Usure Des Contacts Mecanique

tte analyse doit permettre en particulier :

• d’exprimer rationnellement le cahier des charges du problème à résoudre, condition préalable à l’étape de recherche et de sélection des solutions possibles ;

• d’identifier les situations à risques, les probabilités d’incidents, pour arrêter certains choix de conception ;

• d’appréhender les implications liées à telle ou telle option technologique (conception géométrique, cinématique...). À cet égard, il est important de prendre conscience que les matériaux ne constituent qu’une des composantes du système tribologique, c’est-à-dire qu’une partie de la solution à un problème d’usure. De nombreux exemples de la pratique industrielle montrent que des solutions rationnelles (tant sur le plan des performances que sur l’aspect économique) peuvent être mises en place en agissant prioritairement sur l’optimisation de la géométrie ou de la topographie des contacts, sur une meilleure gestion du milieu environnant (incluant la lubrification)...

La principale difficulté à surmonter dans l’analyse d’un problème tribologique réside dans la phase de hiérarchisation des paramètres qui doit conduire à la définition des facteurs prépondérants, pour la situation de frottement concernée. Cette démarche de travail, qui s’avère notamment indispensable lorsqu’une simulation expérimentale du problème est nécessaire, s’appuie en effet sur un raisonnement plutôt déductif, analogique, en prenant en compte des informations plus souvent qualitatives que quantitatives. Cette partie de l’analyse sera toujours facilitée en utilisant les acquis antérieurs et retours d’expérience, par exemple l’expertise des contacts après fonctionnement en contexte réel. Dans les cas les plus diffi-ciles, il pourra être utile de faire appel aux experts dont le métier repose sur l’accumulation d’une certaine expérience dans la pra-tique de cette démarche.

 Étant de gros consommateurs d’énergie, de matières premières (matériaux – lubrifiants) et de main-d’œuvre (maintenance...), frottement et usure ont un impact économique considérable, par exemple :

• d’après une étude réalisée par le CETIM [1], le coût de l’usure dans les années 1990 en France, se chiffrerait à 164 milliards de Francs (25 milliards d’euros), soit près de 3 % du PIB (la corrosion, autre fléau de notre industrie, se situe à 4 % du PIB). Dans la décomposition des dépenses, les frais d’entretien – maintenance représentent, à eux seuls, près de 50 % du coût global ;

• l’industrie américaine a estimé, dans les années 1980, à 0,7 % de la consommation énergétique totale des États-Unis, les pertes par frottement dans le système piston-segments-chemise des moteurs à combustion interne en comptant que 3 % de l’énergie fournie par le carburant y est dissipée.

Les enjeux liés à une meilleure maîtrise des problèmes tribolo-giques concernent, en définitive, tous les gains induits par l’accroissement des performances, de la longévité, de la fiabilité ainsi que par la réduction des contraintes d’exploitation-entretien des composants et machines :

• réduction des usures, des niveaux sonores, des temps de rodage, des frottements (amélioration des rendements) ;

• accroissement des limites d’utilisation (vitesses, pressions de contact admissibles...), de la sûreté et de la fiabilité de fonctionnement, de la productivité... ;

• conservation de l’intégrité des surfaces, par exemple qualité d’aspect des produits finis dans la mise en forme des matériaux ;

• maîtrise des frottements (frottement contrôlé) ;

• simplification ou suppression du graissage ;

• espacement des opérations de maintenance, etc.

Les enjeux du frottement et de l’usure dans notre industrie nécessitent des efforts soutenus à plusieurs niveaux et notamment :

• sensibilisation à l’importance de la tribologie visant à la prise en compte de cette problématique dans un projet mécanique, au même titre que les disciplines de base telles que la cinématique, la résistance des matériaux ;

• élargissement et perfectionnement de la panoplie des solutions disponibles (matériaux, lubrifiants, traitements et revêtements de surfaces...).

