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Le frottement et l’usure dans le cadre de la physique des
surfaces
André Marcelin
To cite this version:
LE FROTTEMENT ET L’USURE DANS LE CADRE DE LA
PHYSIQUE
DES SURFACES Par M. ANDRÉ MARCELIN.Docteur ès Sciences, Laboratoire Chimie
Physique.
Sommaire. 2014 Il est rarement traité du frottement dans les
revues scientifiques; de l’usure, il n’est
jamais question; le frottement et l’usure rentrent cependant dans le cadre de la Physique des surfaces car, si le frottement relatif de deux surfaces solides débute par un accrochage des aspérités, tandis que l’usure résulte d’abord de la décapitation de ces aspérités, le
phénomène
change rapidement d’aspectpour devenir un corps à corps à l’échelle moléculaire.
L’évolution dans le temps du frottement et de l’usure permet de qualifier les états de surface, d’apprécier la qualité des métaux de frottement et de déterminer les lubrifiants les mieux appropriés
aux diverses applications.
Il paraît logique d’admettre que l’ordre de grandeur du rayon d’action des champs de forces super-ficiels des métaux se confond avec l’épaisseur d’un stratofilm susceptible de neutraliser ces derniers au
point que
le
coefficient de frottement ait la même valeur, quels que soient les métaux sous-jacents. Cet ordre de grandeur est le millième de micron.LE
JOURNAL
DE
PHYSIQUE
ET
LE
RADIUM
PHYSIQUE
APPLIQUÉE
TOME 12. SUPPLÉMENT AU
OCTOBRE
1951.1. Les lois du frottement :
Le frottement sec et les trois
régimes
du frottement lubrifié.1. Le frottement sec. - On est tenté
d’attribuer
le frottement sec à
l’accrochage réciproque
desaspérités présentées
par les surfacesfrottantes;
cetteinterprétation
est valable audépart,
maisaprès
untemps
de fonctionnementgénéralement
court,
lesaspérités
ayant
étédécapitées,
le frotte-ment s’exerce suivant unplan (fige i)
surlequel
viennent affleurer les
aspérités
tronquées
appar-tenant auxdeux surfaces;
iln’y
aplus
alors
d’accro-chage,
et c’est dans des actions intermoléculairesque doit être cherchée la cause du
frottement;
tel
paraît
être du moins le cas leplus général;
il
s’ensuit
qu’il
semblepréférable
que les duretés des métaux enprésence
ne soient pastrop différentes,
de manière à ce que la
décapitation
desaspérités
puisse
se ,poursuivre
suivant les deuxsurfaces;
s’il en était autrement,c’est-à-dire
si l’un des métauxétait très dur
comparativement
àl’autre,
l’usure du métal mou sepoursuivrait
indéfiniment,
où tout au moinsjusqu’à
cequ’un
apport
de métalmou sur le métal dur ait nivelé la surface de ce
dernier,
cequi
modifierait les données duproblème,
Fig. 1.
Le frottement sec est
régi
par la loi deAmon-tons-Coulomb : ’
La force F
qu’il
faut vaincre pour que deuxpièces
frottantes entrent en mouvement relatif estégal
auproduit
du coefficient de frottementK,
par lacharge
Pqui
presse les deux surfaces frottantesl’une contre l’autre
Le frottement est donc
indépendant
de lasur-face de
portée
et de la vitesse relative.Il revient au même de dire que le frottement est
proportionnel
à l’étendue de la surface frottanteet à la
charge
unitaireLa surface s’élimine et l’on retrouve le
premier
énoncé.L’expérience
montre que la loi estexacte,
et non.pas seulement
approchée;
toutefois,
sonchamp
d’application
se trouvesingulièrement
réduit par cette condition restrictivequ’elle
n’estapplicable
qu’à
la condition que les surfaces frottantes restentinchangées,
c’est-à-direqu’il
n’y
ait ni déformationpermanente
ni usure. L’un des buts que nous nous sommesproposés
étaitprécisément
de rechercher,ce
qu’il
advientlorsqu’il
en est autrement.2. Le f rottement lubrifié. Le
régime
hydro-dynamique. -
Le frottement lubrifiépeut
sepoursuivre
dans troisrégimes
distincts,
régis
chacun par des loisqùi
leur sont propres.De ces trois
régimes, le
régime hydrodynamique,
régime
du frottementvisqueux,
est celuiqui
a faitl’objet
des études lesplus
anciennes :
l’arbrequi
tourne viteflotte
sur le filmliquide,
un peu à lamanière
d’un
aquaplane, porté
par lapression
qui
se
développe
dans le coin d’huilecompris
entre les surfaces de l’arbre et dupalier,
décentrées l’une parrapport
à l’autre sous l’action de lacharge.
