Contexte tribologique
Simulations numériques en tribologie - Contact sec et lubrification solide

1.1 Rappels historiques

Le frottement est complètement intégré à nos comportements quotidiens au travers de petits gestes simples comme tenir un crayon, marcher, etc. D'un point de vue plus pragmatique, il est également au centre de nombreuses problématiques industrielles (durée de vie des mécanismes [36] [80] [113], différentes formes d'usure [12] [13], les crissements de frein [78], réduction du bruit [110]...) et économiques (coût de l'ordre de 2,5 % du PIB de la France, dépense d'énergie, échauffement...). Pour ces multiples raisons, depuis les temps historiques (voir les tribologues des fresques égyptiennes), l'homme essaye de minimiser ou de maximiser le frottement en fonction de ses besoins.

C'est à partir de la Renaissance avec les travaux de Léonard de Vinci (1452-1519), suivis de ceux de Guillaume Amontons (1663-1705) et Charles de Coulomb (1736-1806), que l'homme commence à mettre en forme le frottement aux travers de lois. Il faudra attendre 1881 pour voir apparaître les premiers modèles de contact grâce au travaux de Hertz [46] et 1953 pour voir apparaître les premières lois d'usure (proposées par Archard à partir d'essais pion-disque [5] [6] [7]) faisant intervenir le volume usé, la force normale appliquée, la distance relative parcourue ainsi qu'un paramètre de calage k représentant un facteur de probabilité résultant des essais fait pour un jeu de matériau. De cette loi et de ces dérivées premières, naquirent plus d'une centaine de modèles différents [67] partant du fait que plus le nombre de paramètres est grand, plus il est facile de représenter les résultats expérimentaux. Pour pallier cette généricité, Lim et al [67] proposeront des cartes d'usure, fonction d'une vitesse V et d'une pression de contact P adimensionnées, permettant de caractériser le type d'usure (douce, sévère, délamination...). Mais ce type d'approche s'avérera vite non transposable d'une condition de contact à une autre.

L'une des raisons essentielles des difficultés rencontrées jusqu'alors est que les problèmes de frottement et l'usure sont, comme de nombreux problèmes, la résultante de phénomènes multi-physiques et se développant à diverses échelles (macroscopiques, microscopiques, atomiques...), et qui de plus sont fortement couplés. D'un point de vue mécanique, dans le cas d'un mécanisme par exemple, les contraintes au niveau du contact dépendent du contact lui-même ainsi que du mécanisme global....