Propriétés tribologiques des matériaux

Comme mentionné dans l’introduction, le but initial de cette étude repose principalement sur l’investigation de l’effet de l’hydrogène sur les propriétés tribologiques des matériaux. Nous avons donc jugé nécessaire d’inclure une partie théorique sur la tribologie. Définition La tribologie est définie comme étant la SCience et la technologie des surfaces en mouvement relatif. Elle comprend l’étude de la friction, de l’usure et de la lubrification [8]. La friction et l’usure sont les deux constituants de la tribologie les plus étudiés. Le concept de la tribologie est très important parce que c’est l’un des piliers du domaine industriel: il a été reconnu qu’il existe une interrelation étroite entre les principes et les pratiques de conception tribologique d’une part, et leur effet économique d’autre part. Les produits modernes doivent, au cours de leur phase de conception, avoir intégré tous les facteurs relatifs à un contrôle satisfaisant du frottement et à la prévision de l’usure. Friction La friction est la résistance au mouvement relatif de deux corps en contact [9]. La friction peut être décrite par un paramètre quantitatif appelé coefficient de friction. L’expérience montre que la force de friction est souvent linéairement proportionnelle à la force de charge normale appliquée au corps. C’est ce qu’on appelle frottement coulombien.

Le coefficient de friction est une valeur scalaire sans dimension définie comme le rapport de la force de friction tangentielle (F) à la force de charge normale (W) : F f1 =W (1.1 ) En termes techniques, la force de frottement ou force tangentielle est la force de résistance qui agit dans une direction directement opposée à la direction du mouvement. La force normale est définie comme la force nette comprimant deux surfaces parallèles. Sa direction est perpendiculaire aux surfaces. Dans le cas simple d’une masse reposant sur une surface horizontale, la seule composante de la force normale est la force de poids due à la gravité. Dans ce cas, la magnitude maximale de la force de friction est le produit de la masse de l’objet, l’accélération due à la gravité et le coefficient de frottement. Le coefficient de frottement n’est pas fonction de la masse ou du volume ; il dépend uniquement des matériaux d’accouplement et les conditions d’essai. Par exemple, un grand bloc d’aluminium en contact avec l’acier a le même coefficient de frottement qu’un petit bloc. Cependant, l’ampleur de la force de friction elle-même dépend sur la force normale et donc la masse du bloc [9]. Le coefficient de frottement est un paramètre empmque – il doit être mesuré expérimentalement et ne peut être trouvé par des calculs. Le coefficient de frottement peut varier sur une large plage: de 0,001 dans un roulement légèrement chargé à plus de 1 pour les métaux propres glissant contre eux-mêmes sous vide. Pour les matériaux plus courants, glissant dans l’air, la valeur du coefficient de frottement se situe dans un intervalle plus étroit de 0,1 à 1 [10].

Dureté des matériaux

Comme indiqué ci-dessus, la résistance à l’ usure augmente avec la dureté. De nombreux métaux présentent une transition d’une usure légère à une usure grave. Cela se produit lorsque la valeur nominale de la pression de contact (charge divisée par la surface de contact apparente) devient supérieure à une fraction de la dureté. Pour empêcher cela, il est clairement souhaitable de choisir des matériaux qui ont une dureté de plusieurs fois supérieure à la pression de contact apparente [15]. On peut donc dire que l’étude de la dureté peut précéder une étude de tribologie. Définition La dureté a différentes significations. Pour l’industrie des métaux, elle peut être considérée comme une résistance à la déformation permanente. Pour le métallurgiste, cela signifie résistance à la pénétration. Pour l’ ingénieur en lubrification, cela signifie une résistance à l’usure. Pour l’ ingénieur concepteur, c’ est une mesure de la contrainte d’écoulement. Pour le minéralogiste, cela signifie une résistance aux rayures et pour le machiniste, cela signifie une résistance à l’usinage. La dureté peut également être appelée pression de contact moyenne. Toutes ces caractéristiques sont liées à la contrainte d’écoulement plastique des matériaux. Principalement, l’importance des tests de dureté est liée à la relation entre la dureté et d’autres propriétés du matériau. Ces tests sont simples, faciles et relativement non destructifs [16].

