Grippage des aciers inoxydables : influence de la nature des matériaux, de la microstructure et des traitements thermochimiques de surface

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Submitted on 17 Dec 2019

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Grippage des aciers inoxydables : influence de la nature des matériaux, de la microstructure et des traitements

thermochimiques de surface

Thibault Lesage

To cite this version:

Thibault Lesage. Grippage des aciers inoxydables : influence de la nature des matériaux, de la mi-

crostructure et des traitements thermochimiques de surface. Matériaux. Université de Technologie de

Compiègne, 2019. Français. �NNT : 2019COMP2486�. �tel-02415915�

Par Thibault LESAGE

Thèse présentée

pour l’obtention du grade de Docteur de l’UTC

Grippage des aciers inoxydables : influence de la nature des matériaux, de la microstructure et des traitements thermochimiques de surface

Soutenue le 23 mai 2019

Spécialité : Mécanique et Matériaux : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)

D2486

THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE DE TECHNOLOGIE DE COMPIEGNE Champ disciplinaire : Mécanique & matériaux

Grippage des aciers inoxydables :

Influence de la nature des matériaux, de la microstructure et des traitements thermochimiques de surface

Thibault LESAGE

Thèse préparée au sein du Laboratoire Roberval, CNRS FRE 2012 Projet GRIPAC

Thèse soutenue le 23 mai 2019

Membres du jury

Rapporteurs Pierre MONTMITONNET DR CNRS, CEMEF, Sophia-Antipolis Delphine RETRAINT PU, LSMIS UTT, Troyes

Examinateurs

Laurent BARRALIER PU, MSMP, Aix en Provence Nathalie GEY CR CNRS, LEM3, Metz Marion RISBET PU, UTC, Compiègne Directeur de thèse Salima BOUVIER PU, UTC, Compiègne Co-Dir. de thèse Pierre-Emmanuel MAZERAN MC-HDR, UTC, Compiègne

Gérald FRANZ MC, LTI UPJV, Amiens

Invités Patrick JACQUOT Directeur technique, Bodycote, Pusignan

Yanming CHEN Docteur, PMMS CETIM, Senlis

ii

iii

Grippage des aciers inoxydables : Influence de la nature des matériaux, de la microstructure et des

traitements thermochimiques de surface

Thibault LESAGE

L’auteur remercie la région Hauts-de-France et les Fonds de Dévelopement Régionnaux

Eruopéen (FEDER) 2014/2020 pour le co-fondement de cette thèse.

1

Sommaire

Chapitre 1

Introduction ... 14

I. Grippage et tribologie ... 15

I.1. Grippage ________________________________________________________ 15 I.1.a. Définition ... 15

I.1.b. Détermination du seuil de grippage ... 16

I.1.c. Caractérisation de la sévérité du grippage ... 17

I.2. Usure adhésive ___________________________________________________ 20 I.3. Usure abrasive ____________________________________________________ 21 II. Essais de grippage ... 23

II.1. Essai normalisé ASTM G98 ________________________________________ 24 II.2. Essai normalisé ASTM G196 _______________________________________ 26 II.3. Essai cylindre-cylindre ____________________________________________ 27 II.4. Essai sur tribomètre _______________________________________________ 29 III. Paramètres influant sur le seuil de grippage ... 31

III.1. Influence de l’interface ____________________________________________ 32 III.1.a. Morphologie de surface ... 32

III.1.b. Revêtements, dépôts ... 33

III.1.c. Traitements de surface ... 33

III.1.d. Température à l’interface ... 37

III.2. Influence de la nature des matériaux _________________________________ 38 III.2.a. Propriétés mécaniques ... 38

III.2.b. Microstructure ... 39

III.2.c. Composition chimique ... 40

IV. Mécanismes d’apparition du grippage ... 43

V. Synthèse ... 45

2

Chapitre 2

Introduction ... 54

I. Techniques expérimentales ... 55

I.1. Morphologie de surface et dureté _____________________________________ 55 I.1.a. Profilométrie ... 55

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

I.2. Caractérisation de la microstructure ___________________________________ 57 I.2.a. Observations à l’échelle du MEB ... 57

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

I.3. Caractérisation de la composition chimique et des phases en présence ________ 61 I.3.a. EDS ... 61

I.3.b. DRX ... 62

II. Sélection et caractérisation des matériaux ... 63

II.1. Nuances d’acier inoxydable retenues _________________________________ 63 II.1.a. Sélection des nuances d’aciers inoxydables ... 63

II.1.b. Propriétés mécaniques ... 66

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

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

II.2. Traitements thermochimiques de surface ______________________________ 74 II.2.a. Description des traitements S3P ... 74

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

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

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

III. Synthèse ... 82

3

Chapitre 3

Avant-propos ... 87

Introduction ... 88

I. Détermination du seuil de grippage ... 88

I.1. Campagne expérimentale ___________________________________________ 88 I.2. Essais de grippage iso-matériaux _____________________________________ 90 I.3. Axe d’étude choisi ________________________________________________ 91 II. Phénomènes observés pour des échantillons non traités ... 93

II.1. Evolutions au cours de l’essai de grippage _____________________________ 93 II.1.a. Evolution du coefficient de frottement ... 93

II.1.b. Evolution des paramètres de rugosité ... 94

II.1.c. Evolution de la surface au cours de l’essai ... 96

II.2. Dureté et forme des échantillons après essai de grippage __________________ 99 II.2.a. Changement de forme des échantillons grippés ... 99

II.2.b. Evolution de la dureté ... 100

II.3. Observations de la surface _________________________________________ 102 II.3.a. Evolution de la surface en fonction de la pression ... 102

II.3.b. Observations après essai à 350 MPa ... 106

II.4. Phénomènes observés en surface ____________________________________ 108 II.4.a. Marques d’usure adhésive ... 108

II.4.b. Marques d’usure abrasive ... 109

II.4.c. Transfert de matière ... 111

II.4.d. Fragmentation de carbures ... 112

II.5. Catégories de grippage proposées ___________________________________ 112 II.5.a. Grippage sévère: 316L, 316LN, 17-4PH... 112

II.5.b. Grippage modéré : AISI660, Uranus45N ... 113

II.5.c. Grippage tolérant : Nitronic60 ... 113

III. Phénomènes observés pour des échantillons traités ... 115

III.1. Evolutions du coefficient de frottement ______________________________ 115 III.2. Evolution de la dureté ___________________________________________ 116 III.3. Observations de la surface ________________________________________ 118 III.3.a. Cas du traitement K33 ... 119

III.3.b. Cas du traitement KD ... 120

III.3.c. Cas du traitement M ... 121

III.4. Essais réalisés pour plusieurs rotations ______________________________ 125 III.4.a. Cas du 316L traité K33 pour plusieurs rotations ... 126

III.4.b. Cas du 17-4PH traité M pour plusieurs rotations ... 127

IV. Synthèse ... 129

4

Chapitre 4

Introduction ... 136

I. Phases et énergie de faute d’empilement ... 137

I.1. Phases en présence _______________________________________________ 137 I.2. Calcul de l’Energie de Faute d’Empilement ____________________________ 139 II. Evolution de la microstructure avec la profondeur ... 142

