Théorie de l’usure - Mécanismes d’usure

Le mouvement relatif entre deux solides engendre deux phénomènes indissociables : le frottement, c’est-à-dire la résistance mécanique à ce mouvement relatif, et l’usure, c’est-à-dire une perte de matière des corps antagonistes. Contrairement au frottement qui a des conséquences positives et négatives l’usure des pièces frottantes des mécanismes et des outils de fabrication n’a que des côtés négatifs et doit être minimisée. Toutefois, un contact implique deux antagonistes et il est souvent souhaitable de concentrer les phénomènes d’usure, a priori inévitables, sur l’une des deux pièces, la plus facile et la moins coûteuse à changer. Par ailleurs, dans les procédés d’usinage par abrasion, il faut ôter de la matière au matériau de la pièce usinée à la vitesse la plus élevée possible, tout en minimisant l’endommagement et l’usure des agents abrasifs. Comme il faut pouvoir prendre en compte l’usure dans la conception des machines et des opérations de fabrication, l’objectif de cette série d’articles est de fournir des modèles permettant de prévoir la vitesse d’usure des pièces frottantes et des outils de fabrication et ainsi maîtriser leur durée de vie.

Après avoir précisé les enjeux associés à la maîtrise de l’usure, l’article précédent [TRI 500] définit l’usure et décrit des méthodes de mesure. Puis il rappelle les principaux critères permettant de caractériser les modes d’interaction entre les pièces frottantes : nature du régime de lubrification et du mode de déformation des microcontacts. Il présente la loi de Preston-Archard qui décrit l’effet sur l’usure de la force normale et de la longueur de glissement à l’aide de la vitesse d’usure k. Il discute ensuite l’origine microscopique de cette loi et ses limites expérimentales. Après avoir précisé des ordres de grandeur de la vitesse d’usure en frottement à sec de divers matériaux, il montre comment cette loi permet le calcul de l’usure de divers systèmes tribologiques et l’analyse mécanique de procédés d’usinage par abrasion.

Cet article présente les mécanismes d’usure d’origine mécanique (abrasion, adhésion, fatigue mécanique, extrusion de bavures), thermomécanique (fluage, fatigue thermique) et physico-chimiques (diffusion, tribocorrosion). Il insiste sur les interactions entre ces divers mécanismes d’usure et précise les ordres de grandeur des vitesses d’usure correspondantes.

Pour approfondir certains aspects plus appliqués, comme par exemple la description détaillée de pièces usées ou la mise en place de solutions comme la déposition d’un film protecteur, le lecteur pourra consulter avec profit les articles « Usure des contacts mécaniques » [BM 5 065] [BM 5 066] [BM 5 067] [BM 5 068] de la même base documentaire.