Ces efforts sont d’autant plus justifiés que notre civilisation technologique, toujours plus exigeante du point de vue des niveaux de performances, des durées de fonctionnement, des cadences, est aussi soumise à d’autres contraintes conduisant souvent à accroître la complexité des cahiers des charges, par exemple :

• optimisations économiques : simplification – voire suppression – du graissage, utilisation de matériaux moins nobles ou de gammes de mise en œuvre simplifiées, mise en place de solutions capables de satisfaire à plusieurs exigences (par exemple frottement + corrosion)... ;

• adéquation aux réglementations pour la maîtrise des ressources énergétiques, la protection de l’environnement : réduction des nuisances sonores, de la pollution de l’air et des sols (ce qui suppose, en particulier, une meilleure gestion, voire l’élimination des lubrifiants)...

3.1 Accommodation-adaptation

L’accommodation (ou adaptation) correspond à la faculté qu’a un matériau de se déformer (élastiquement ou plastiquement) dans le contact afin de mieux répartir la charge à laquelle il est soumis.

Au plan macroscopique, c’est ce qui se passe par exemple en cas de désalignement d’un arbre dans son coussinet lorsque l’arbre « fait sa place » sur le bord du coussinet. Si les propriétés d’accommodation n’étaient pas suffisantes dans un tel cas, la pression de contact anormalement élevée pourrait entraîner des dégradations de surfaces (fissuration, décohésion notamment) par surpression sur arête (figure 1). L’accommodation, qui peut concerner les surfaces à l’échelle des rugosités, ou les couches plus profondes des matériaux, se réalise en règle générale sur la plus petite longueur cinématique 3.6 .

Figure 1 - Influence de l’accommodation

Le module de Young (module d’élasticité) rend compte de l’aptitude d’un matériau à accommoder : plus ce module est bas, mieux le matériau peut se déformer. À défaut de pouvoir agir sur le module de Young (cas du contact de deux pièces en acier par exemple), on peut jouer sur les duretés relatives des deux pièces en choisissant des traitements thermiques et/ou des conditionnements de surface appropriés. Parmi ces derniers peuvent être cités par exemple, sur aciers :

• certains traitements de conversion tels que la phosphatation, la sulfuration ;

• les dépôts de couches à base de métaux tendres comme l’étain, l’argent ;

• les revêtements à base de polymères et lubrifiants solides (revêtements autolubrifiants).

Ces conditionnements de surfaces sont avantageusement utilisés pour conférer des propriétés d’accommodation superficielle à des matériaux à hautes caractéristiques mécaniques, dont l’emploi peut être justifié par les impératifs de résistance à l’usure par déformation, fatigue superficielle entre autres.

À l’inverse, les plus mauvaises propriétés d’accommodation correspondent aux matériaux à dureté et module de Young très élevés, comme par exemple les céramiques. Lorsque les conditions d’utilisation (ambiance, température...) imposent l’emploi de tels matériaux pour la réalisation des deux partenaires de frottement, des précautions particulières doivent être prises au niveau de leur mise en œuvre et en particulier : l’optimisation de la qualité des guidages, la réduction des défauts de forme (figure 2) et des rugosités.

L’évolution géométrique et topographique des contacts qui résulte de l’accommodation doit bien évidemment rester compa-tible avec d’autres contraintes éventuelles et notamment la précision dimensionnelle.

L’abaissement de la rugosité par accommodation joue un rôle favorable sur la lubrification hydrodynamique.

3.2 Adhésion

 L’adhésion entre deux corps en contact peut avoir de multiples origines, allant des attractions purement électrostatiques (entre charges électriques opposées) jusqu’aux liaisons de nature méca-nique, chimique ou métallurgique. Ces dernières incluent toutes les interactions qui contribuent à la cohésion des solides telles que liaisons métalliques, covalentes, ioniques. L’adhésion dépend donc de la nature des matériaux antagonistes, mais aussi, pour des matériaux donnés, des conditions dans lesquelles s’effectue le contact : présence d’« écrans de contamination », ou de films superficiels, rappro-chement plus ou moins intime des pièces...

 La force d’adhérence correspond à la force nécessaire à la séparation des corps. Elle dépend notamment de la nature de la liaison, de la vitesse de séparation, de la géométrie du contact, des propriétés rhéologiques de l’interface.

o La liaison qui s’établit entre les deux corps peut être telle que l’interface est moins résistante que