la fin, nous avons conclu que l’usure est d’autant plus faible que le grain est d’autant plus fin.
IX. CONCLUSION
Durant cette étude, nous nous sommes intéressés aux problèmes de frottements et d’usure des systèmes mécaniques dans laquelle nous avons essayé de donner des éclaircissements sur le problème.
Cette étude à montrer que l’usure par abrasion des systèmes mécaniques est très dommageable, du fait qu’elle peut provoquer la panne de n’importe quel
organe et par conséquent l’arrêt de la machine. En partant de ce cas, nous avons mené des expériences sur le comportement en frottement des aciers traités différemment pour un contact plan/plan.
Nos essais de frottement ont été réalisés, à température ambiante, au moyen de deux dispositifs expérimentaux permettant de prendre en considération les effets thermiques, mécaniques et tribologiques du frottement.
Les résultats obtenus ont permis de montrer l’influence de quelques paramètres, telles que la charge, la vitesse et la taille de l’abrasif sur le comportement des matériaux en frottement et à l’usure. Ces résultats montrent bien que l’utilisation des charges et des vitesses élevées contribue à une usure sévère : plus les conditions de travail sont sévère plus la dégradation des pistes de frottement est considérable. En effet, la variation de la taille de l’abrasif conduit elle aussi à une dégradation importante : plus le grain est gros plus l’usure est élevée.
REFERENCE
[1] Www.Kh.refer.org / cours_en _ligne/ cours généralités sur les moteurs thermiques rédigé par prof Pan Sovanna, 2007
[2] Heinz p.Bloch-Fred Geitner Machenery component- Maintenance and repair cuff publishing company houst on 1990.
[3] Ce Gilles Zwingelstein diagnostic des défaillances – théorie et pratique pour les systèmes industrielles- hermès 1995
[4] Gwidon w strchowiak et Andrew w Batchelor engineering tribologie 2002
[5] Entretien de base pour moteur, briggs and stratton cooration 2006
[6] Pongtorn, Prombut. Caractérisation de la propagation de Délaminage Des stratifies composites multidirectionnelle. Thèse de Doctorat de l’université de Toulouse III – Paul Sabatier. 2007.