II.1. Evolution de la microstructure après apparition du grippage ______________ 142 II.1.a. Phénomènes observés ... 142

II.1.b. Identification et quantification des profondeurs affectées... 144

II.2. Evolution de la microstructure après essai à 350 MPa ___________________ 147 II.2.a. Cas du grippage tolérant ... 147

II.2.b. Cas du grippage modéré ... 149

II.2.c. Cas du grippage sévère ... 155

III. Investigations microstructurales liées aux grains ... 163

III.1. Impact de la taille des grains sur la résistance au grippage _______________ 163 III.2. Phénomènes observés au sein des grains _____________________________ 164 III.3. Analyse de la nature des joints de grains _____________________________ 169 IV. Microstructure en extrême surface ... 175

IV.1. Observations MET du Nitronic60 : cas du grippage tolérant _____________ 176

IV.2. Observations MET de l’AISI660 : cas du grippage modéré ______________ 178

IV.3. Observations MET du 316L : cas du grippage sévère ___________________ 180

V. Synthèse ... 184

5

Synthèse et conclusion

I. Synthèse ... 191

I.1. Echantillons non traités _________________________________________ 191 I.1.a. Propriétés des matériaux avant essai de grippage ... 191 I.1.b. Propriétés des matériaux après essai de grippage à 350 MPa ... 194 I.2. Echantillons traités _____________________________________________ 196 I.2.a. Propriétés des matériaux traités avant essai de grippage ... 197 I.2.b. Propriétés des matériaux traités après essai de grippage à 350 MPa ... 199

II. Conclusions ... 201

II.1. Echantillons non traités _________________________________________ 201 II.2. Echantillons traités S3P _________________________________________ 203

III. Perspectives... 205

Annexes

I. Analyses complémentaires au mémoire ... 209

I.1. Définition des paramètres de rugosité _________________________________ 209 I.2. Détermination du Volume Elémentaire Représentatif ____________________ 211 I.3. Mesures d’énergie dissipée pendant l'essai _____________________________ 212 I.4. Homogénéité des échantillons ______________________________________ 214 I.5. Calcul de la pression locale _________________________________________ 215 I.6. Impact de la phase cristallographique sur la résistance au grippage__________ 217 I.7. Mesures DRX ___________________________________________________ 219

II. Influence de l’état de surface ... 221

II.1. Influence du type de finition de surface : ASTM G98 ___________________ 221

II.2. Essai sur tribomètre rotatif_________________________________________ 224

II.3. Influence du type de finition de surface : profilomètre rotatif _____________ 229

II.4. Comportements observés dans des cas particuliers ______________________ 234

II.5. Synthèse des essais réalisés sur tribomètre rotatif _______________________ 236

6

Introduction générale

La tribologie est la science étudiant les phénomènes intervenant lors du mouvement relatif de surfaces en contact [1]. Le terme tribologie a été introduit pour la première fois par Jost [2] en 1966 mais l’intérêt porté à ce domaine remonte à plus de 4000 ans [3]. La tribologie intègre des notions de frottement, d’usure, d’adhésion, de lubrification et fait appel à des notions de mécanique, science des matériaux, chimie, physico-chimie, etc….

La tribologie est un domaine vaste de grande importance industrielle. En 1966, Jost estimait à 500 millions de livres le coût annuel pouvant être économisé pour la seule industrie britannique en appliquant les connaissances en tribologie de l’époque [2]. Plus récemment, Belot et al. [4]

estiment le coût total lié aux problématiques tribologiques à 25 milliards d’euros annuels en France. Les gains potentiels des progrès en tribologie restent importants ; estimés à plus de 1,5% du PNB britannique [5] en 2012.

Au sein de la tribologie, le grippage se situe comme un des phénomènes dont l’impact économique et industriel est important.

Le grippage est un cas particulier d’usure se produisant entre deux surfaces en mouvement relatif. Ce mécanisme d’usure altère la morphologie des surfaces en contact des composants mécaniques, engendrant l’impossibilité de prolonger le mouvement relatif de ces pièces. Le grippage se traduit par une augmentation brutale du coefficient de frottement, entraine une dégradation majeure des surfaces et génère des débris d’usure de dimensions variables.

En vue de limiter l’apparition du grippage, un nombre croissant d’études voit le jour depuis le milieu du 20

siècle (cf Figure 1). Ces études s’appuient le plus souvent sur une optimisation des matériaux en présence, de leurs états de surface ou des conditions opératoires.

Figure 1 : Evolution du nombre de publications associées au phénomène de grippage. (Source : Keyword « galling »

(grippage) sur Scopus)

7

La dégradation des surfaces apparaissant lors du grippage donne lieu à un coût de maintenance de pièces important, nécessitant souvent l’arrêt complet de la chaîne de production. Cette dégradation de la surface peut également donner lieu à des problématiques de sureté, en particulier dans l’industrie nucléaire. De plus, la libération de particules d’usure implique des problématiques de qualité et de santé dans le cas des industries agroalimentaires et pharmaceutiques. A titre d’exemple, la pollution de la production par des particules métalliques contenant des éléments cancérigènes tels que le chrome est un phénomène inacceptable dans l’industrie agroalimentaire.

Une des stratégies régulièrement employée pour limiter l’apparition du grippage est l’utilisation de lubrifiant. Cependant, ces industries sont soumises à des réglementations strictes en termes d’hygiène et de sécurité. Or l’utilisation de lubrifiants peut donner lieu à des problématiques de contamination dans les industries agroalimentaires et pharmaceutiques. Dans l’industrie nucléaire, les hautes températures employées rendent l’utilisation de nombreux lubrifiants peu souhaitable.

En plus de la difficulté d’utilisation de lubrifiants dans ces secteurs d’activité, de nouvelles normes concernant le choix de matériaux ont été introduites afin d’améliorer les conditions d’hygiène et de sécurité. Ces normes ont conduit à une augmentation de l’utilisation des aciers inoxydables austénitiques, du fait de leur facilité de mise en forme et de la bonne adéquation de leurs propriétés mécaniques avec le cahier des charges dans ces industries. Toutefois, ces matériaux sont connus pour leur mauvaise tenue au grippage et les conséquences dans les industries citées précédemment peuvent être désastreuses.

Par conséquent, pour ces industries, il y a un réel besoin d’améliorer la résistance au grippage de ces aciers inoxydables en l’absence de lubrification. L’objectif du projet GRIPAC (GRIPpage des ACiers inoxydables et conséquences sur la dégradation des composants frottant dans l’industrie agroalimentaire et pharmaceutique), est d’apporter des réponses à cette problématique.

On remarquera lors de l’étude bibliographique qu’une majorité des études se focalise sur les facteurs affectant le seuil de grippage ainsi que sur les phénomènes tribologiques donnant naissance au grippage. La prévention du phénomène de grippage repose le plus souvent sur des acquis empiriques, plutôt que sur une approche phénoménologique où les mécanismes d’apparition sont parfaitement identifiés. Par exemple, il existe de nombreux traitements de surface connus pour améliorer la résistance au grippage d’un tribosystème, tels que notamment les traitements S

P, développés par la société Bodycote. Ces traitements de surface ont prouvé leurs efficacités dans de nombreuses applications mais les mécanismes permettant une augmentation de la résistance au grippage sont mal compris.

