Théorie de l’usure - De l’observation à la modélisation du transfert

Les articles [TRI500] [TRI501] [TRI502] ont traité de la génération des particules induite par le mouvement relatif entre deux solides (dits premiers corps), point central d’une étude scientifique de l’usure. En mettant à part la corrosion chimique et la diffusion, on a vu que les particules sont émises soit par suite d’un mécanisme de coupe plastique à l’échelle microscopique, soit par suite de l’endommagement progressif du matériau superficiel par les contraintes et les déformations de contacts répétés. Le présent article traite des conséquences de cette première étape. Les particules peuvent sortir du contact et par exemple polluer le lubrifiant ; si celui-ci est insuffisamment filtré, des particules reviendront alors poursuivre l’endommagement des surfaces et accélérer l’usure. D’autres particules peuvent rester dans le contact :

• soit parce que la géométrie du contact et/ou la cinématique ne permettent pas de les expulser ; citons, pour la géométrie, le contact entre deux petites surfaces cinématiques comme un contact plan/plan axisymétrique, et pour la cinématique le cas du fretting wear, ou usure par petits débattements ;

• soit parce que ces particules ont adhéré à la surface d’un des deux premiers corps.

Le transfert se manifeste donc par la formation sur une pièce A frottant sur une pièce B d’un dépôt de matière de B. La surface de A est alors transformée, les mécanismes de contact peuvent être bouleversés et l’usure comme le frottement changer dramatiquement. C’est ce dernier mécanisme, le « transfert adhésif », qui est au cœur du présent article.

Ce phénomène peut toucher tout type de contact. On verra que les caractéristiques de la couche de transfert, la sévérité de ses conséquences aussi sont fonctions des conditions nominales de fonctionnement du système tribologique : pression de contact, température de service, vitesses, lubrifiant et système de lubrification. C’est au point que l’on peut distinguer :

• des cas où, en contact « bien » lubrifié, un film de transfert constitué de fins débris d’usure et de lubrifiant, comportant généralement une phase solide soudée à A et une phase « pâteuse » peu liée, assure un bon fonctionnement tribologique du contact ;

• des cas où un film de transfert épais et solide, fortement adhérent à A, formé par rupture à l’intérieur de B de jonctions fortes A-B formées à l’échelle microscopique, donne un contact B/B. Cette situation conduit fréquemment au grippage avec usure sévère par adhésion qui peut dégénérer en soudage des deux pièces, c’est-à-dire arrêt du système lorsque sa motorisation n’est plus capable d’imposer le mouvement relatif. On avait bien souligné dans [TRI 500] que le contact entre deux matériaux de même nature conduit le plus souvent à un mauvais fonctionnement tribologique et une vitesse d’usure élevée.

Cet article s’intéresse aux transformations morphologiques des surfaces, aux changements de leurs propriétés et à l’évolution de la nature et des mécanismes de contact induits par le transfert adhésif. L’objectif est de comprendre par l’observation afin de modéliser ces évolutions et leurs conséquences. Le transfert adhésif, comme tous les mécanismes de formation de « troisième corps », est en fait un échange permanent de particules qu’il faut traiter comme un régime « d’équilibre dynamique ». Cela ouvre des perspectives de solution des problèmes induits, qui peuvent, de par cette caractéristique, être réversibles s’ils sont traités à temps et si l’on se donne les moyens de changer temporairement les conditions de contact pour ramener le point d’équilibre du film de transfert vers des propriétés compatibles avec le fonctionnement correct du système.

Deux exemples sont donnés, l’un relatif au frottement sec métal/polymère, l’autre au laminage à froid de tôles en régime de lubrification mixte, où l’adhésion des particules à un des antagonistes joue un rôle fondamental.