Les théories bien connues de
Reynolds,
Gümbel,
etc.ne sont que
l’application
de la loi de Newton ausystème
arbre-palier
décentré etpermettent
de calculer lecouple
de frottement et le décentrementrelatif, compte
tenu de lalongueur
del’arbre,
deson
diamètre,
dujeu,
de la viscosité du lubrifiant et de la vitesse.La loi de
Newton,
appliquée
à une feuilleliquide
comprise
entre deux surfacesparallèles
glissant
l’une parrapport
àl’autre,
s’exprime
par la rela-tion :où F
désigne
la force defrottement,
V le coeffi-cient deviscosité,
S la surface suivantlaquelle
s’exerce le frottement et
dv
lerapport
de la vitessedh
relative
dv, à,
la distance dh des deux surfaces. L’usure est nulle dans lerégime hydrodynamique;
il
peut
cependant
en être autrementlorsqu’il
s’agit
d’une rotationrapide
et d’un lubrifiant trèsvisqueux;
lefrottement,
en dernièreanalyse,
consiste en effeten une traction
tangentielle qu’exerce
le lubrifiant sur les molécules ouparcelles
qui
occupent
lessurfaces des corps
solides
enprésence;
sL cettetraction est
supérieure
à la cohésion de cesmollé-cules ou
parcelles,
ilpeut
y avoir arrachement de cesdernières;
celapeut
seproduire
notammentdans le cas d’un métal antifriction de nature compo-site
présentant
peu decohésion,
ou dans le casd’un antifriction dont l’élévation de
température
aprovoqué
le ramollissement.Il
peut
aussiarriver,
enrégime
hydrodynamique,
que des contraintes résultant de mauvais
alignements
ou de vibrations d’un arbre
qui
ne « tourne pas rond »,apportent
desperturbations
enprovoquant
des
ruptures
du filmliquide,
susceptibles
d’entraîner des contacts solidesaccidentels;
dans ce cas, c’està ces contacts
qu’il convient
d’attribuer les usures,le
régime
hydrodynamique
proprement
dit étant hors de cause.3. Le
régime
du filmliquide
minimum.--Lorsque
l’arbre tournetrop
lentement(i
t :s)
pour ques’.exerce
encore laportée
hydrodynamique,
on
pourrait
s’attendre à cequ’il
vienne se poser sur lepalier.
.L’expérience
montrequ’il
n’en est rienet,
aucontraire,
que l’arbre resteporté
par unfilm
liquide
minimum,
sorte de coussinfluide,
qui
résiste à lacharge qui
devrait l’écraserjusqu’à
ce que cettecharge
dépasse
une certaine valeurcritique
(il
s’agit
d’un véritablepoint
physique)
pouvant
atteindre,
où mêmedépasser,
oo kg : cm2.
Notre microfilmomètre nous a
permis
demettre
directement en évidence ce coussin fluide et de
mesurer son
épaisseur
ainsi que sacharge
derupture
pour toutes sortes de lubrifiants. L’ordre de
grandeur
de
l’épaisseur
dufilm
liquide
minimum est lemicron,
mille fois
supérieur
à l’ordre degrandeur
des molé-cules intéressées.Lorsqu’on dépasse
lacharge
derupture
dufilm
liquide
minimum,
celui-ci cède tout d’un coup et les surfaces entrelesquelles
ils’intercàlait
viennenten
contact,
ouplus
exactement enpseudocontact,
puisque
subsistentalors,
fortement adhérentes auxsurfaces,
quelques
assisesmoléculaires,
leplus
sou-vent une
seule,
constituant lesstratofilms.
Nous pensons, sans donner cette
explication
pourcertaine,
quel’épaisseur
dufilm
liquide
minimummesure la
profondeur
de l’associationmoléculaire,
dont le tauxstatistique
est fonctionde
latempé-rature,
lorsque
cette associationprend
racine surles surfaces
métalliques.
Dans cettehypothèse,
lefrottement consisterait en un mouvement interne
au sein de l’association
moléculaire,
alors que lefrottement
visqueux
consisterait en un mouvementrelatif entre des associations de molécules.
Cette
interprétation expliquerait
que lefrotte-ment obéisse à des lois différentes dans le
régime
hydrodynamique
et dans lerégime
dufilm
liquide
minimum.
L’expérience
montre que l’usure est nulle dansle,
régime
dufilm liquide
minimumqui
est par nature lerégime
des vitesseslentes,
sans contact entreles surfaces et
pratiquement
sans frottement.4. Le
régime
des stratofilms. - Dans cerégime,
lacharge
ayant
été suffisante pour écraser lefilm
liquide
minimum,
le frottement s’exerce autravers de deux
glacis
de molécules solidementformés par une ou
plusieurs
couches monomolécu-laires(strato films
d’ordre 1, 2, 3,...).
Ce
régime régit,
parexemple,
le frottement d’unesphère
sur unplan,
en baind’huile,
même sousfaible
charge.
Nousignorons
si lestrato film épouse
lesaspérités
de la surface ousi,
aucontraire,
ilnivelle cette dernière à la manière d’un
verglas
sur une route(fig. 2).
Quoi qu’il
ensoit;
lerégime
dustratofilm primaire
estcomparable
au frottement sec, à cette diffé-renceprès
que la surfacemétallique
estremplacée
par une
couche
monomoléculaire du lubrifiant dontles
molécules,
par leur adhérence aumétal,
parti-cipent
en fait à l’état solide de cedernier;
toutefois,
le coefficient de frottement
lorsqu’il
y astratofilms
est très inférieur au coefficient de frottement à sec.
Hardy
et I.Doubléday
ont montré que la loi de Amontons-Coulombs’applique
encore dans ce cas, mais leursexpériences
portaient
sur le frottementrelatif d’une
sphère
et d’unplan
sous faiblecharge,
c’est-à-dire dans le cadre des conditions restrictives
Fig. 2.
mentionnées à propos du frottement sec, à savoir :
ni déformation ni usure des
pièces
frottantes;
leursexpériençes
étaient limitées à la mesureunique
dela force « de
décollage »
nécessairepour
amorcer leglissement;
dans ce cas encore, nous nous sommesproposé
d’étudier le frottement dans lerégime
desstratofilms,
non pas seulement audémarrage
mais enmarche,
et dans le cas où lescharges
sont assezélevées
pour
qu’il
y ait usure despièces
frottantes.M.