La compréhension des phénomènes apparaissant lors du grippage devient désormais

indispensable pour améliorer la résistance au grippage. Par ailleurs, les conséquences de

l’apparition du grippage sur les surfaces en contact restent encore peu étudiées. Cette thèse a

donc pour objectif de proposer une meilleure compréhension du phénomène de grippage par le

biais notamment d’une approche originale basée sur l’étude microstructurale des matériaux en

contact.

8

De nombreuses questions restent ouvertes pour permettre une meilleure compréhension de ce phénomène. Cette thèse se propose de répondre à certaines d’entre elles :

 Quels sont les mécanismes intervenant lors du phénomène de grippage ?

 Existe-t-il plusieurs types de grippage ? Plusieurs stades de grippage ?

 Les mécanismes impliqués sont-ils toujours identiques ou dépendent-ils des matériaux et/ou des traitements en présence ?

 Quel est l’impact des traitements de surface de type S

P ?

Pour répondre à ces questions, nous nous proposons de faire une étude expérimentale où différents paramètres susceptibles de jouer sur le phénomène du grippage sont étudiés.

L’approche choisie est présentée sur la Figure 2. Cette figure permet de présenter les différents paramètres suspectés d’influencer la résistance au grippage.

Figure 2 : Les différents paramètres suspectés d’influer sur la résistance au grippage. Les relations entre les différents paramètres seront étudiées au cours de cette thèse

La résistance au grippage peut être étudiée selon deux aspects complémentaires : le seuil de grippage et la sévérité du grippage. Le seuil de grippage correspond au seuil (en termes de pression pour une distance donnée ou de distance pour une pression donnée) à partir duquel le grippage intervient. La sévérité du grippage est relative aux conséquences de l’apparition du grippage sur les échantillons en contact.

Pour étudier les mécanismes de grippage, les échantillons sont analysés après apparition du

grippage. La notion de sévérité du grippage est donc plus adaptée à cette étude que celle de

seuil de grippage. La sévérité du grippage intervenu servira donc au cours de cette thèse de fil

conducteur pour relier le grippage aux phénomènes observés.

9

Différentes nuances d’aciers inoxydables sont étudiées dans le cadre de cette thèse, à l’état non traité et après traitements de surface de type S

P. Le seuil de grippage est déterminé par des essais de grippage réalisés selon la norme ASTM G98. La sévérité du grippage est étudiée par le biais d’analyses surfaciques (profilométrie, observations MEB de la surface…) et volumiques (analyses chimiques et microstructurales) des échantillons grippés.

Ce manuscrit comprend quatre chapitres. Le premier chapitre synthétise l’état de l’art lié au phénomène de grippage. En particulier, les différents essais de grippage employés dans la littérature sont présentés. Ces différents essais de grippage ont permis de développer plusieurs stratégies pour augmenter le seuil de grippage. Ces stratégies seront décrites dans la suite du texte. Les différents mécanismes de grippage existants dans la littérature seront présentés. A l’issue de ce chapitre sur l’état de l’art, les besoins liés à la compréhension du grippage seront précisés, ce qui permettra de situer cette thèse par rapport aux travaux de la littérature.

Le deuxième chapitre a pour objectif de décrire les techniques expérimentales ainsi que les matériaux sélectionnés dans le cadre de cette thèse. Les techniques de caractérisation utilisées se répartissent en trois catégories : la caractérisation de la surface, la caractérisation de la microstructure et la caractérisation de la composition chimique et des phases en présence.

L’utilisation de ces techniques permettra de caractériser les matériaux à l’état de réception ainsi que de la sévérité du grippage. Ce chapitre présentera pour finir les différentes propriétés des matériaux sélectionnés et les conséquences de l’application des traitements de type S

P sur ceux-ci.

Le troisième chapitre présentera tout d’abord les seuils de grippage des différents couples de matériaux. Ensuite, la surface des matériaux grippés sera observée en vue de déterminer les conséquences du grippage sur celle-ci. Cette approche surfacique sera également l’occasion d’identifier les différents phénomènes pouvant intervenir lors du grippage. Cette étude sera réalisée d’abord sur des matériaux non traités, puis sur des matériaux traités S

P pour pouvoir observer les conséquences de ce type de traitement sur la résistance au grippage.

Le quatrième chapitre traite des conséquences du grippage sur la sous-surface des échantillons testés. Différentes investigations liées aux phases en présence et à la microstructure seront menées et permettront de mieux appréhender les conséquences du grippage sur la microstructure. Ces phénomènes microstructuraux seront étudiés à différentes échelles pour permettre une description plus complète des conséquences du grippage sur les matériaux en présence. Une attention particulière est dédiée à la compréhension des raisons expliquant la résistance au grippage élevée du Nitronic60 dans le cas non traité et des effets des traitements S

P.

Pour finir, une synthèse sera présentée pour rappeler les différents paramètres étudiés au cours

de cette thèse et proposer des mécanismes de grippage dans le cas des aciers inoxydables. Les

différentes perspectives seront ensuite proposées pour aller au-delà des résultats obtenus au

cours de cette thèse.

10

[1] A. I. Vakis et al., “Modeling and simulation in tribology across scales: An overview,”

Tribol. Int., Feb. 2018.

[2] P. Jost, “Lubrication (tribology), education and research: a report on the present position and industry’s needs,” 1966.

[3] B. Bhushan, Introduction to tribology, 2. ed. Chichester: Wiley, 2013.

[4] J. M. Belot and B. Rigaut, “Importance économique de l’usure,” CETIM informations N°

141, 1994.

[5] I. Tzanakis, M. Hadfield, B. Thomas, S. M. Noya, I. Henshaw, and S. Austen, “Future perspectives on sustainable tribology,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 16, no. 6, pp.

4126–4140, Aug. 2012.

11

Chapitre 1

Etat de l’art

13

Introduction ... 14

I. Grippage et tribologie ... 15

I.1. Grippage ________________________________________________________ 15 I.1.a. Définition ... 15

I.1.b. Détermination du seuil de grippage ... 16

I.1.c. Caractérisation de la sévérité du grippage ... 17

I.2. Usure adhésive ___________________________________________________ 20 I.3. Usure abrasive ____________________________________________________ 21 II. Essais de grippage ... 23

II.1. Essai normalisé ASTM G98 ________________________________________ 24 II.2. Essai normalisé ASTM G196 _______________________________________ 26 II.3. Essai cylindre-cylindre ____________________________________________ 27 II.4. Essai sur tribomètre _______________________________________________ 29 III. Paramètres influant sur le seuil de grippage ... 31

III.1. Influence de l’interface ____________________________________________ 32 III.1.a. Morphologie de surface ... 32

III.1.b. Revêtements, dépôts ... 33

III.1.c. Traitements de surface ... 33

III.1.d. Température à l’interface ... 37

III.2. Influence de la nature des matériaux _________________________________ 38 III.2.a. Propriétés mécaniques ... 38

III.2.b. Microstructure ... 39

III.2.c. Composition chimique... 40

IV. Mécanismes d’apparition du grippage ... 43

V. Synthèse ... 45

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Introduction

Ce chapitre présente l’état de l’art sur le phénomène de grippage et la compréhension des mécanismes impliqués. Il permettra d’identifier les paramètres pertinents à explorer et ainsi de sélectionner les pistes de travail les plus prometteuses. Cette étude bibliographique est décomposée selon quatre parties.

