Usure des polymères - Étude expérimentale. Mécanique du contact

L’expérience montre que, pour faire glisser deux corps solides l’un sur l’autre, il faut exercer une force dans la direction du mouvement relatif dite force de frottement ; en outre, l’observation des corps après un mouvement relatif important révèle le plus souvent que leur volume a diminué dans la zone de contact : c’est le phénomène d’usure. Usure et frottement sont donc deux phénomènes étroitement liés, étudiés par la tribologie, mais leurs relations mutuelles sont loin d’être toutes comprises actuellement et dépendent fortement, et souvent de manière peu intuitive, des conditions de contact (pression, vitesse relative…), de l’environnement (température, humidité…) et des matériaux impliqués : ainsi le changement d’un des deux matériaux peut amener une baisse du frottement, mais une augmentation de l’usure. Ces deux phénomènes sont très importants sur le plan pratique. Dans le cas, par exemple, d’un palier sec, le frottement conditionne l’énergie dissipée dans le contact et donc les pertes énergétiques dans le palier ; l’usure détermine la durée de vie du palier.

Les polymères sont de plus en plus employés dans des applications mettant en jeu leurs propriétés tribologiques : paliers, engrenages, freins, joints, prothèses orthopédiques, semelles de ski… Par ailleurs, un grand nombre de produits en polymères ou revêtus de films minces polymères doivent présenter une bonne résistance à la formation de rayures produites par la mise en contact avec des particules « libres » ou des objets : carrosseries d’automobiles, verres de lunettes, corps d’appareils électroménagers… La conception de ces pièces nécessite donc une bonne connaissance de leurs performances tribologiques. Les problèmes de frottement des polymères sont traités dans l’article Frottement des plastiques  ; par ailleurs, l’article Essais rhéologiques et thermiques  présente les divers essais tribologiques normalisés.

Cette étude, qui comprend deux parties, est donc principalement consacrée aux aspects scientifiques de l’usure des polymères, la discussion des aspects du frottement n’étant effectuée que lorsqu’elle s’avère nécessaire pour une meilleure compréhension des phénomènes. Nous présentons dans cette première partie l’approche expérimentale qui est essentielle. Puis, après un bref rappel sur la mécanique du contact des polymères, nous discutons les relations entre les diverses propriétés mécaniques (rhéologie, propriétés de rupture) des polymères et leur usure dans diverses conditions de contact.

La seconde partie présentera les aspects thermiques de l’usure, les performances des composites et les applications pratiques.