Woog
a mis en évidence le rôle des couchesmonomoléculaires de lubrifiant adhérentes aux
parois métalliques,
et a établi la distinction entre lefrottement
onctueuxqui
s’exerce entre les surfaces solideslorsque
le filmliquide
est écrasé et le frotte-mentvisqueux
réalisélorsqu’il
y afilm liquide;
peut-être
n’est-il pas inutile derappeler
que laviscosité est une
propriété
physique mesurable,
alors -que
l’onctuosité,
ainsi que le fait d’observerM.
Woog,
est unequalification qui englobe
un certainnombre de
propriétés
distinctes;
autrementdit,
que le « coefficient de viscosité » est uneréalité,
mais que ce serait un non sens que de
parler
d’un « coefficient d’onctuosité ».Le frottement dans le
régime
desstratofilms
estun frottement
onctueux ;
le motstrato film
suggère
lamultiplicité
des couches monomoléculairessuper-posées
àcompter
dustralofilm primaire
directement adhérent à la surface solide considérée.Le frottement et
l’usure,
à sec et dans lerégime
desstratofilms,
sont seuls étudiés dans ceMémoire,
à
l’exclusion,
parconséquent,
du frottement dans lerégime hydrodynamique
et dans lerégime
dufilm
liquide
minimum.I I. Le
frictiographe’
à mouvement alternatif.Le frottement sec, ainsi que le frottement lubrifié
dans le
régime
desstratofilms,
ont été étudiés àl’aide de notre
frictiographe
à mouvementalter-natif.
Si loin que soit
poussée
la finition de deux surfacesportant
l’une surl’autre,
le contact de deuxsur-faces, à
sec ou dans lerégime
desstratofilms,
n’est pas réalisable à l’échellemoléculaire;
lecontact,
sous faible
charge,
s’établit parquelques
points,
enprincipe
trois;
lorsque
lacharge
augmente,
chacun despoints
de contact devient unepetite
surface,
en même
temps
que le nombre de cespoints
aug-mente.
Nous
appelons
frottementélémentaire
le frotte-ment en un de cespoints
de contact.Le frottement
peut
donc être considéré commel’intégration
de frottements élémentaires et nous nous sommesproposé
de réaliser et d’étudier unfrottement élémentaire obtenu en faisant
porter,
comme l’avaient fait
Hardy
et I.Doubleday,
unesurface
sphérique
sur unplan.
Il va de soi que làoù une
charge
considérable serait nécessaire pourobtenir une
charge
unitaire élevée sur unegrande
étendue,
unecharge
dequelques
centaines degrammes suffit pour obtenir une
charge
unitaire élevée dans un frottement élémentaire. C’est ainsiqu’une charge
de- goo greprésente
gokg :
cm2 pour une surface de contact due, 1 mm2 et atteint’36o
kg :
:CM2 pour uné surface de contactégale
auquart
d’un millimètre carré.Nous avons bientôt reconnu
qu’il
était difficiled’obtenir des surfaces
planes identiques
dont la finition soitsusceptible
d’être exactementdécrite;
nous avons alors substitué aux
plans,
les surfacescylindriques
d’arbres en acier dont les modes de finitionpouvaient
êtredéfinis,
le frottements’exer-çant
suivant unegénératrice
de cesarbres;
àpartir
du moment où nous avons fait cettesubstitution,
les écartsexpérimentaux
’se sont trouvés réduits dans une forteproportion.
Les
pièces
frottantes que nous utilisons onttoujours
été,
d’unepart,
des arbrescylindriques
enacier de
34
mm de diamètre et de 80 mm delongueur
évidés sur toute leur
longueur,
et d’autrepart,
des molettes de 15 mm de diamètre àprofil
circulaire mesurant 5 mm de rayon de courbure.Nos
expériences
antérieures nousayant
appris
que les conditions favorables à la stabilisation du
frottement lubrifié dans le
régime
desstratofilms
étaient : unecharge
élevée,
des vitesseslentes,
avec des arrêts et desdéparts fréquents,
nous avonsréalisé ces conditions dans une machine à
moùve-ment alternatif dans
laquelle
lafréquence
desson axe soit
parallèle
à l’axe de l’arbre(fig.
3);
une rotation de l’arbre et de la molette dequelques
degrés,
autour de leurs axesrespectifs,
suivie d’unblocage
de cespièces
dans une nouvelleposition,
permet
de réaliser un contact neuf au début dechaque expérience,
et ainsi d’utiliser un même arbreet une même molette un
grand
nombre de fois. En mêmetemps
que le frottement sepoursuivra
et que nous suivrons son
évolution,
une facetted’usure
apparaîtra
sur la molette(nous
lasupposons
en métal mou et nous supposons l’arbre en métaldur);
nous mesurerons sa surface en find’expé-rience
après
un nombre connu d’alternances. La surface de lamolette,
la surface ducylindre
et lestratofilm interposé
forment untriplet.
Deuxdes trois
paramètres
intervenant dans letriplet
étant maintenusinvariables,
il sera aisé d’étudierle rôle du troisième
paramètre;
c’est.ainsi que nous avons pu étudier le frottement etl’usure,
à sec ou en baind’huile,
et mettre en évidence : le rôle deslubrifiants
(nature
etviscosité),
le rôle des métaux defrottement,
et .enfin le rôle de la finition des surfaces des métaux durs.L’appareil
(fig.
3,
4
et5)
consiste essentiellementen une boîte dont le corps
principal
(1)
contientl’arbre
(2)
immobilisé entre deuxpièces
coniques
et dont le couvercle(3),
nonjointif
et, nonportant,
sert de
support
à la molette(4).
- Le couvercle est animé d’un mouvement
alter-natif
(amplitude
6 cm, vitesse deux allers et retoursFig. 3.
par
seconde)
par un moteur(5)
et unembiellage
approprié.