La première partie a pour but de décrire le grippage et les différents phénomènes tribologiques pouvant intervenir lors de l’apparition du grippage. En particulier, les méthodes utilisées dans la littérature pour déterminer le seuil de grippage et pour caractériser la sévérité du grippage seront présentées. Les phénomènes d’usure adhésive et d’usure abrasive, régulièrement observés à la suite de l’apparition du grippage, seront également présentés.

La seconde partie a pour objectif de présenter les différents essais de grippage et leurs caractéristiques propres. L’essai ASTM G98, retenu dans le cadre de cette thèse, sera décrit plus en profondeur.

La troisième partie se focalise sur les différents paramètres connus pour affecter le seuil de grippage d’un tribosystème. Ces paramètres se déclinent en deux catégories : d’une part, les composantes surfaciques, tels que l’état de surface, les traitements de surface etc… et d’autre part, les composantes volumiques, telles que les propriétés mécaniques, la composition chimique et la microstructure.

Enfin, la quatrième partie sera consacrée aux différents mécanismes identifiés lors du grippage.

On montrera ainsi que la description de ces mécanismes est presque exclusivement centrée sur l’initiation du grippage et que les mécanismes intervenant ultérieurement à cette apparition restent encore peu étudiés et mal compris.

A l’issue de ces quatre parties, une synthèse de l’étude bibliographique sera présentée. Elle

permet de décrire l’état de connaissance actuel et ainsi de dégager les pistes à explorer les plus

pertinentes. On remarquera en particulier qu’il est nécessaire de mettre en évidence les

différents mécanismes intervenant à la suite de l’initiation du grippage et d’étudier plus

précisément la sévérité du grippage.

15

I. Grippage et tribologie

Dans le cadre d’essais de grippage normalisés, le grippage s’accompagne d’usure adhésive et d’usure abrasive. Cette partie a pour objectif de définir ce qu’est le grippage, puis de présenter les caractéristiques des deux types d’usure impliqués lors d’un essai de grippage.

I.1. Grippage

I.1.a. Définition

Le grippage est un cas particulièrement sévère d’usure adhésive. Celui-ci intervient lors du mouvement relatif entre deux surfaces en contact, en particulier en l’absence de lubrification ou avec une lubrification insuffisante.

Au niveau des surfaces en contact, la température devient élevée au niveau des aspérités et est susceptible de former de l’adhésion localement. Ce sont ces adhésions qui, une fois rompues, donnent lieu à un transfert de matière et à une dégradation de la surface [1]. Cette élévation de la température reste toutefois localisée spatialement et la température en volume des éléments en contact reste faible (de l’ordre de 100°C environ). Cela implique une migration d’éléments chimiques négligeable et explique pourquoi le grippage est parfois dénommé soudage à froid.

Comme le grippage est un cas particulier d’usure, étudier la résistance au grippage est parfois associé à étudier la résistance à l’usure adhésive d’un couple de matériaux donné. Il est en revanche important de remarquer que, comme indiqué par Hsu et al. [2], la tendance d’un couple de matériaux à gripper n’est pas directement reliée à sa résistance à l’usure (abrasive comme adhésive). A titre d’exemple, le Nitronic60, utilisé dans cette thèse, est connu pour sa résistance élevée au grippage mais présente une faible résistance à l’usure adhésive [2], [3].

La définition du grippage a longtemps été débattue, avec des dénominations variables au cours des années. A la fin du 20

siècle, ce phénomène prend le nom définitif de « galling » en anglais, et la norme ASTM G40 [4] redéfinit en 2008 ce terme avec plus de précision. Le grippage est alors défini comme « une forme d’usure apparaissant entre des solides en mouvement, observable macroscopiquement par la création de protubérances souvent localisées sur la surface d’origine et pouvant inclure du transfert de matière, de l’écoulement plastique ou les deux » [4]. Récemment, la norme ASTM G98 8.9 [5] précise la définition du grippage en excluant les phénomènes de rayures et d’ondulation de surfaces de la définition du grippage.

Cette norme précise également que pour que le grippage ait lieu, au moins une des deux surfaces en contact doit présenter un arrachement de matière et accompagné de la formation de protubérances.

Cette définition permet ainsi de décrire le grippage de manière universelle. Cependant, cette définition reste subjective et est soumise à interprétation. En particulier, le terme

« macroscopiquement » reste flou et laisse libre cours à l’interprétation.

Lors de l’étude du grippage, on parle le plus souvent de la résistance au grippage d’un couple

de matériaux. Les échantillons issus d’un essai de grippage sont souvent classés dans la

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littérature de manière binaire comme étant « grippés » ou « non grippés ». La résistance au grippage est alors uniquement quantifiée par le seuil de grippage de ce couple de matériaux.

Cependant, l’apparition du grippage a des conséquences très variables sur les échantillons en présence. C’est pourquoi, la sévérité du grippage doit être déterminée en complément du seuil de grippage. La combinaison de ces deux éléments permet alors d’étudier la résistance réelle au grippage d’un couple de matériaux.

Le seuil de grippage correspond à un seuil (en pression ou en distance) à partir duquel le grippage apparaît. Ce seuil est par conséquent purement quantitatif et permet de déterminer a priori si un couple de matériaux grippe ou non pour une sollicitation donnée.

La sévérité du grippage est déterminée à la suite de l’apparition du grippage et correspond aux conséquences de celui-ci sur les échantillons en contact.

La résistance au grippage est alors définie comme la combinaison entre le seuil de grippage et la sévérité du grippage.

I.1.b. Détermination du seuil de grippage

Le premier paramètre étudié lors de problématiques de grippage est le seuil de grippage d’un couple de matériaux. Cette notion de seuil de grippage nécessite cependant de s’assurer de l’existence, ou non, de grippage sur les échantillons.

La détermination de l’existence du grippage selon la norme ASTM G40 étant subjective, l’état grippé/non grippé d’un échantillon est donc discutable et le seuil de grippage qui en résulte dépend de l’opérateur.

Dans le cadre de cette thèse, le grippage est considéré comme présent à partir du moment où les échantillons ont subi à l’issue d’un essai de grippage une modification morphologique de la surface (hors rayures et surfaces ondulées) visible à l’œil nu sans utiliser de lumière rasante.

Ces modifications de la surface peuvent donc prendre plusieurs formes, comme on peut le voir sur la Figure 1, issue des travaux de cette thèse.

Figure 1 : Observation par microscopie optique de la surface des pions après essai de grippage selon la norme ASTM G98 [6] avec un contre-matériau en 316L. a- Absence de grippage (pion de Nitronic60 non traité à 175 MPa), b-légèrement

grippé (pion d’AISI660 non traité à 11 MPa) ou c- fortement grippé (pion de Nitronic60 non traité à 350 MPa)

17

Pour rendre la détermination de l’existence de grippage plus objective, ces observations sont complétées par le suivi de l’évolution du coefficient de frottement avec l’angle de rotation. Ce suivi aide à détecter l’apparition du grippage en observant les changements de coefficients directeurs de la courbe.

