Approches quantitatives de l’usure et loi d’usure

Comportement de l’interface dans un contact thermomécanique: Les causes de l’usure dans un contact thermomécanique sont extrêmement variées et dépendent d’un ensemble complexe de paramètres. Les conditions de sollicitations mécaniques, thermiques et environnementales influent sur la prépondérance d’un mécanisme d’usure ainsi que sur la rigidité et la ténacité des surfaces frottées. Par définition, la surface d’un corps est le lieu des points de contact de ce corps avec le milieu environnant. Elle correspond donc à une discontinuité dans l’aménagement périodique des atomes de celui-ci. En surface, le nombre de plus proches voisins est différent de ce qu’il est en volume. On parle aussi d’interface solide-gaz, solide-liquide, solide-solide. La notion d’état de surface comprend :  L’état physico-chimique (nature, structure, texture des couches superficielles).  L’état géométrique (ensemble des écarts géométriques de la surface réelle par rapport à la surface géométrique idéale). 

Loi d’usure

L’usure est influencée par un nombre élevé de facteurs et son évaluation conduit souvent à des résultats dispersés. La comparaison des résultats de l’usure obtenus avec différents paramètres est difficile de la comparée avec une référence. La résolution des problèmes frottement usure ne repose que sur des lois générales, souvent empiriques. Selon Kapsa[ ], les résultats d’expériences sont difficilement extrapolables d’une situation à une autre. Mais la possession de lois d’usure aide à prédire le comportement et la durée de vie d’un système. Plusieurs de ces équations sont fondées sur l’hypothèse qu’une propriété conventionnelle des matériaux. Le module de Young E, ou la dureté H, sera importante dans le processus d’évaluation de l’usure. La compréhension et la formalisation de l’usure par abrasion de surfaces en frottement, a fait l’objet de nombreux travaux depuis une cinquantaine d’années. Archard en particulier, a beaucoup travaillé sur l’usure non lubrifiée des métaux et a développé une loi d’usure appréciable dans de nombreuses situations[77,78]. Archard a établi expérimentalement une relation (loi macroscopique d’usure) permettant d’estimer pour un contact pion/disque Fig.(ІІ-2.2), le volume de matière usée dans le cas d’un contact glissant à vitesse constante et pour des matériaux de duretés très différentes. A partir de cela, il a mesuré différentes usures de matériaux frottant à sec [70]. Il a considéré l’usure d’un frotteur rugueux contre un plan rugueux, en adoptant l’hypothèse suivante :  L’amplitude des rugosités ne varie pas pendant le processus.  L’aire réelle de contact reste toujours la même. La loi d’usure établie par Archard pour déterminer le volume usé : V = K.F.S (І-1.8) V : volume usé en (mm3 ), K : coefficient d’usure (mm2 /N), FN : la charge normale appliquée au contact (N), S : distance parcourue en (mm). C’est la formulation classique de la loi d’Archard, elle traduit la proportionnalité du volume d’usure avec la longueur de glissement et la force normale. I-1-9-3 Aspect thermique du contact: Génération de la chaleur au niveau du contact glissant, lors de l’application matériau fixe sur un matériau en rotation, l’effort tangent résultant de la pression de contact et du Chapitre I 43 coefficient de frottement propre au système, induit la dissipation de l’énergie cinétique du corps en mouvement sous forme de chaleur. La déformation plastique des aspérités, qui admis une chaleur générée au niveau de l’interface qui est égale à l’énergie dissipée. Dans le cadre d’un contact glissant, le flux thermique traversant le pion est composé d’une partie de l’énergie générée par frottement et d’un transfert de chaleur par conduction à travers des débris et des aspérités formant une barrière thermique. La différence de température entre les surfaces et de la résistance thermique de contact glissant dont les propriétés sont fonction de la nature de l’interface. Le flux thermique dans le disque se calcule de manière similaire. Cette notion traduit des phénomènes à échelle microscopique de transfert de chaleur entre les surfaces par le biais d’un paramètre macroscopique comme représentée par la zone perturbée de la Fig.(І-1.11). Figure.(І-1.11): Lignes de flux thermiques traversant le contact pion disque

Procédure de calcul du taux d’usure

Le taux d´usure représente une donnée tribologique principale de prescription relative à la résistance d´usure d´un matériau candidat. Un système tribologique (tribosystème) peut être conçu en vue d´assurer une résistance contre l´usure, d’assurer des transitions d´usure douce vers une usure sévère de paramètres opérationnels susceptibles d’engendrer l´usure adhésive. La valeur de la pression à une vitesse de glissement décrit une limite entre l´usure douce et sévère. Elle s’apparente ainsi à la limite d’utilisation des matériaux au dessus de laquelle le matériau connaît un changement de mécanisme d’usure, qui peut aller jusqu’au grippage. Le volume usé (V) ou la hauteur usée (h) sont en fonction de la distance de glissement (S), du chargement normal appliqué (FN) et de la dureté du matériau le moins dure (H). Fouvry et al. ont développé la loi de l’usure d’Archard dans le quel un coefficient de frottement(І-1.9) [79,80].

Méthodologie de la prédiction d’usure

La méthodologie de la prédiction de l’usure, considérant une loi d’usure de différents type semi-analytique ou empirique dans des conditions de glissement total qui sont les conditions les plus critiques en termes d’usure. La prédiction de l’usure nécessite d’injecté dans une loi les données suivantes:  Les géométries de contact, propriétés des matériaux des deux corps en contact  Le cycle, force normal, Coefficient de l’usure, Vitesse de glissement, Température de contact.  Influence de la force normale appliquée FN et la force de frottement: La force normale est un paramètre qui détermine le taux d’usure, ainsi que les conditions de contact, le rayon de contact et la pression de contact. Une force de contact plus élevée favorise une plus grande aire de contact avec une pression plus importante. Il est démontré que les paramètres de contact de chargement jouent un rôle important sur la prédiction de l’usure. La pression moyenne apparaît comme un facteur clé modifiant la cinétique d’usure, plus la pression moyenne est élevée, plus le taux d’usure est important. D’un point de vue de l’usure mécanique, il est préférable que la force de contact soit la plus faible possible, toutefois une faible force normale favorise le régime de frottement en glissement total, et donc la création de particules d’usure. La force de frottement est la résultante d’une force nécessaire au cisaillement des jonctions formées aux aspérités de contact et d’une force dont l’amplitude dépend de la déformation de la piste de frottement[81].  Influence du comportement thermique: Le comportement de l’interface étant fortement influencé par les conditions thermiques, une revue des techniques expérimentales et numériques permettant d’accéder à la température de contact et à l’énergie dissipée est développée. Pour identifier les flux thermiques et essayer de prendre en compte les effets de conduction et de frottement, les zones de contact ont été décomposées en 3 zones .Cela permet d’identifier le flux pour chaque zone.