- Le
corps de la boîte repose sur deux rouleaux
montés sur billes et transmet les réactions du
frot-tement,
par l’intermédiaire de deuxjoints
flexibles,
à un bras de levier dont l’axe est calé sur une barre de torsion
(6);
ce bras de levieramplifie
la réactiondu frottement et commande
l’inscription
de cettedernière par l’intermédiaire d’un
stylographe
àpointe (7)
qui
porte
sur une bande depapier
àsténo-typie qui
défile à une vitesse uniforme.Les rouleaux à billes sur
lesquels reposent
lecadre
(8) qui
supporte
le couvercle(3)
et le corps de boîte(1),
portent
surdes
chemins de roulementtaillés en forme de
V,
cequi
assure desdéplacements
rigoureusement rectilignes,
sansdéports
latérauxde ces deux organes.
La
charge
(9)
estappliquée,
àl’aplomb
de lamolette,
sur le couvercle(3).
Le corps de boîte
(1)
peut
êtrerempli
d’unliquide
quelconque,
cequi
permet,
parexemple,
de travailleren bain d’huile ou en bain
d’eau;
latempérature
peut
êtreélevée
jusque
vers950
au moyen d’unerésistance
électrique
(résistance
d’un fer àrepasser)
noyée
dansl’épaisseur
du fond de laboîte)..
Uncompteur automatique
à contact de mercure,non
représenté
sur leschéma,
permet
destopper
automatiquement
lefrictiographe
auprès-
36o
alter-nances
complètes.
La sensibilité de
l’appareil
estréglable
parallon-gement
ou rétrécissement de lalongueur
de la barrede torsion. La vitesse de déroulement de la bande
de
papier
estégalement
réglable
au moyen d’unsystème comportant
ungalet
de caoutchoucrou-lant sur un
disque
sablé.Un
système
amortisseurcomportant
unepalette
immergée
dans une cuvepleine
d’huile(10)
permet
d’amortir les oscillations du
corps
de boîte et dedonner à l’amortissement sa valeur
critique.
, Les
enregistrements
ou
frictiogrammes
seAprès
un certaintemps
defrottement,
apparaît .
sur la molette une facetteapproximativement
.
Fig. 4.
Fig. 5.
elliptique
dont lasurface,
exprimée
en millimètres carrés servira de mesure à l’usure. .A titre
d’exemple
sontprésentées
deux séries defrictiogrammes
(fig.
6) qui
serapportent
l’une aufrottement sec, mettant en évidence
l’augmenta-tion du frottement au fur et à mesure que
l’expé-rience se
poursuit,
l’autre au frottementlubrifié,
mettant en évidence la diminution du frottement au
fur
et à mesure quel’expérience
sepoursuit,
toutes choseségales
dans l’une et l’autreexpérience.
Cesaspects
du frottement sec et du frottement lubrifiéont un caractère
général.
III.
Évolution
du frottement et de l’usure à sec.Le schéma du frottement sec
est,
enprincipe,
très
simple (fig. 7);
les deux surfacesfrottants,
dèsqu’elles
sontnivelées,
peuvent
être considéréescomme liées l’une à l’autre par un nombre immense de chaînes moléculaires
identiques,
et le mouvement relatif des surfacesimplique
nécessairement larupture
de ces chaînes en leurpoint
leplus
faible;
cette chaîne
comporte :
10 Une liaison entre la molécule ou
parcelle
appartenant
ausolide A,
et les molécules oupar-celles
voisines;
20 Une liaison entre la molécule, ou
parcelle a
et la molécule ouparcelle b
appartenant
au solideB;
30 Une liaison entre la molécule ou
parcelle b
et les molécules ou
parcelles
voisinesappartenant
au solide B.
Si la
rupture
de la chaîne se fait au niveau1,
il ya arrachement de la molécule ou
parcelle
a,qui
reste adhérente au solideB;
si elle se fait au niveau3,
la molécule ou
parcelle b
vient adhérer au solideA;
Fig. 7.
il est évident que le
transport
des molécules oupar-celles
appartenant
au corps A sur le corpsB,
a poureffet de modifier la surface de B
et,
parsuite,
demodi-fier les conditions de frottement
qui
devient unfrotte-ment
AA;
il en est demême
s’il y atransport
demolé-cules ou
parcelles
de B surA,
auquel
cas le frottementdevient un frottement BB. L’autosoudure
et,
parsuite,
le
grippage
relatif de deux surfaces devenues A et Aou B et B est à
prévoir.
La soudurea, b
au niveau 2entraîne
également
legrippage.-
Uneégale
résistancedes liaisons 1 et
3,
toutes deux inférieures à la résis-tance de la liaison2,
peut
donner lieu à unarra-chement de métal et à la formation d’un
dépôt
pulvérulent.
Un métalqui
seprête
sans y opposer unetrop
grande
résistance à l’arrachementuni-taire des
parcelles
ou moléculesqui
occupent
sasurface,
s’use sansqu’il
y aitgrippage;
cela semble être le cas des métaux dits « antifrictions ». Cesdifférents
aspects :
frottement sec sans usure;frottement sec avec usure, mais sans
grippage;
transports
métalliques
de A sur B ou de B sur A(on
a souvent observé destransports
de bronzesur la surface
d’un
arbre enacier);
grippage;
forma-tion de
dépôts pulvérulents,
ont tous été observés.Une élévation de la
température
résultant de la chaleurdégagée
par lefrottement
sembleinter-venir en
favorisant,
soit legrippage,
soitl’arrache-ment unitaire des molécules ou
parcelles
super-ficielles par suite d’une fusion locale des métaux de frottement.