L’apparition du grippage se traduit en effet par une augmentation souvent brusque du coefficient de frottement (cf Figure 2, issue de ces travaux de thèse). Le suivi de l’évolution du coefficient de frottement est surtout réalisé dans le cas où l’observation visuelle des échantillons après essai de grippage ne permet pas d’affirmer avec certitude l’existence de grippage.

Figure 2 : Evolution du coefficient de frottement avec l’angle de rotation d’un pion de Nitronic60 non traité contre une plaque de 316L en l’absence de grippage (131 MPa), légèrement grippé (219 MPa) et fortement grippé (350 MPa)

Ces deux critères sont donc utilisés simultanément en vue de limiter au maximum le caractère subjectif de la détermination de l’apparition du grippage.

Depuis quelques années, des travaux ont permis de développer des méthodes moins subjectives de détection de l’initiation du grippage [7]–[11]. Ces travaux donnent lieu à de nouvelles normes d’essai de grippage, qui deviennent de plus en plus fiables.

A titre d’exemple, Wang et al. [12] utilisent la différence de hauteur ΔRy (différence de hauteur entre pic et vallées, cf annexes I.1) avant et après essai et définissent que le grippage apparaît lorsque ΔRy ≥ 8 µm. Cette volonté de proposer des critères objectifs d’apparition du grippage montre la faiblesse des démarches actuelles et la nécessité d’établir des critères fiables d’apparition du grippage. Il manque cependant encore une méthodologie normalisée fiable pour déterminer objectivement l’apparition du grippage.

I.1.c. Caractérisation de la sévérité du grippage

Au cours des cinq dernières années, la littérature montre un intérêt croissant pour la détermination de la sévérité du grippage. Siefert et al. [5] et par la suite Budinski et al. [13]

présentent les différents phénomènes intervenant régulièrement à l’issue d’un essai de grippage

(Figure 3). Ces auteurs ont par la suite proposé une quantification d’une partie de ces

phénomènes, en utilisant principalement les paramètres de rugosité Ra et Ry (Tableau 1).

18

Figure 3 : Exemples de différentes modifications de la surface observables après essai de grippage, tel que défini par Siefert

Tableau 1 : Définition et quantification des différentes terminologies présentées par Siefert et al. [5] permettant une description des phénomènes ayant intervenu lors de l’essai de grippage

Ces travaux permettent de proposer une classification des phénomènes intervenant lors d’essais de grippage.

Hubert et al. [7] définissent quant à eux la sévérité du grippage par analyse d’image en déterminant le pourcentage de la surface considérée comme grippée (Figure 4.a). Cette méthodologie permet de fournir un indicateur quantitatif de la sévérité du grippage observé.

L’évolution de la sévérité du grippage avec la pression est alors estimée par régression linéaire

(Figure 4.b). On observe alors logiquement que le pourcentage de la surface grippé augmente

avec la pression d’essai.

19

NB : Les auteurs [7] utilisent la notation d’ « eroded region » pour les zones n’ayant pas été grippées. Cette notation est employée pour s’opposer aux zones dites grippées de l’échantillon.

Figure 4 : Détermination de la sévérité du grippage proposée par Hubert et al.[7]. La figure a- présente les régions respectivement érodées ou grippée. b- pourcentage de la surface érodée (et donc indirectement le pourcentage de la surface

grippée) en fonction de la pression pour un pion (en bleu) et un bloc (en rouge) de 304L après essai de grippage.

En conclusion, les travaux de la littérature montrent une volonté de caractériser plus précisément à la fois l’existence et la sévérité du grippage. Cette caractérisation permet de mieux appréhender les conséquences du grippage sur les pièces en présence et ainsi d’adapter les mesures prises pour y pallier. En revanche cette caractérisation reste pour le moment insuffisante pour décrire de manière satisfaisante ce phénomène.

L’apparition de grippage va de pair avec d’autres phénomènes tribologiques. En particulier, de

l’usure adhésive et de l’usure abrasive sont régulièrement observées. Une description succincte

de ces deux types d’usure est présentée ici et se retrouve de manière exhaustive dans l’ouvrage

de Stachowiak et Batchelor [14].

20

I.2. Usure adhésive

L’usure adhésive est caractérisée par un taux d’usure important ainsi qu’une augmentation forte du coefficient de frottement. L’adhésion formée entre les aspérités conduit à une déformation de celles-ci, comme indiqué sur la Figure 5.

Figure 5 : Déformation des aspérités des matériaux en contact selon si la fracture est ductile ou fragile. Figure réalisée par Stachowiak et Batchelor [14].

Cette déformation des aspérités est généralement un signe précurseur d’une usure plus marquée.

Dans le cadre de cette thèse, une attention particulière est apportée au phénomène de transfert de matière. Celui-ci se manifeste selon plusieurs modèles distincts, tel que celui présenté par Kayaba et Kato [15] (Figure 6).

Figure 6 : Schéma décrivant l’apparition d’adhésion puis de transfert de matière entre deux matériaux (généralement entre

deux métaux) en contact. Figure réalisée par Stachowiak et Batchelor [14] et adapté de Kayaba et Kato[15]

21

I.3. Usure abrasive

L’usure abrasive est un phénomène d’usure régulièrement observé lors d’un essai de grippage.

Ce type d’usure intervient lors du contact entre une particule généralement dure (aspérité, troisième corps…) et la surface d’un matériau massif. L’usure abrasive se caractérise par une perte de matière lors du passage de cette particule sur la surface. Cette perte de matière peut intervenir suivant plusieurs configurations (Figure 7).

Figure 7 : Différents types d’usure abrasive entre deux surfaces en contact. Figure réalisée par Stachowiak et Batchelor [14]

Lors d’un essai de grippage, on observe la formation de troisième corps ainsi qu’un labourage de la surface. Un troisième corps est défini comme de la matière d’un ou d’une combinaison des deux matériaux en contact, qui est souvent durcie sous l’effet de l’écrouissage (Figure 8).

Figure 8 : Formation et évolution de particules de troisièmes corps donnant lieu à de l’usure abrasive à trois corps après

écrouissage. Figure réalisée par Stachowiak et Batchelor [14]

22

L’usure à trois corps comme l’usure adhésive donnent parfois lieu à un phénomène de rayure ou de labourage qui détériore fortement l’état de surface des matériaux en contact. Ce phénomène donne alors lieu à une déformation plastique de la surface, la formation de stries ainsi que la création de fissures en surface (Figure 9).

Figure 9 : Conséquences du phénomène de labourage sur la surface des matériaux en contact. Figure réalisée par Stachowiak et Batchelor [14]

En synthèse, le grippage est un phénomène qui est défini par un seuil et une sévérité. Le seuil de grippage est une valeur numérique dont la détermination est subjective. La sévérité du grippage est souvent déterminée qualitativement mais permet de décrire les conséquences de l’apparition du grippage sur l’échantillon.

Le grippage s’accompagne régulièrement d’usure abrasive et/ou adhésive qui détériore l’état

de surface.

23

II. Essais de grippage

Cette partie a pour objectif de présenter les différents essais employés en laboratoire pour déterminer la résistance au grippage. Certains de ces tests sont normalisés et permettent de déterminer le seuil de grippage d’un couple de matériaux pour des conditions opératoires fixées.

