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Histoire de la tribologie
Si l’usure est principalement le sujet de cette étude, elle se trouve souvent corrélée à des notions de frottement ou de lubrification. Ce phénomène s’inscrit dans une science plus vaste: la tribologie. La tribologie (du grec « tribos », frottement) fut tout d’abord définie comme « la science des surfaces en contact animées d’un mouvement relatif » (G. Salomon, 1968).
Plus récemment, Godet dira à son sujet : « Si la mécanique est la science du mouvement, la tribologie est la science qui contrôle le mouvem ent ». On retrouvera la tribologie dans les applications industrielles les plus pointues (adhérence du contact roue / rail , impact de tubes dans les centrales nucléaires ) comme dans la vie de tous les jours (l’essuie-glace qui laisse une pellicule d’eau non homogène sur le pare-brise d’une voiture, la craie qui crisse sur un tableau, etc.). Ce qui explique combien l’histoire de l’humanité et celle de la tribologie sont liées .
La maîtrise du feu (vers 200000 av. JC) a étéréalisée par la rotation d’une baguette de bois dure dans un morceau de bois tendre. L’industrie de la pierre polie s’est développée en contrôlant le frottement et l’abrasion.
Les plus anciennes civilisations, de la Mésopotamie jusqu’en Chine, se posaient déjà la question de, par exemple, déplacer des objets lourds d’un point à un autre avec le moins d’efforts possible. On citera à ce propos un fameux bas-relief d’une grotte d’El-Bersheh, datant de l’Egypte des pharaons (1880 avant J.C.), montrant le rôle clef des tribologues de l’époque qui verse un lubrifiant lors du passage d’un convoi traînant un colosse de pierre.
On doit à Léonard de Vinci (XVe siècle) les premiers travaux sérieux de la tribologie« moderne », et en particulier les premiers efforts pour caractériser le frottement en fonction de la charge appliquée ou de la surface de contact, mais également l’usure suivant la direction de la charge appliquée.
Dans les qui suivirent, la tribologie devient une science dans laquelle les français excellent : on citera les travaux marquants de Amontons, menant à la définition du coefficient de frottement (rapport de la force résistante au mouvement sur la charge appliquée au contact), ainsi que ceux de Bélidor et Coulomb (XVIIIe siècle).
L’histoire de la lubrification (à l’aide d’un film fluide) se sépare de celle du frottement, de l’usure et de la lubrification solide , lorsque Reynolds (1882) concentre tout ses efforts (avec succès !) dans l’établissement d’un modèle analytique pour la lubrification, fondé sur les équations de la mécanique des fluides. On trouve donc aujourd’hui des modèles pertinents et éprouvés pour la lubrification.
L’étude du frottement et de l’usure est alors largement laissée aux spécialistes des sciences des matériaux. Ceux-ci développe des îlots de connaissance (en réalisant des essais de frottement et d’usure au besoin, sur des cas particuliers), plutôt qu’une compréhension globale du phénomène d’usure.
Pour le frottement, Bowden et Tabor ont développé cependant une approche originale du glissement entre surfaces rugueuses en prenant en compte les interactions entre rugosités, ainsi que leur comportement élasto-plastique.
On citera également les travaux de plusieurs auteurs qui mirent en évidence les instabilités de frottement (stick-slip). En termes d’usure, les principales avancées concernent l’identification et l’établissement d’une liste de différents phénomènes suivant les conditions d’essais utilisées.
Mécanismes d’usure
Une liste non exhaustive de mécanismes d’usure peut être dressée. Ces phénomènes, repérés dans des cas différents de contacts, peuvent en théorie s’appliquer tous en même temps, certains étant prépondérants par rapport à ’autresd en fonction des conditions imposées .
Usure abrasive
L’usure abrasive est un phénomène mécanique quireprésente l’endommagement des surfaces par des aspérités (abrasion à deux corps)ou des particules « dures » (abrasion à trois corps) On différenciera le labourage (déplacement de matière et formation de bourrelets), prédominant pour les matériaux ductiles, de la coupe (enlèvement de matière), particulièrement repérée pour des matériaux fragiles. On lira également.
Table des matières
Tables des matières
Liste des tableaux
Liste des figures
Introduction générale
Partie 1 : CARACTÉRISATIONS DES REVETEMENTS DURS (CrNx)
Chapitre I : Synthèse bibliographique
I.1. Histoire de la tribologie
I.2. Mécanismes d’usure
I.2.1. Usure abrasive
I.2.2. Usure adhésive
I.2.3. Usure corrosive (ou tribochimique)
I.2.4. Usure par fatigue
I.3. Lois d’usure
I.4. Propriétés des dépôts à base de nitrures des métaux de transition
I.4.1. Morphologie
I.4.2. Dureté
I.4.3.Adhesion
I.4.3.1. Réduction des contraintes mécaniques
I.4.3.2. Contraintes résiduelles
I.4.3.3. Rugosité du substrat
I.4.4. Résistance à l’usure
I.4.5. Inertie chimique
I.4.6. Résistance à l’oxydation
I.4.7. Synthèse
I.5. Les contraintes internes des revêtements déposés par PVD
I.5.1. Généralités.