Remarquons
que lecouple
de métaux frottantsse trouve
placé
dans uneatmosphère
gazeuse, l’air engénéral,
et quel’oxydation
des surfacesfrot-tantes
qui
se renouvellent au fur et à mesure quel’usure se
poursuit,
modifie nécessairement lesconditions du frottement. Ainsi
qu’on va
levoir,
c d
Fig.
8.l’évolution du frottement et de-l’usure de métaux
différents frottant sur des arbres semblables sont
pratiquement
imprévisibles,
maiscaractéristiques
de chacun descouples
de métaux étudié.Nous avons étudié un
alliage
antifrictionclas-sique, désigné
E2
decomposition Cu10 Sb10
et Sncet
alliage (fig.
8a,b,
cet d)
et nousprésentons
les courbesreprésentant
l’évolution du coefficients de frottement et de la facetted’usure,
à sec, en fonc-tion de lacharge appliquée
sur la molette et du nombre d’alternances. L’arbre était en aciernickel-chrome demi-dur. Nous ne
portons
sur nosgraphiques
que les
points expérimentaux,
et nous lesjoignons
par des traits
rectilignes.
Cequi frappe
d’abord,
c’est la coïncidence presque
parfaite
des- coefficientsde frottement au
départ,
pourE2,
etplus parfaite
encore pour les trois constituants de
l’alliage.
Ils ont pour valeurs
respectives :
deo,4
ào,5
pourl’alliage E2,
o,5
pour lecuivre, o,4
pour l’antimoine et 0,7 pour l’étain. La loi de Amontons-Coulombs’applique
doncparfaitement
audépart;
elle ne. s’applique plus ensuite,puisque
les courbesdivergent :
pourl’alliage
E2,
le coefficient defrottement,
partant
de
o,4
ào,5,
croît en fonction du nombred’alter-nances, mais tend
vérs
une valeur limite de l’ordrede o,g atteinte
après
720 alternances. Ce résultat est trèsimportant
car il démontre quel’alliage
antifriction,
à sec, nepeut
pas donner lieu à unblocage;
le classement des ordonnées des trois, courbes ne. suit pas le classement des
charges.
L’évolution de la
facette
d’usure sepoursuit
’sui-vant une loi
approximativement
linéairequi
nesemble pas être liée à l’évolution du coefficient de frottement. Les coefficients
angulaires
des droitesreprésentatives
due, l’usure se classent dans le même ordre que lescharges
appliquées.
Les courbes relatives au constituant cuivre pur
permettent
une observation intéressante : alors quele coefficient de frottement
paraît
indépendant
de lacharge, lorsqu’elle
celle-ci reste.inférieure
à 600 g,on obtient presque instantanément le
grippage
sous goo g; il y adonc,
avec le cuivre pur, unecharge
critique
à. ne pasdépasser;
au-dessous de cettecharge,
le cuivre secomporte
bien.Avec
l’antimoine,
laconvergence
descourbes,
au
départ,
estremarquable,
mais le coefficient de frottement s’élève sansinterruption
au fur et à mesure quel’expérience
sepoursuit,
sansqu’une
limite ait été atteinte.
Avec
l’étain,
la convergence des’courbes,
audépart,
estégalement
remarquable,
mais le coeffi-ciènt de frottement atteint une vaeur limiteaprès
36o alternances
et,
par lasuite,
conserve cettevaleur;
c’est sans doute ce caractèrequi réapparaît
dans
l’alliage
E2.
L’usure avec l’étain pur est élevée. Uneétude
détaillée de l’évolution de l’usure durant lespremières
alternances a donné des résultatsinattendus
(1) :
Partant pour
chaque
nouvelleexpérience
d’un contactneuf,
on s’estproposé
de mesurer lessur-faces des
facettes
d’usure,
non pas commeprécé-(1) Cette étude a été faite sous ma direction, par MM. Bodin, Bry et Cardinal, élèves ingénieurs à l’École Supérieure de
l’Armement.
demment
après
360alternances,
maisaprès
uneseule
alterhance, puis après
2,5, 10,
20, 3o et 60alternances.
Cesexpériences
ont été faites avec une molette de bronze frottant sur un arbre en acierà roulement
trempé
très dur. Les résultats sontreptésentés
par des courbes( fig. g).
Il est
remarquable,
sous 3oo g decharge
parexemple,
qu’une
usureégale-
aux deux tiers de cellequi
seraobtenue
après
6o alternances se trouvedéjà
réaliséeaprès
une seule alternance.Sous 30o g de
charge,
on remarque :io Une usure presque instantanée obtenue
après
une seule alternance(facette o,84) ;
20 Une
progression
rapide
de l’usurejusqu’à
10 alternances
(facette 1,10) ;
30 Une
progression plus
lentejusqu’à
60alter-Fig. 9.
nances
(facette 1,20),
l’usureparaissant
alors tendre vers la saturation.Sous 600 g de
charge :
10 Une usure presque instantânée
après
unealternance
(facette i,o3);
20 Une
progression
rapide
de i à 20 alternances(facette i,45);
30 Une
progression
lente de i à 60 alternances(facette 1,60)..
Sous goo g de
chargé
ion Une usure presque instantanée
après
unealternance
(facette 1,2 3);
20 Une usure
progressive
de i à 3o altérnances(facette z,84);
30 Une
progression
rapide
de l’usure de 3o à 60 alternances(facette 2,50); parallèlement
à cetteprogression
del’usure,
on a noté uneaggravation,
du frottement; le
grippage
étaitproche;
lacharge
de goo g étaitdonc,
dans les conditions del’expé-rience,
unecharge
critique
à ne pasdépasser.
Cette notion de
charge
critique
dans lef rottement
IV.
