Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Un système tribologique (tribosystème) peut être conçu en vue d´assurer une résistance contre l´usure, d’assurer des transitions d´usure douce vers une usure sévère et de paramètres opérationnels susceptible engendrer l´usure adhésive à base d´une analyse des conditions d´opérations du tribosystème.
Le taux d´usure kv représente une donnée tribologique principale de prescription relative à la résistance d´usure d´un matériau candidat.
La valeur P×V[MPa×m/s] décrit une limite entre l´usure douce et sévère, elle s’apparente ainsi à la limite d’utilisation des matériaux au dessus duquel le matériau connaît un changement de mécanisme d’usure qui peut aller jusqu’au grippage.
Cet article établit étape par étape ces caractéristiques à l’aide de plusieurs exemples et classe les plages des taux d´usures et valeurs P×V de matériaux. L´article éclaire aussi sur l´impact de paramètres opérationnels (rugosité, humidité relative, etc.) sur le frottement et le taux d´usure.
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Tribological systems (Tribosystems) can be designed in terms of wear resistance, low wear to high wear transitions and regarding critical operating conditions susceptible to adhesive wear (galling) by performing a tribological systems analysis.
The wear rate kv represents here the key characteristics prescribing the level of wear resistance expected from candidate materials. The P×V value describes a barrier between low wear and high wear regimes as well as the upper value of the load bearing capacity materials above which a material fails to function satisfactorily.
This article calculates step-by-step these characteristics with some examples and ranks typical regions of wear rates and P×V values of materials. This article also illuminates typical impact of operating variables (Roughness, relative humidity, etc.) on friction and wear rates.
Auteur(s)
-
Mathias WOYDT : Diplômé en Métallurgie et Science des matériaux, Université technique de Berlin, Docteur en Sciences des matériaux - Directeur du laboratoire « Méthodes d’essais tribologiques : Tribologie des composants » à l’Institut fédéral pour la Recherche et l’essai des matériaux (BAM), Berlin
INTRODUCTION
Dans le monde actuel, des produits de plus en plus performants et fiables doivent être développés dans un délai de plus en plus court pour garantir la compétitivité de l’entreprise. De plus l’allègement des pièces pour des raisons économiques et/ou écologiques est un enjeu de plus en plus important. Dans ce contexte, l’ingénieur qui réussira le mieux sera celui qui aura la plus grande expérience dans le domaine des matériaux, revêtements et lubrifiants. Cette expérience d’un spécialiste à la fois en matériaux et en tribologie est le plus souvent virtuelle. En effet, une grande partie des défaillances techniques s’amorce à la surface de contact des matériaux en mouvement relatif ; de ce fait, le comportement tribologique des matériaux et les performances des lubrifiants ou des revêtements dans un contact glissant déterminent à terme la qualité de la conception initiale. Les ingénieurs ont donc besoin d’un accès rapide aux connaissances expérimentales en tribologie les plus récentes.
Chaque année, plusieurs dizaines de milliers de résultats tribologiques sont obtenus et publiés, mais deux problèmes importants se posent :
-
leur accès reste encore difficile, onéreux et nécessite beaucoup de temps ;
-
comment tirer le meilleur parti de ces données pendant la conception d’un produit, d’une machine ou l’utilisation d’un matériau ?
En effet, le plus souvent ce grand capital tribologique reste éparpillé dans une multitude de laboratoires industriels ou universitaires. Par ailleurs, la diversité des procédures expérimentales utilisées et des modes d’interprétation rend difficile, voire impossible, une comparaison des résultats obtenus par les équipes de tribologues. En outre, les élaborateurs de matériaux, les pétroliers et les utilisateurs parlent des langages différents et ont des intérêts et des objectifs différents. En conséquence, le lecteur n’est souvent pas à même d’apprécier si les résultats et propriétés tribologiques annoncés pour un couple de matériaux frottants à sec ou un lubrifiant dans un contact donné peuvent l’aider à résoudre son problème spécifique.
L’objectif de ce texte est double :
-
décrire comment doit être organisée une base de données tribologiques ;
-
illustrer à l’aide d’exemples l’utilisation d’une telle base pour concevoir un tribosystème.