I.5.2. Origine des contraintes internes
I.6. Défauts des revêtements
I.7. Conclusion
Chapitre II : Méthodes de caractérisation
II.1. Procédés d’élaboration
II.1.1.Substrats
II.1.2. La pulvérisation cathodique.
II.1.3. La pulvérisation cathodique type magnétron
II.2. Techniques de caractérisations
II.2.1. Profilométrie
II.2.1.1. Principe
II.2.1.2.Mesure de l’épaisseur
II.2.1.3.Détermination des contraintes
II.2.2.Gravimétrie
II.2.3.Tests de dureté
II.2.4.Test d’adhérence (Scratch-test)
II.2.5. Test d’usure par Calowear
II.2.5.1 Présentation du matériel utilisé
II.2.5.2 Mode opératoire
II.2.5.2.1 Paramètres des essais
II.2.5.2.2 Réglage de la vitesse de rotation de l’appareil de test
II.2.5.2.3 Réglage de la force normale
II.2.5.2.4 Réglage du temps de l’essai
II.2.5.2.5 Déroulement des essais
II.2.5.3. Essais réalisés
II.2.5.3.1 Mesure de l’épaisseur
II.2.5.3.2 Evaluation des coefficients d’usure Abrasive
II.3. Microscopie
Chapitre III : Propriétés physico-chimiques des revêtements CrNx
III.1. Propriétés structurale
III.1.1. Morphologie
III.1.2. Composition chimique des couches
III.1.3. Structure cristalline
III.2. Influence de l’épaisseur sur les propriétés structurales des couches
III.3. Stabilité thermique
Chapitre IV : Propriétés mécaniques et tribologiques
IV.1. Propriétés mécaniques et tribologiques
IV.1.1. Contraintes et épaisseur
II.2.5. Test d’usure par Calowear
II.2.5.1 Présentation du matériel utilisé
II.2.5.2 Mode opératoire
II.2.5.2.1 Paramètres des essais
II.2.5.2.2 Réglage de la vitesse de rotation de l’appareil de test
II.2.5.2.3 Réglage de la force normale
II.2.5.2.4 Réglage du temps de l’essai
II.2.5.2.5 Déroulement des essais
II.2.5.3. Essais réalisés
II.2.5.3.1 Mesure de l’épaisseur
II.2.5.3.2 Evaluation des coefficients d’usure Abrasive
II.3. Microscopie
Chapitre III : Propriétés physico-chimiques des revêtements CrNx
III.1. Propriétés structurale
III.1.1. Morphologie
III.1.2. Composition chimique des couches
III.1.3. Structure cristalline
III.2. Influence de l’épaisseur sur les propriétés structurales des couches
III.3. Stabilité thermique
Chapitre IV : Propriétés mécaniques et tribologiques
IV.1. Propriétés mécaniques et tribologiques
IV.1.1. Contraintes et épaisseur
IV.1.2. Influence de l’épaisseur sur la dureté
IV.1.3. Contraintes et dureté
IV.1.4. Influence de l’épaisseur sur l’adhérence
IV.2. Résultats des tests d’usure
IV.2.1. Détermination des taux spécifiques d’usure du revêtement et du substrat
IV.2.2. Influence de la charge normale sur les taux spécifiques d’usure.
IV.2.3. Variation de la résistance d’usure des revêtements de Cr-N en fonction de leur
composition chimique
IV.2.4. Corrélation entre la dureté et la résistance à l’usure
Partie 2 : Méthodes d’analyse
Chapitre I : Influence des erreurs de mesure sur les taux spécifiques d’usure
I.1. Formulation de l’équation d’usure pour une surface revêtu
I.1.1. La base théorique de l’essai d’usure par Calowear
I.1.2. Calculs des volumes d’usure
I.2. Choix des mesures
I.3. Erreurs produites par les expressions approximatives
I.4. Calcul des erreurs relatives en κc et κs
I.5. Influence des erreurs de mesure sur les taux spécifiques d’usure
I.6. Détermination d’une limite inférieur du diamètre intérieur de cratère
I.7. Conclusion
Chapitre II : Comparaison des méthodes d’analyse des données
II.1. Méthodes d’analyse
II.3.1. Discussions
Chapitre III: Méthode prédictif d’usure à micro-échelle des surfaces revêtues
III.1. Introduction
III.2. Concepts théoriques.
III.3. Méthode de prévision.
III.4. Application de la méthode de prévision
III.4.1. L’effet de l’épaisseur du revêtement sur la profondeur d’usure
III.4.2. L’effet du taux spécifique du revêtement sur la profondeur d’usure
III.5. Validation de la méthode de prévision
III.6. Conclusions
Conclusions générales.
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