Échelles de dureté Rockwell

De nombreux produits manufacturés sont faits de différents types de métaux et d’alliages, variant en dureté, taille et épaisseur. Pour permettre le test de ces produits, plusieurs types de pénétrateurs ont été développés pour le test Rockwell pour être utilisés en conjonction avec une gamme de niveaux de force standard. Chaque combinaison de type de pénétrateur et de niveaux de force a été désignée comme une échelle de dureté Rockwell distincte. L’ASTM (American Society for Testing Material) définit trente échelles Rockwell. On distingue deux catégories : les échelles régulières et les échelles superficielles. Les deux catégories de tests utilisent les mêmes types de pénétrateurs. Les échelles régulières utilisent les niveaux de force les plus lourds: le niveau de force préliminaire est 98.07 N et les niveaux de force totale standard peuvent être de 588.4 N, 980.7 N ou 1471 N. Les échelles superficielles de Rockwell utilisent des niveaux de force plus légers, généralement pour utiliser sur les matériaux plus fins. Le niveau de force préliminaire est de 29.42 N, et les niveaux de force totale standard peuvent être de 147.1 N, 294.2 N ou 441.4 N [16]. 1.3.3.3 Indice de dureté Rockwell L’indice de dureté Rockwell est un nombre sans unité. Il est calculé à partir de la différence dans les profondeurs de pénétration avant et après l’application de la force totale, tout en maintenant la force d’ essai préliminaire. Le calcul dépend de la combinaison spécifique de type de pénétrateur et les forces utilisées.

Fragilisation par l’hydrogène (FPH)

La fragilisation par l’hydrogène est l’endommagement des matériaux lié à la présence d’hydrogène. L’introduction d’hydrogène dans les systèmes métalliques a généralement un effet destructif sur les propriétés mécaniques, et en particulier sur la rupture et la résistance à la rupture [17]. La FPH résulte de l’exposition de l’alliage à l’hydrogène et à l’hydrogène entrant dans le matériau pendant sa fabrication et son traitement (moulage, carbonisation, nettoyage chimique de surface, décapage, galvanoplastie, usinage électrochimique, protection cathodique, soudage, profilage, et traitement thermique), ou lorsque l’hydrogène pénètre dans le métal par exposition environnementale pendant l’exploitation/synthèse du matériau (par exemple, réactions électrochimiques cathodiques – dégagement d’hydrogène dû au mécanisme de corrosion à basses températures et exposition à l’hydrogène gazeux à des températures élevées). En fonction de la source d’hydrogène, la FPH peut être divisée en deux types: (1) fragilisation interne par l’hydrogène, résultant de l’hydrogène préexistant déjà à l’intérieur du métal, et (2) fragilisation environnementale par l’hydrogène, selon laquelle l’hydrogène provient de l’environnement [28].

Facteurs responsables de la sensibilité du matériau à la FPH Les facteurs pouvant influer sur les propriétés du matériau et conduire à une FPH sont principalement: (1) Résistance et contrainte résiduelle du matériau (2) Pression, température et temps d’exposition (3) Taux de déformation appliqué et état de surface (4) Concentration ou quantité d’hydrogène et quantité de pièges à hydrogène (5) Revêtements métalliques et précipités spécifiques (6) Microstructure (7) Solution qui réagit avec les métaux (solution acide/basique) (8) Traitement thermique d’un matériau [29].

Mécanisme de pénétration de l’hydrogène dans le métal Le mécanisme de pénétration de 1′ hydrogène dépend des conditions expérimentales à partir desquelles il est généré. Il peut s’agir soit d’une absorption en milieu aqueux, soit d’une absorption en milieu gazeux. Dans les deux cas, l’hydrogène est d’abord adsorbé à la surface du métal avant d’être absorbé. La molécule adsorbée de dihydrogène se dissocie ensuite à la surface du métal. L’hydrogène peut se recombiner et quitter la surface du métal selon deux mécanismes possibles [30]