Différents essais en laboratoire ont été développés pour étudier la résistance au grippage d’un couple de matériaux. Ces essais s’appuient sur différentes géométries de contacts, tels que le contact plan-plan [13], le contact sphère-plan [16], [17] ou encore le contact cylindre-cylindre croisés [16]. Une synthèse des différentes configurations d’essai les plus régulièrement utilisées dans la littérature est présentée sur la Figure 10.

Figure 10 : Schéma de plusieurs configurations d’essais employées pour déterminer la résistance au grippage de matériaux métalliques. a- essai pion-plaque tel qu’utilisé dans la norme ASTM G98, Figure réalisée par [18] ; b- essai sur tribomètre

rotatif, Figure réalisée par [16]. Cet essai existe également sur tribomètre linéaire. c- essai cylindre-cylindre, Figure réalisée par [16] ; d- essai dit de “load-scanner” pour lequel la pression appliquée évolue lors de l’essai, Figure réalisée

par Podgornik et al. [16]

Parmi les différents essais développés, l’essai selon la norme ASTM G98 et son successeur selon la norme ASTM G196, l’essai sur tribomètre rotatif, l’effet cylindre-cylindre et l’essai dit de « load-scanner » sont particulièrement utilisés. Ces différents essais de grippage sont décrits ci-après.

L’essai ASTM G98, sélectionné dans le cadre de cette thèse, est décrit plus en détails.

24

II.1. Essai normalisé ASTM G98

L’essai de grippage pion-bloc proposé par la norme ASTM G98 est l’essai de grippage le plus couramment utilisé. On utilise pour cela un pion (en rotation), mis en contact avec une plaque (statique).

L’essai consiste à appliquer une force donnée puis effectuer une rotation du pion de 360° à une vitesse de rotation constante de 60°/s (Figure 11.a). La force maximale applicable pour ces essais est de 44 kN, correspondant à une pression de 350 MPa pour la géométrie des pions employée.

La vitesse et la distance de rotation – et par conséquent le temps d’essai – sont fixés, ce qui permet d’étudier de manière isolée l’effet de la pression. On remarque que le choix d’un temps d’essai faible (6 secondes) permet également de s’affranchir d’éventuels phénomènes de diffusion thermique. Le parallélisme entre le pion et la plaque est quant à lui assuré par un système de rotule. La température, la pression atmosphérique et l'humidité sont supposées constantes d’une série d’essai (air ambiant), sans contrôle supplémentaire.

La détermination du seuil de grippage selon la norme ASTM G98 se fait par dichotomie, en partant de la pression maximale (Figure 11.b). On utilise pour cela une plaque, que l’on déplace d’un essai à l’autre de manière à présenter une surface vierge pour chaque nouvel essai. A chaque plaque est associée 6 pions qui sont testés à différentes pressions. La résistance au grippage est alors définie comme étant la moyenne entre la pression minimale avec apparition du grippage et la pression maximale sans apparition du grippage. Dans le cas de l’exemple présenté sur la Figure 11.b, le seuil de grippage est donc la moyenne entre 219 MPa (pression la plus basse pour lequel l’échantillon a grippé) et 208 MPa (pression la plus élevée pour laquelle l’échantillon n’a pas grippé), soit 214 MPa. La précision de la mesure est de ± 11 MPa.

Figure 11 : Essai de grippage réalisé selon la norme ASTM G98 a- Dispositif expérimental et b- arbre de dichotomie utilisé pour déterminer le seuil de grippage d’un couple de matériaux donné. Est ici présenté un exemple réalisé au cours de cette

thèse entre un pion de Nitronic60 et une plaque de 316L à l’état de réception

25

En théorie, un contact cylindre-plan élastique génère une pression infinie à la périphérie du pion. Les arêtes du cylindre sont donc usinées de manière à créer une courbure et réduire la pression maximale de contact. Des études sur la répartition des contraintes au sein de l’échantillon ont été réalisées par simulation numérique de l’essai de grippage ASTM G98 dans le cas de surfaces parfaitement lisses. Waite et al. [19] (Figure 12).

Figure 12 : Concentration de la contrainte en fonction de la position radiale sur le pion dans le cas d’un essai de grippage suivant la norme ASTM G98. Figure réalisée par Waite et al. [19]

On observe que les contraintes subies par l’échantillon évoluent avec la position radiale. La contrainte maximale est observée en proche périphérie du cylindre et que celle-ci est jusque quatre fois supérieure à celle obtenue proche du centre de la surface.

Le défaut principal de cet essai est la faible répétabilité des mesures. L’état de surface et les propriétés locales des échantillons en contact n’étant pas rigoureusement identiques, le grippage présente un caractère stochastique [19], [20] qui limite la répétabilité des mesures. De plus, le parallélisme du contact pion-plaque, en théorie assuré par une rotule, est dans la pratique imparfait et peut donner lieu à des divergences d’un essai à l’autre.

La norme ASTM G98 permet donc de déterminer le seuil de grippage d’un couple de matériaux donné. En revanche, du fait de la faible répétabilité des seuils de grippage obtenus, cette méthode doit être utilisée à des fins comparatives d’un couple de matériaux à l’autre.

La norme ASTM G98 5.5, précise d’ailleurs que cet essai normalisé ne doit pas être employé pour la quantification précise du seuil de grippage [21].

Pour proposer une détermination plus précise du seuil de grippage en prenant en compte ce

caractère stochastique, une nouvelle norme ASTM G196 a été récemment créée et est décrite

ci-après.

26

II.2. Essai normalisé ASTM G196

La norme ASTM G196, présentée pour la première fois en 2008 [20] fait appel à des géométries d’échantillons différentes de celles utilisées dans la norme ASTM G98 (Figure 13). Cette modification de la géométrie des échantillons conduit à une distribution plus homogène des contraintes au sein de l’échantillon.

Figure 13: Norme d'essai ASTM G196 avec a- Représentation de l'essai (Figure réalisée par Hummel [20]) et b- Faciès de grippage typique après essai suivant la norme ASTM G196 (Figure réalisée par Hummel et Helm [9])

Cet essai normalisé reprend les conditions d’essai de la norme ASTM G98, soit une rotation de 360°, à une vitesse de rotation de 60°/s et une force appliquée variant d’un essai à l’autre. Les différences principales avec la norme ASTM G98 sont la géométrie des échantillons et du dispositif ainsi que la méthodologie de détermination du seuil de grippage.

Pour cet essai, deux pions de dimensions identiques sont en contact (un seul pion est en rotation, celui du haut dans la Figure 13.a). Le diamètre des pions est identique à celui utilisé pour les pions de la norme ASTM G98, mais un trou central de 10 mm est usiné.

La méthodologie de détermination du seuil de grippage consiste à considérer la probabilité d’apparition du grippage à une pression donnée. En effet, du fait du caractère stochastique du grippage, déterminer un seuil de grippage unique n'est pas suffisant pour garantir l'existence ou l'absence de grippage à une pression donnée.

