Wear Theory: measurement, contact characterization and wear rate
Théorie de l'usure: mesure, caractérisation des contacts et vitesse d'usure
Résumé
Le mouvement relatif entre deux corps solides engendre deux phénomènes indissociables : le frottement, c’est-à-dire la résistance mécanique à ce mouvement relatif (forces, couple) et l’usure, c’est-à-dire une perte de matière des corps antagonistes. Le frottement a des conséquences négatives (énergie dissipée), mais aussi positives ; il assure la stabilité de notre marche sur le sol, le freinage des véhicules, l’entraînement d’une tôle dans l’emprise d’un laminoir, l’échauffement des pièces et leur soudage dans le procédé de soudage par friction ou friction/
malaxage. À l’opposé, l’usure des pièces frottantes et des outils de fabrication (formage par déformation plastique, coupe et découpe mécanique, assemblage par sertissage, rivetage, clinchage, soudage par friction-malaxage, moulage ; procédés d’extrusion, injection des polymères) n’a que des côtés négatifs et doit être minimisée.
En effet, l’usure entraîne l’arrêt des chaînes de fabrication, des moyens de transport, de chauffage, de production d’énergie… et la nécessité de remplacer les éléments usés, bref a des répercussions très coûteuses sur les activités humaines.
Selon une étude réalisée par le CETIM, les phénomènes d’usure représentent un coût de l’ordre de 4 % du PNB de la France. À noter toutefois que les procédés d’usinage par abrasion (rectification, ultrasons, rodage, polissage) ou certains procédés d’usinage physico-chimiques (chimique, électroérosion) ont pour objectif d’ôter de la matière à un matériau à la vitesse la plus élevée possible afin d’obtenir, pour le coût le plus faible possible, une pièce possédant la géométrie souhaitée et des propriétés superficielles optimales (rugosité, contraintes résiduelles, microstructure). Le domaine de la modélisation de l’usure rejoint ainsi par bien des côtés celui de la modélisation de ces procédés d’usinage, bien que les objectifs pratiques en soient assez différents.
Il faut toutefois souligner qu’un contact implique deux antagonistes et qu’il est souvent souhaitable de fixer les phénomènes d’usure, a priori inévitables, sur l’une des deux pièces, la plus facile et la moins coûteuse à changer (pièce d’usure sacrificielle, comme on peut utiliser une anode sacrificielle pour faire face à la corrosion).
Ainsi, par un choix judicieux du matériau des plaquettes de freinage d’un véhicule automobile, on concentre l’usure sur les patins, faciles à changer, pour maintenir les performances du frein et protéger les disques de freinage, solidaires du véhicule et plus massifs. De même, dans un palier, il est souhaitable de concentrer l’usure sur le coussinet, facile à changer… Ceci nécessite la connaissance de règles simples pour concevoir le contact. Par ailleurs, il faut pouvoir prendre en compte l’usure dans la conception des machines et des opérations de fabrication dont le cahier des charges contient en général des spécifications sur la durée de vie minimale du dispositif. Par exemple, le prix de revient d’une pièce fabriquée peut fortement dépendre de la durée de vie des outils utilisés (mise en forme à chaud des métaux par filage et forgeage, usinage). Il est donc très important de disposer de modèles permettant de prévoir la vitesse d’usure des pièces frottantes et ainsi maîtriser leur durée de vie. Il s’agit d’un problème complexe, car il existe une grande variété de mécanismes d’usure, opérant souvent de manière
interactive. C’est pourquoi, avant toute modélisation de l’usure d’un mécanisme ou d’un outil, il importe de préciser par un examen des pièces usées et/ou des débris engendrés les caractéristiques de son usure, ce qui n’est pas une tâche aisée : l’usure est un phénomène d’évolution lente de la géométrie des pièces, qui peut être très sensible aux paramètres de fonctionnement du système tribologique où est incluse la pièce.
L’objectif de cet article est de fournir des règles et des modèles de calcul permettant de concevoir un système tribologique et de prévoir la durée de vie d’un contact ou d’un outil de fabrication. On s’attachera aussi à indiquer comment on peut augmenter la durée de vie du contact ou de concentrer l’usure sur l’un des antagonistes. Nous renverrons à divers articles de la collection qui traitent de manière détaillée certains aspects de la question.
Après avoir précisé les enjeux associés à la maîtrise de l’usure, cet article définit l’usure et décrit diverses méthodes de mesure de l’usure. Puis il rappelle les principaux critères permettant de caractériser les modes d’interaction
entre pièces frottantes :
• l’épaisseur réduite du film lubrifiant de Tallian définissant les régimes de lubrification ;
• l’index de plasticité de Greenwood et Williamson permettant de préciser le mode de déformation des microcontacts entre deux solides élastoplastiques pour un contact sec ou pour un contact lubrifié en régime mixte ou limite.
Après avoir discuté l’effet du rodage des surfaces, il présente la loi de Preston-Archard qui décrit l’effet sur l’usure de la force normale et de la longueur de glissement en introduisant la vitesse d’usure k, discute son origine microscopique, sa validité expérimentale. Il précise les valeurs de k et analyse avec cette loi divers systèmes tribologiques.
Pour approfondir certains aspects plus appliqués, comme par exemple la description détaillée de pièces usées ou la mise en place de solutions comme la déposition d’un film protecteur, le lecteur pourra consulter avec profit les articles [BM 5065] [BM 5066] [BM 5067] [BM 5068].