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Problématiques et endommagements des surfaces
Le terme usure désigne généralement un phénomène complexe d’enlèvement de matière d’une surface en glissement par rapport à une autre, de différentes géométries de contact Fig.(I.1.1). L’usure concerne toutes installations industrielles, portent des pièces en contact avec glissement relative soumises à des différents paramètres tribologiques. Les industries concernées par l’usure sont : L’aéronautique, le biomédical, les industries nucléaires, le génie civil, les constructions mécaniques, la fabrication mécanique…etc. Figure.(І-1.1) : Géométries de contact. Dans ce premier chapitre nous présentons une synthèse bibliographique des principaux éléments tribologiques nécessaires à l’étude du contact sec selon les notions tribologiques [50-54]. Dans ce chapitre une étude bibliographique sur les différents problèmes d’endommagement et comportement des surfaces, rencontrés dans le domaine industriel, provoqués par des sollicitations sévères (thermomécaniques) au contact des deux matériaux. Une synthèse sur la méthodologie de l’élaboration, tests et analyses du matériau (cermet). Le chapitre aborde une recherche bibliographique sur le processus de la simulation numérique de l’usure par un modèle d’Archrad modifié. Ce processus montre la méthode d’itération pour déterminer le volume d’usure, et expliquer la méthode numérique d’enlèvement de la matière. Les paramètres qui influencent sur le comportement de l’usure des surfaces sont : La charge appliquée. La température en contact. La vitesse de glissement. L’environnement. Les matériaux en contact. Le nombre de cycles ou le temps de contact. Ce chapitre vise à présenter les dommages identifiés sur les surfaces qui ne sont pas tous au même niveau, l’usure induisant la formation d’oxydes et de débris, les rayures, les transferts, la déformation plastique, la fissuration en sous-couche et la fissuration en surface.
Histoire de la tribologie
Le nom tribologie est apparue en Angleterre, il a été utilisé pour la première fois dans le rapport (présenté par Jost, c’est une étude sur les pannes d’usure commissionnée par le gouvernement anglais). Depuis, il est utilisé dans le contexte du frottement, de l’usure et de la lubrification, présenté le 23novembre 1965 au(Minister of State for Education and Science) et publié en février 1966. Ce nom vient du grec τρβειν (tribein : frotter) et λóγος (logos: parole, étude ou science), ainsi la tribologie est l’étude ou la science du frottement. Plus généralement, la tribologie concerne l’étude des surfaces en contact et en mouvement relatif, elle regroupe ainsi la lubrification, le frottement et l’usure des éléments de machine. Si l’usure est principalement le sujet de cette étude, elle se trouve souvent corrélée à des notions de frottement ou de lubrification. L’idée de remplacer le frottement de glissement par le frottement de roulement remonte à très loin dans l’histoire des civilisations. L’homme du néolithique (4000–1800 av.J.-C.) a pensé, pour diminuer le frottement, à utiliser des « lubrifiants » (bitume, huiles animales et végétales, eau) pour la construction de traîneaux, pour transporter des pierres lourdes et pour effectuer des forages à l’aide de mouvements de rotation. Le palier à roulement doit son nom et son origine aux « corps de roulement » comme le bois rond que les Égyptiens utilisaient pendant la période des Pharaons. Ce procédé permettait d’augmenter la vitesse de travail, de résoudre le problème du frottement et de rendre les tâches moins fatigantes. L’ingénieur grec Diades 330 av.J-C développa un des premiers paliers à roulement qui servit à la construction les béliers de navires de guerre. L’étude scientifique du sujet commença seulement dans l’histoire plus récente. Léonard de Vinci se consacra à l’étude du frottement autour de 1500 il a particulièrement étudia le coefficient de frottement (coefficient d’adhérence) sur un plan incliné. De Vinci calcula aussi la valeur du coefficient de frottement et formula les lois du frottement sec. De Vinci a analysé le frottement sur un plan horizontal et incliné et l’usure de paliers de glissement. Il en résulta la première et la deuxième loi du frottement