La conception d’un tribosystème présuppose l’organisation d’une base de données tribologiques, puis son utilisation pour prévoir le comportement du tribosystème étudié. Il faut noter que cette utilisation, comme la conception d’une base de données, repose sur une analyse théorique préalable de ce qu’est un tribosystème :
-
pour identifier les paramètres clefs du système ;
-
pour fixer des procédures d’essais ;
-
pour créer des « thésaurus » aptes à stocker les résultats de tous les essais ou produits.
Notons que les situations de contact frottant sont très variées :
-
sur le plan cinématique : glissement continu, alternatif avec des amplitudes très variables, roulement avec glissement ;
-
sur le plan des régimes de lubrification : lubrification mixte/limite, à sec.
Les informations que doit fournir une banque de données ou la littérature sont principalement de deux types :
-
coefficient de frottement ;
-
vitesses d’usure estimées des pièces.
Ces informations peuvent seulement servir à l’ingénieur et à l’utilisateur pour évaluer a priori le fonctionnement en service du tribosystème et des matériaux identifiés, mais elles ne suppriment pas les essais sur organes mécaniques avant la mise en œuvre d’une solution tribologique.
Cinq exemples présentent la procédure pour estimer le taux d’usure.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version archivée 2 de juin 2012 par Mathias WOYDT
- Version courante de mars 2024 par Mathias WOYDT
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Exemples3. Le taux d’usure dans les applications
3.1 Taux d’usure et durée de vie
La perte d’épaisseur d’une couche superficielle ou usure linéique Δh durant le temps Δt (Δh /Δt ) est constante dans le régime d’usure stationnaire. On peut l’exprimer autrement : la perte d’épaisseur d’une couche superficielle Δh est le quotient du volume d’usure ΔV par la surface de contact A. On obtient alors, avec la formule [1] :
Puisque la distance de glissement parcourue Δd est reliée à la vitesse de glissement v et au temps Δt par Δd = v Δt, on obtient l’expression de l’usure linéique Δh par unité de temps :
On retrouve dans cette formule les aspects énergétiques (de sollicitations) associés à l’effet de certains paramètres sur la durée de vie, le volume ou le taux d’usure (cf. paragraphes précédents).
La pertinence, pour une application, de résultats d’essais issus de deux sources différentes est à peu près assurée, quand, pour des conditions de contact comparables (en pression, vitesse...), on a :
-
la vitesse d’usure
-
et
-
la densité énergétique de sollicitation
identiques ou du même ordre de grandeur ; on peut alors effectuer des estimations de durée de vie ou alimenter les bases de données tribologiques. Pour certains couples de matériaux, notamment en frottement sec, il faut en outre estimer la sensibilité des propriétés tribologiques à l’humidité et à la rugosité initiale. Pour déterminer le taux d’usure dans une application où les conditions de contact présentent une certaine variabilité, une étude plus approfondie est nécessaire.
L’approche...
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Le taux d’usure dans les applications
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - RUMBLE (J.), SIBLEY (L.) - Towards a Tribology Information System. - NBS Special Publication 737, déc. 1987.
-
(2) - BERTHIER (Y.), DUBOURG (M.C.), GODET (M.), VINCENT (L.) - Wear data : what can be made of it ? simulation tuning. Wear Particles : From the Cradle to the Grave. - Tribology Series 21, editors : D. Dowson et al., Elsevier, p. 161-171 (1992).
-
(3) - WOYDT (M.) - Les bases de données tribologiques. - Matériaux & Techniques, No 3-4 (2002). ou http://www.bam.de/tribocollect.htm
-
(4) - ERLEBACH (R.), WOYDT (M.) - TRIDAS-Relational Database System for Tribological Test Data. - Proc. 13th Int. Colloquium Tribology « Lubricants, Materials and Lubrication Engineering », Vol. II, Ostfildern, ISBN 2-924813-48-5, Vol. I, p. 399-408, 15-17 janv. 2002.
-
(5) - ASTM G40 - Standard Terminology Relating to Wear and Erosion (terminology compilation). - http://www.astm.org
-
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