Évolution
du frottementet de l’usure en bain
d’huile,
dans lerégime
des stratofilms.Le schéma du frottement lubrifié dans le
régime
des
stratofilms
est en apparenceplus
compliqué
quecelui du frottement sec,
puisqu’il
fait intervenir leFig. 1 o.
facteur lubrifiant
(fige 10);
en réalité il estplus
simple,
et cela pour deux raisons :La
première
est l’absence du facteur «atmosphère
gazeuse )) dont le rôle était mal défini dans le
frotte-ment sec;
La seconde est
que le
schéma -ne laisseprévoir
aucune
possibilité
detransfert
de matière de l’unà,
l’autre des’ deux métaux
f rottants;
l’expérience
leconfirme et
c’est là unf aif
essentiel.Comme dans le cas
du
frottement sec, les deux surfaces frottântespeuvent
être considérées commereliées l’une à l’autre par un nombre immense de ’ chaînes moléculaires
identiques,
et le mouvementrelatif
des surfacesimplique
nécessairement,
commedans le cas du frottement sec, la
rupture
de ceschaînes en leur
point
leplus
faible.La chaîne élémentaire
comporte :
.io Une liaison entre la
parcelle
ou molécule aappartenant
au solide A et les molécules oupar-celles
voisines;
2° ’Une liaison entre la molécule a et une
molé-cule du lubrifiant
L;
30 Une liaison entre deux molécules L
qui
sefont
vis-à-vis;
40
Uneliaison
entre une molécule L et lamolé-cule ou
parcelle b
appartenant
au corpsB;
5° Une liaison entre la molécule ou
parcelle b
appartenant
au corpsB,
et lesmolécules
oupar-celles voisines.
Si la
rupture
des chaînes se fait au niveau2,
3ou 4
(la
rupture
en 3est
la plus
probable) :
il y aglissement
sans usure.Si la
rupture
se fait au niveau1,
il y a arrache- ,ment de métal
A;
si elle se fait au niveau5,
il y aarrachement de métal
B;
dans les deuxcas, il
y ausure par
dispersion
de la matière A ou de lamatièreB,
mais sanstransfert
de matière de A vers B ou de Bvers
A ;
ainsis’explique
que la matière arrachée resteen
suspension
dans l’huile.L’impossibilité
du
transfert de matière de l’une à l’autre des surfaces limitant les surfaces solides des corps frottants est le caractère fondamentaldu frottement lubrifié dans le
régime
des’strato-films.
Il en résulte que si la finition du métal dur n’estpas
parfaite,
l’usure du métal mou par lesaspérités
du métal dur
(ce
que l’onpourrait
appeler
l’effet delimage)
sepoursuivra
indéfinimentpuisque
l’onne pourra pas
compter
sur unapport
du métal moupour venir niveler la surface du métal.
dur;
ainsis’expliquent
lesavantages
de lasuperfinition.
Il en résulteégalement,
si la finition du métal dur ne doit pas êtretrès
poussée,
que l’on doit faireen sorte que les duretés du métal dur et du métal
Fig. Il l a, b, c, d.
mou ne soient pas
trop
différentes,
de manière àce que la
décapitation
desaspérités
puisse
êtreobtenue presque simultanément sur
les deux
sur-faces,
auquel
cas l’usure ne sepoursuivra plus
ulté-rieurement que, lentement.Nous avons
repris
lescouples
de métaux que nousavions étudiés à sec; à
savoir,
frottant en bain,d’huile sur un arbre en acier nickel-chromedemi-dur,
des molettes en
alliage
E2
decomposition :
Cu1oSb10Sn
solde,
ainsi que des molettes de chacun des trois métaux constituantspris
isolément ; Cu,
Sb et Sn. Le bain d’huile était constitué par une huile miné-raledemi-fluide,
dénommée4,5
de viscosité 200 C. S.( fig.
11 a,b,
c etd).
Plusieurs remarques
s’imposent
à notre attentionlorsque
nous examinons les courbes obtenues : 10 Audépart,
onpeut
enpremière
approxima-tion admettre que la loi de Amontons-Coulomb se
indé-pendant
de lacharge; toutefois,
la vérification est moinsprécise
qu’en
frottement sec;20 Au
départ
encore, les coefficients de frotte-ment, pourl’alliage
E2
et pour ses troisconsti-tuants, ont des valeurs très voisines
comprises
entre o, 2 eto,3
(leurs
valeurs à sec, toutes choseségales
s’échelonnaient entreo,4
et0,7);
cecis’explique
puisque,
dans lesquatre
cas, le frottement s’exerceentre les
stratofilms
recouvrant lessurfaces;
cette remarquefaite,
il estremarquable
que le coefficient de frottement pour le cuivre soit voisin deo,3,
etqu’il
soit voisin de o,2 pour l’étain etl’antimoine;
ilfaut
en conclureque le
métal n’est pas neutralisécomplètement
par lestrato film
et,
parsuite,
que lechamp
deforce
des moléculesoccupant
lessurfaces
des métaux exerce son action au travers d’unstratofilms
dontl’épaisseur
est de l’ordré du millième demicron;
30 Les courbes relatives àl’alliage E2
et aux trois constituantsqui présentaient
les unes parrapport
aux autres, à sec, desaspects
trèsdifférents,
ont ici desaspects
similaires :Un abaissement du coefficient de frottement durant les
premières
alternances(contre
une élévation enfrottement
sec)
est suivipar
une stabilisation de cecoefficient;
Toutefois,
celui-ci n’est pasindépendant
de lacharge; précisons qu’au
fur et à mesure que l’usure sepoursuit
et que, parconséquent,
la surface de contactaugmente,
le coefficient de frottement resteinvariable,
cequi
est conforme à la loi de Amontons-Coulombqui prévoit
que le coefficient de frottement estindépendant
de la surface decontact;
que parcontre, le coefficient de frottement diminue
lorsque
lacharge
augmente
(nous
disons bien coefficient defrotte-F
ment FP,
Pdésignant
lacharge,
et non pas lefrotte-ment
qui,
lui,
augmente
avec lacharge),
alors quela loi de Amontons-Coulomb
imposerait
que le coefficient defrottement
soitindépendant
de lacharge;
40
L’usure,
importante
durant les 36opremières
alternances,
semble sepoursuivre
lentement sui-vant une loilinéaire;
elle est d’autantplus
accentuéeque-la charge
est élevée(il
y aura lieu de continuerl’expérimentation
au delàde 1 6Qo
alternances);
elledépend
de la nature du métal. de la molette : elle est très faible pour le cuivre et trèsélevéè
pourl’étain;
5° Aucune des courbesprésentées
ne révèle de tendance augrippage;
cette observationpeut
êtreextra-polée,
et l’onpeut
affirmer qu’un
grippage
esttoujours
le résultat d’un manqued’huile,
quelle qu’en
soit lacause
(ne
pas confondre legrippage
avec leser-rage d’un
piston
dans uncylindre,
parexemple,
dû à des dilatations
inégales
de ces deuxorganes).