De ce fait, la probabilité d’apparition du grippage est utilisée dans cette norme et le seuil de

grippage est défini comme la pression pour laquelle la probabilité d’apparition du grippage

excède 50%. Ce critère, nommé galling50 ou G50, permet donc d’avoir une définition plus

précise du seuil de grippage. Pour déterminer G50, chaque essai de grippage est répété de

nombreuses fois (12 à 20 essais dans le cas de Hummel et al. [9]) pour identifier la fréquence

d'apparition du grippage. On obtient alors la fréquence d’apparition du grippage en fonction de

la pression appliquée (Figure 14), permettant de déterminer de manière plus précise le seuil de

grippage d’un matériau.

27

Figure 14: Exemple d’évolution de la fréquence d’apparition du grippage avec la pression dans le cas de trois aciers inoxydables. Graphe issu de Hummel et al. [9]

Cette approche permet donc à la fois de prendre en compte le caractère stochastique du grippage mais aussi de déterminer avec plus de fiabilité la pression seuil de grippage.

L’inconvénient de cette approche est que celle-ci est très coûteuse en termes de nombre d’échantillons et de temps nécessaire pour la détermination du seuil de grippage.

II.3. Essai cylindre-cylindre

D’autres configurations d’essais sont possibles pour déterminer le seuil de grippage. L’essai cylindre-cylindre, souvent dit de « cross-cylinder » a été développé par Hogmark et al. [22] et Wiklund et al. [23]. Pour cet essai, le contact est ponctuel mais se déplace le long d’une ligne.

Différentes conditions de sollicitations sont appliquées, permettant de réaliser un contact sur

des surfaces vierges pour chaque translation (Figure 15.b) ou pour garder un point de contact

constant sur un des cylindres (Figure 15.c). La force appliquée est constante au cours de l’essai

et la vitesse de déplacement du cylindre en mouvement est fixée.

28

Figure 15 : Représentation de l’essai « cross-cylinder » tel que présenté par Xie et Yao [11] avec a- une description du rôle de chaque cylindre, b- une configuration d’essai pour laquelle la zone de contact évolue avec le temps pour les deux

cylindres et c- une configuration pour laquelle la surface de contact d’un des deux cylindres reste constante

Cet essai est habituellement réalisé avec une pression constante le long des cylindres. Le seuil de grippage est alors déterminé par dichotomie selon une méthodologie similaire à celle utilisée lors de l’essai ASTM G98.

Une adaptation de cet essai est l’essai dit de « load-scanner », pour lequel la pression appliquée varie le long de la ligne de contact, (Figure 16) [16].

Figure 16 : Représentation de l’essai « load-scanner » tel que présenté par Podgornik et al. [16] avec a- une description du

dispositif expérimental et b- la répartition de la force normale en fonction de la position du cylindre en mouvement

29

La pression macroscopique de contact varie de 0 MPa à une extrémité du cylindre jusqu’à un maximum de plusieurs gigapascals à l’autre extrémité du cylindre (4,6 GPa dans le cadre de l’essai réalisé par Podgornik et al. [16]).

Le seuil de grippage est alors détecté à l’aide d’un unique essai. Le seuil de grippage est alors défini en fonction de l’emplacement du cylindre où le grippage est intervenu. Cet essai est donc parmi les plus rapides pour déterminer le seuil de grippage. L’étude de la sévérité du grippage est en revanche rendue difficile de par la faible surface de contact.

II.4. Essai sur tribomètre

Le seuil de grippage est le plus souvent déterminé en termes de pression à laquelle le grippage apparaît pour une distance parcourue fixée. Il est cependant possible de déterminer ce seuil de grippage en fixant la pression et en déterminant la distance à partir de laquelle le grippage intervient.

L’essai sur tribomètre utilise cette notion de distance avant apparition du grippage. Pour cet essai, le contact peut être soit ponctuel (contact bille-plan) soit surfacique (contact pion-plan).

Cet essai peut être réalisé pour un mouvement linéaire ou pour un mouvement rotatif. Un exemple de configuration bille-plan pour un mouvement rotatif est indiqué sur la Figure 17.

Figure 17 : Essai sur tribomètre rotatif entre une bille (fixe) et une piste en mouvement. La pression, la vitesse, le rayon de contact et la distance d’essais sont laissés au libre choix de l’utilisateur

Les conditions d’essai (vitesse de rotation, force normale, rayon et distance d’essai) sont quant

à elles laissées au libre choix de l’utilisateur. Lors de ces essais, du fait du nombre de cycles

généralement élevé, le suivi de l’apparition du grippage est généralement effectué par le suivi

du coefficient de frottement avec le temps. Le grippage est alors détecté par une brusque

augmentation du coefficient de frottement, qui devient généralement supérieur à 0,5 [16]. Tout

comme l’essai réalisé selon la norme ASTM G98, cette méthode est employée pour comparer

des couples de matériaux entre eux et non pour fournir une quantification précise du seuil de

grippage.

30

En conclusion, il existe plusieurs essais de grippage développés en vue de caractériser la résistance au grippage d’un couple de matériaux donné. Ces différents essais présentent divers avantages et inconvénients et doivent par conséquent être choisis en fonction de l’application souhaitée. Une synthèse des différents avantages et inconvénients de ces essais de grippage dans le cadre de l’étude réalisée au cours de cette thèse est présentée dans le Tableau 2.

Tableau 2 : Synthèse des avantages et inconvénients des différents essais de grippage présentés dans la littérature.

Pour pourvoir étudier le maximum de configurations possibles, la détermination du seuil de grippage se doit d’être peu couteuse en échantillons et en temps d’essai. L’essai selon la norme ASTM G196, nécessitant un nombre élevé de répétitions, a donc été écarté.

Pour étudier la sévérité du grippage, il est préférable d’analyser des zones de dimensions importantes. De ce fait, le contact plan-plan existant lors de l’essai ASTM G98 a été favorisé par rapport aux contacts ponctuels obtenus pour les autres essais de grippage présentés. Cet essai présente également l’avantage d’être utilisé et maitrisé depuis plusieurs années dans le laboratoire de tribologie du CETIM de Senlis, où sont réalisés les essais au cours de cette thèse.

Les essais selon la norme ASTM G98, présentent donc un bon compromis entre une

détermination rapide du seuil de grippage et une possibilité d’étude de la sévérité du grippage,

d’où la sélection de cet essai lors de cette thèse.

31

III. Paramètres influant sur le seuil de grippage

Dans le cadre d’utilisation de pièces mécaniques dans l’industrie, le grippage est considéré comme un phénomène néfaste qu’il faut impérativement éviter. Pour empêcher l’apparition de celui-ci, de nombreux travaux ont été réalisés dans la littérature. Le plus souvent, l’objectif est donc d’augmenter le seuil de grippage d’un couple de matériaux donné.

Certains facteurs affectant ce seuil de grippage sont bien connus dans la littérature. De manière générale, le seuil de grippage augmente lors de la diminution de l’aire de contact réelle entre ces matériaux [24]. Celle-ci est contrôlée principalement par :

 La force normale appliquée et la vitesse de glissement.

 La morphologie de la surface (rugosité, pics en surface…).

 Les propriétés mécaniques des matériaux en présence [25].

 la composition chimique des matériaux en présence [9].