selon Léonard de Vinci. En 1490, il remplaça le raccordement mobile entre deux pièces d’un palier à roulement presque exclusivement par un frottement de roulement plus faible. Il utilisa alors des billes en déduisit que le frottement est moins fort si les billes ne se touchent pas. Il développa alors des éléments de séparation permettant aux billes de se déplacer librement. Guillaume Amontons était un physicien Français et gouverneur de Lille. Il mena des recherches dans le domaine du frottement mixte et il constata que la force de frottement dépend de la force normale et que la rugosité de surface doit être considérée comme source du frottement. Amontons attribua le frottement à des causes mécano-géométriques pour le cas d’un engrenage. Cette théorie d’engrenage indique, que le procédé d’accouplement mécanique freine le mouvement relatif. Il en résulte une force de frottement dans le sens opposé au sens du mouvement. Les deux lois d’Amontons constituent la base de la compréhension empirique de la tribologie (loi du frottement). Il les a redécouvertes et en 1699, il les présenta à l’Académie Royale à Paris. C’est en fait Léonard de Vinci (1452-1519) qui les avait découvertes environ deux cents ans auparavant. Selon ces lois, la force de frottement est proportionnelle à la force normale et indépendante de la surface de contact apparente. En outre, il faut prendre en compte que la force de frottement ne dépend pas seulement de l’adhérence, mais également de l’abrasion. L’influence de l’abrasion est notamment très forte si le partenaire de contact est un matériau plus dur ou si des résidus d’abrasion sous forme de particules de métal dures et oxydées se trouvent au point d’assemblage. John Theophilus Desaguliers développa un modèle pour expliquer le frottement et il attribua le frottement à l’influence de la cohérence ou de l’adhérence. Il présenta un nouvel aspect et constata que les forces de frottement sont plus élevées lorsque les surfaces sont plus polies et il montra aussi que deux corps en plomb bien polis et pressés fortement l’un contre l’autre peuvent uniquement être séparés par une force d’une intensité importante : il reconnut ainsi la signification de l’adhérence ou de la cohérence pour le processus du frottement, mais il n’arriva pas encore à concilier son idée avec les lois quantitatives du frottement. Newton (1687) définit la viscosité et la théorie de l’adhérence. Euler étudia le frottement sur un plan incliné et il constata que le frottement d’adhérence est environ deux fois plus élevé que le frottement de glissement. En outre, il introduisit le coefficient de frottement « µ ». (Aujourd’hui, le coefficient de frottement est désigné par « f »). Coulomb développa d’avantage les idées fondamentales d’Amontons concernant la rugosité de surface et le frottement mixte et il examina le rapport entre la force horizontale Chapitre I 25 nécessaire et le pourcentage en poids. Selon le modèle de Coulomb, le coefficient de frottement d’une telle surface ne dépend pas de la charge, c’est-à-dire que la force de frottement est proportionnelle au poids. De plus, le frottement est indépendant de la surface car il n’est qu’une fonction de l’angle d’inclinaison moyen des rugosités. Plus la surface est lisse, plus le coefficient de frottement devait être petit. Cette conséquence correspondait aux idées de l’époque et contribua à la reconnaissance du modèle de Coulomb. L’énergie qui doit être apportée pour glisser les plans inclinés vers le haut doit resurgir quand les plans inclinés glissent vers le bas de l’autre côté. Le frottement de glissement selon Coulomb ne présente donc pas un processus absorbant de l’énergie. Premier brevet connu d’un roulement rigide à billes par Philip Vaughan, en Angleterre vers 1791, il inventa le roulement à billes et il le breveta en 1794. Ce brevet d’une invention qui rendent les véhicules plus efficaces en réduisant la friction entre les pièces en mouvement. 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 développent 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 élastoplastique. On citera également les travaux de plusieurs auteurs qui prennent 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.
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