L’absence de
grippage
dans lerégime
desstrato-films
résulte del’impossibilité, lorsqu’il
y ainter-position
destratofilms,
que la matière setransporte
de l’une à l’autre des surfaces frottantes.
60 La
régularité
des résultats obtenus en baind’huile conduit à penser que c’est
plus
particulière-ment en bain ,d’huile
qu’il
conviendra dequalifier
les états des surfaces par le frottement.En ce
qui
concerne les métaux de frottement,ils devront être étudiés à sec,
puis
en baind’huile,
car il est utilé de connaître leurcomportement
lorsque
l’huile vient à manquer, soitqu’il
s’agisse
d’une causepermanente,
soitqu’il
s’agisse
d’une ,cause accidentelle.
V.
Applications.
Présentation réduite. Nous avons fait remarquer que le lubrifiantconstituant le
stratofilms,
le métal surlequel
s’exercele frottement
(l’arbre
cylindrique)
et
le métal de frottement(la molette),
forment untriplet;
nousavons fait varier
séparément
chacun des termes dutriplet
de manière à mettre en évidence : le rôle des différentstypes
de lubrifiants dans lerégime
desstrato fitms,
le- rôle des états de surfaces des arbressur
lesquels
s’exerce le frottement(en
baind’huile)
et le rôle des métaux de frottement formant les molettes
(à
sec et en baind’huile).
Il n’était pas
possible,
si instructif quepuisse
être leur examen, de
présenter
toutes les courbesreprésentant
les évolutions du frottementet
de l’usure dans les divers casétudiés,
aussi avons nousadopté
un autre mode dereprésentation.
Les résultats vont être réunis dans des tableaux
où
apparaissent
sur une mêmeligne
horizontaleet pour
chaque expérience,
enregard
de la variable :nàture du métal frottant ou nature du
lubrifiant,
ou état de surface de
l’arbre
et,
pour chacunedes
troischarges adoptées (30,0,
600 et goog),
d’unepart,
comptées
àpartir de ’0,
les valeurs des coeffi-cients de frottement audépart (signe X),
au milieude
l’expérience
(signé :)
et en find’expériences
(signe I) ;
selon les cas, lesexpériences
ont étépoussées
jusqu’à
360,
720 ou1440
alternances. D’autrepart,
l’évolution de la surface de la facette
d’usure,
dont la valeurexprimée
en millimètres carrés estégale-ment
comptée
àpartir
de o, au milieu del’expé-rience
(signe :)
et en find’expérience (signe
1).
Nous avons fait en sorte que les tableaux se
rapportant
à un mêmeobjet,
soit en frottement secsoit en frottement
lubrifié,
aient la mêmeprésenta-tion,
demanière
à faciliter lescomparaisons.
Chacun dessignes
x, :et
portés
dans les tableauxreprésente
la moyenne de trois àcinq
résultatsexpérimentaux.
-, VI. Première variable : le lubrifiant.
1. Divers lubrifiants. - Les invariants dans
ces
expériences
étaient : la molette de frottementen
alliage E2.
Composition,
Culo, Sb10’
Snsolde;
pour
160-170
kg :
mm:!; lacharge
sur lamolette,
0,600
kg;
le nombred’alternances,
720.Nous
présentons
(tableau I)
les résultats obtenus. avec
quatre
huiles minérales classées par ordre deviscosités
croissantes,
avec l’huile decolza,
avecl’huile de
ricin,
et enfin avec l’essence minérale.L’examen de ce tableau
suggère
les observations suivantes :Le coefficient de
frottement,
audépart,
estprati-quement
lemême
avec lesquatre
lubrifiantsminé-raux
(environ
o,3);
il diminue en find’expérience
dans le cas des huiles fluides
V2
etVâ
(0,2);
il est restépratiquement inchangé
dans le cas de l’huiledemi-fluide
Vl o,
et il aaugmenté
dans le cas del’huile minérale la
plus épaisse V 20
(o,4);
cetteaugmentation,
de même quel’augmentation
du coefficient de frottement en coursd’expérience
signalée plus
loin à propos des huilesvégétales,
semblepouvoir
être attribuée à la tendanceplus
marquée
des huiles minéralesvisqueuses
et des huilesvégétales
à former desproduits
d’altérationqui
adhèrent aux surfaces etaggravent
le frotte-ment.Quant
àl’usure,
elle apratiquement
la même valeur dans lesquatre
cas, d’où cette conclusion :la viscosité n’a pas
d’importance
lorsque
lalubrifi-cation doit se
faire
dans lerégime
des stratofilms(pistons, pieds
debielles,
roulements àbilles,
etc.).