Le seuil de grippage est également augmenté pour la majorité des matériaux possédant des structures complexes telles que les matériaux multiphasés et les solutions solides possédant une dispersion de phases dures (carbures, nitrures, siliciures) [26]. Bundinski et al. [13] indiquent que le comportement plastique est un des points fondamentaux contrôlant l’apparition du grippage. Une modification des conditions de contact peut donner lieu à une diminution de la tendance au grippage.

Pour éviter l’apparition de grippage pour un couple de matériau fixé, il est alors possible de :

 Diminuer la pression macroscopique de contact.

 Optimiser la rugosité de la surface. Le plus souvent, cette optimisation se résume par une diminution du Sa, bien que ce paramètre soit loin d’être suffisant.

 Ajouter des constituants à l’interface pour éviter le contact métal-métal. Ces constituants sont soit des lubrifiants, des oxydes, des revêtements [27],[28]…

 Modifier les propriétés mécaniques, chimiques ou microstructurales des matériaux en contact pour présenter une résistance au grippage améliorée.

Il existe donc plusieurs stratégies largement répandues dans l’industrie pour limiter l’apparition de grippage. Celles-ci se regroupent principalement en deux catégories.

La première, de loin la plus répandue, est de modifier les matériaux au niveau de l’interface de contact. On utilise par exemple des revêtements ou des traitements de surface.

La seconde est d’optimiser les propriétés à cœur des matériaux, en travaillant sur les propriétés

mécaniques, la microstructure, la composition chimique…

32

III.1. Influence de l’interface

Pour limiter l’apparition du grippage, la stratégie la plus répandue est d’optimiser l’interface entre les deux matériaux en contact. Pour cela, il est notamment possible de modifier la morphologie des matériaux (rugosité Sa, hauteur des pics…) ou de modifier les propriétés de la surface (revêtement, dépôt, traitement thermochimique de surface…). Dans certains cas plus anecdotiques, la température extérieure est également contrôlée.

III.1.a. Morphologie de surface

Le grippage est un phénomène localisé au niveau de la surface des matériaux en contact et initié au niveau des hétérogénéités (pics, particules dures, rayures…) de celle-ci. L’impact de la morphologie de la surface de ces matériaux avant essai de grippage est par conséquent important.

Choi et al. [29] indiquent que la rugosité Sa et le type de finition (tournage, rectification…) des surfaces en contact influent sur le seuil de grippage. De manière générale, une diminution de la rugosité Sa permet de diminuer la probabilité de transfert de matière et ainsi d’améliorer le seuil de grippage [29], [30]. En revanche, pour des rugosités trop faibles (Sa < 0,25 µm), le grippage est alors plus susceptible d’intervenir, probablement à cause de l’apparition d’une usure adhésive susceptible de créer des sites d’initiation du grippage [31].

En revanche, si une diminution de la rugosité Sa est favorable, une majorité d’auteurs semblent considérer que le seuil de grippage est principalement affecté par la répartition des pics et des vallées existant sur la surface du matériau avant sollicitation [7], [28].

En particulier, le rapport Rpk/Rvk (rapport entre hauteur moyenne des pics et profondeur moyenne des vallées, cf Annexes I.1) est suspecté d’affecter le seuil de grippage d’un couple de matériaux. Swanson et al. [32] proposent que si le rapport Rpk/Rvk avant essai de grippage est très supérieur à 1, un important transfert de matière est susceptible d’apparaitre et de donner lieu à du grippage.

Choi et al. [29] proposent également qu’une asymétrie négative du profil de la surface (Rsk négatif) augmente le seuil de grippage. Cette asymétrie négative indique que la surface présente en moyenne des vallées plus profondes que les pics et est donc complémentaire du rapport Rpk/Rvk précédemment décrit.

Le fait que le seuil de grippage soit augmenté à la fois par une diminution du rapport Rpk/Rvk et par un Rsk négatif indique que le seuil de grippage est augmenté lorsqu’il y a peu de pics de taille importante et de nombreuses vallées profondes. Les pics de taille importante agissent en tant que sites d’initiation du grippage et sont donc à éviter ; alors que les vallées permettent de stocker les troisièmes corps éventuellement produits.

De ce fait, pour limiter l’apparition du grippage il convient d’optimiser l’état de surface en favorisant la présence de vallées et/ou en limitant l’existence de pics [33].

Cela explique probablement pourquoi les échantillons grenaillés présentent un seuil de grippage

plus faible que les échantillons tournés ou rectifiés [33]. En effet, le grenaillage induit des pics

33

de dimension importante qui sont à l’origine de l’apparition du grippage. Au contraire, la texturation de la surface des échantillons par insertion de micro-creux est un exemple de stratégie permettant de limiter l’apparition du grippage [34].

III.1.b. Revêtements, dépôts

Outre les modifications de la morphologie de surface, il est possible d’améliorer le seuil de grippage d’un couple de matériaux en modifiant les propriétés des surfaces en contact. Il est généralement admis que tout moyen d’éviter le contact métal-métal, que ce soit par l’introduction d’oxydes, de couches minces ou de lubrifiants permet d’améliorer la résistance au grippage [27].

Par conséquent, les revêtements et dépôts sont très répandus dans l’industrie pour éviter les problématiques de grippage [35]. On utilise généralement des couches céramiques de dureté très élevée tels que du TiN, CrC ou WC. Les phases telles que le carbone hexagonal (h-C) [36], Diamond-Like Carbon (DLC) [37], [38] ou les nitrures de bore hexagonaux (h-BN) [39] sont également régulièrement utilisés.

En plus des dépôts de phases dures, des revêtements sont également effectués en utilisant des matériaux résistants au grippage. A titre d’exemple, des revêtements à base de cobalt, élément connu pour sa résistance au grippage élevée, sont souvent employés [11], [31], [40].

L’application de ces couches minces permet d’éviter le contact métal-métal, à l’origine du phénomène de grippage. Un inconvénient en revanche de ces procédés est le coût important du traitement ainsi que la possibilité de délamination ou de fissures des couches déposées, en particulier dans le cas de sollicitation haute vitesse ou à haute pression.

Cela explique donc pourquoi d’autre types de modifications surfaciques, tels que les traitements de surface, sont régulièrement utilisés dans l’industrie.

III.1.c. Traitements de surface

Les traitements mécaniques ont généralement pour objectif d’améliorer les propriétés mécaniques en extrême surface via l’augmentation des contraintes résiduelles et l’augmentation de la dureté par écrouissage (grenaillage, galetage, martelage, ondes de choc…). Ces traitements sont souvent utilisés pour améliorer la tenue à l’usure et/ou à la fatigue mais se révèlent inefficaces pour des problématiques de grippage.

Les traitements thermochimiques en revanche, et en particulier les traitements de cémentation, nitruration ou nitrocarburation, sont particulièrement efficaces pour augmenter le seuil de grippage. Ces traitements consistent à insérer dans la structure cristalline des atomes de faible dimension (carbone, azote…) en proche surface. Une des conséquences possible de ces traitements est la formation de carbures ou de nitrures. Ces traitements risquent de s’accompagner d’une perte de la tenue à la corrosion dans le cas d’aciers inoxydables du fait de l’appauvrissement en chrome par création de carbure de chrome.

Les traitements thermochimiques S

P, issus de la technologie Kolsterising® développés par la

société Bodycote, sont connus pour être particulièrement efficaces vis-à-vis de l’augmentation