On saitqu’au
contraire la viscosité est favorable à l’entretien durégime hydrodynamique (paliers lisses).
TABLEAU I.Colza et ricin
donnent,
audépart,
des coefficients de frottement moitié moins élevés que ceux quel’on obtient avec les huiles minérales
(0,15),
maisles usures sont du même ordre de
grandeur
que cellesobtenues
avec les huilesminérales,
légèrement
inférieures
cependant.
L’essence se
comporte
un peu moins bien que les huiles minérales : coefficient de frottemento,35;
usure
o,58
contreo,4,
avecV5,
V10
etV21;
onpeut
donc la considérer comme un lubrifiant
déjà
satis-faisant dans le
régime
desstrato films.
2.
Mélange
enproportions
variables d’huileet d’essence. - Nous
présentons
(tableau II)
les résultats obtenus avec des
mélanges
enpropor-tions variables d’essence minérale et d’huile miné-rale
V10.
Il estremarquable
que les écarts entre lescoefficients de frottement au
départ
et en find’expé-rience soient
plus
accentués dans le cas desmélanges
que dans le cas des
produits purs,,huile
ou essence;les résultats obtenus
présentent
unedispersion qui
s’est manifestée à
chaque
fois que nous avons refaitdes
expériences
portant
sur de telsmélanges,
cequi
sembleraitindiquer
qu’une
certaine anarchiese manifesterait alors dans la manière dont
s’orga-nisent les
stratofilms,;
on semble gagner en fin decompte,
mais laproportion
d’huile dans l’essencedevrait atteindre au moins 20 pour 100 pour que le
gain
futnotable;
en cequi
concernel’usure,
ungain
ne semble se manifesterqu’à partir
d’unepro-portio7n
de 60 pour ioo d’huile dans l’essence.On
peut
tirer de cesexpériences
deux conclusions :La
première
estqu’il
est sansinconvénient,
dupoint
de vue des organesgraissés
dans lerégime
des
strato films
(pieds
debielles,
pistons),
demélanger
del’essence à
l’huile comme cela sepratique
dansl’aviation,
audépart;
La seconde est
qu’il
est sans intérêt demélanger
de l’huile à l’essence pour
graisser
les têtes de bielles montées sur rouleaux des moteurs à deuxtemps;
il ne faudrait pas allerjusqu’à
conclurequ’il
estégalement
sans intérêt demélanger
de l’huile à l’essence pour lubrifier le frottementpiston-cylindre
de cesmoteurs;
l’extrême division dumélange
huile-essence,
lors dutemps
d’aspiration,
permet
vraisemblablement la libération de molécules d’huile
pure
qui,
sélectivement,
viennenttapisser
lesparois;
il semblequ’un
mélange
à4
pour 100 d’huile suffise3.
Mélanges
enproportions
variables d’unehuile minérale et d’une huile
végétale.
-- Nousprésentons
(tableau III)
les résultats obtenus avecdes huiles «
compoundées
» obtenues enmélangeant,
à l’huile minérale
Vj,
de l’huile de colza dans desproportions
variablescomprises
entre o et 5 pour i oo.Le résultat de ces
expériences
estnégatif,
tant aupoint
de vue usurequ’au point
de vuefrottement,
TABLEAU II.
Mélanges
essence
et huile V 10et aucun des
mélanges
ne serapproche
despro-priétés
du colza pur; contrairement à ce que l’onpourrait
attendre,
c’est
ici l’huile minéralequi
semble
imposer
sespropriétés.
Ce
résultat semble en contradiction avec ce quel’on savait des
mélanges
d’huilesvégétales
et d’huiles minérales pourlesquels
les observations faites àl’aide des rayons X ont montré que les huiles
végé-tales,
ditespolaires,
viennent sélectivement s’adsorbersur les surfaces en formant des strates
superposés;
il faut en conclure que ces constructions stratifiéesqui
prennent
naissance dans desliquides
en repossont
fragiles, qu’elles
ne résistent pas aumouve-ment ni aux efforts de cisaillement et
qu’une image
de la lubrificationreprésentant
des feuilletsplats
glissant
les uns sur les autres necorrespond
pas à laréalité.
VII. Deuxième variable :
État
de surface de 1’arbre.. 1. Influence des états de surface. - On a
comparé
en frottement lubrifié(tableau
IV)
desarbres semblables
ayant
faitl’objet
de finitionsdifférentes.
Les invariants ont été : la nature de la molette en bronze au
plomb;
lacharge,
o, 60okg;
le nombre des alternances limité à
360;
le métalde
l’arbre,
aciernickel-chrome
demi-dur traité pour160-170
kg :
mm .Le lubrifiant était une huile minérale
V2
(visco-sité 70 centistokes à la
température
desexpériences).
L’amélioration
progressive
du coefficient de frot-tement audépart,
au fur et à mesure que la finitions’améliore,
est trèsnette;
le. coefficient defrotte-TABLEAU III.
Mélanges colza et huile U5
ment,
dans tous lescas,.s’abaisse
au fur et à mesureque les
expériences
sepoursuivent
et tend vers unemême valeur
limite;
c’est donc audépart
ét enbain d’huile
que
les états de surface sont le mieux différenciés.La classification par les usures des molettes est
également
très nette; la mesure descoefficients
deirottement
et des usures en bain d’huileparaît
êtreun bon moyen pour caractériser les états de
surface.
2. Le
poli
électrolytique. C
On sait que lepoli
électrolytique
consiste en une sorte depelage
dessurfaces,
etqu’on
peut
le caractériser parl’épais-seur moyenne de la couche de matière
