Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
Auteur(s)
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Michel CARTIER : Responsable du département mécanique des surfaces et tribologie de HEF R & D (hydromécanique et frottement)
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Philippe KAPSA : Directeur de recherches au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) - Directeur du laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes, UMR CNRS 5513
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Selon la plupart des glossaires et définitions appartenant à la littérature technique spécialisée, l’usure correspond à la « perte progressive de matière de la surface active d’un corps, par suite du mouvement relatif d’un autre corps sur cette surface ».
Du point de vue du mécanicien, la notion d’usure est beaucoup moins restrictive car elle s’applique plus généralement à tout évènement conduisant à une perte de fonction des composants ou systèmes, ce point de vue corroborant d’ailleurs les définitions plus communes qui associent à l’usure la détérioration due à l’usage.
La perte de fonction correspond aux dysfonctionnements qui peuvent résulter :
-
des évolutions dimensionnelles, géométriques des pièces, telles que l’accroissement des jeux dû à une perte de cote (dégradation de la précision, etc.) ou au contraire, le colmatage des interfaces par l’accumulation de débris (blocage, coincement...) ;
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des phénomènes de dégradation des surfaces (rayures, sillons, cavités, excroissances...) dont l’influence peut être dommageable à plusieurs égards : déficience d’une étanchéité, altération des propriétés mécaniques des composants ou encore détérioration de l’aspect...
À ces manifestations possibles de l’usure, qui correspondent aux constats réalisables sur les pièces, peuvent s’ajouter un certain nombre d’effets directs ou indirects, préjudiciables au fonctionnement normal d’un mécanisme et/ou à son environnement : vibrations, bruits, émission de particules, accroissement de la puissance consommée, du niveau de température, de la consommation de lubrifiants...
La diversité des formes possibles de détérioration pose, en pratique, le problème de la définition des critères de l’usure ; en effet, dans les cas où l’usure ne correspond pas à une évolution dimensionnelle quantifiable (perte de cote), elle ne peut être corrélée à des grandeurs directement mesurables sur les éléments de machine. En particulier, la notion de taux d’usure, qui exprime la perte de matière en fonction de la distance parcourue, est totalement inadaptée pour un grand nombre de situations, de sorte que l’on préférera souvent parler de durabilité qui fait référence au temps, ou au nombre de cycles d’utilisation pendant lequel la fonction est maintenue.
Cependant, si l’usure est, dans le cas général, dommageable, il est un cas au moins où le phénomène, pris exclusivement sous l’angle des évolutions géométriques, est favorable. Ainsi, et à condition qu’elle soit contrôlée, l’usure est-elle exploitée pour assurer le rodage des mécanismes.
Dans l’ensemble des secteurs industriels concernés par l’usure, plus de deux tiers des problèmes rencontrés relèvent de la mécanique (dans ce domaine, 30 % des avaries sont imputables à l’usure). Liée aux déplacements de deux corps l’un par rapport à l’autre, l’usure se rencontre plus particulièrement sur toutes les machines dont les fonctions utilisent les actions de contact : transmission des forces ou mouvements entre les différentes parties constitutives, guidages en rotation ou translation, assemblages, étanchéités...
La notion de « déplacements » n’implique pas uniquement ceux prévus par la cinématique mais s’adresse aussi aux mouvements d’amplitude très faible, pouvant être induits par la seule déformation élastique des pièces (par exemple les glissements relatifs dans l’empreinte de contact d’une bille sur son chemin de roulement, ou au contact d’une bague frettée sur un arbre soumis à déformation par flexion...).
Cet article est le premier d’une série de quatre articles traitant de l’usure des contacts mécaniques. Il est suivi de :
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3. Définitions
3.1 Accommodation (ou adaptation)
L’accommodation (ou adaptation) correspond à la faculté qu’a un matériau de se déformer (élastiquement ou plastiquement) dans le contact afin de mieux répartir la charge à laquelle il est soumis.
Au plan macroscopique, c’est ce qui se passe par exemple en cas de désalignement d’un arbre dans son coussinet lorsque l’arbre « fait sa place » sur le bord du coussinet. Si les propriétés d’accommodation n’étaient pas suffisantes dans un tel cas, la pression de contact anormalement élevée pourrait entraîner des dégradations de surfaces (fissuration, décohésion notamment) par surpression sur arête (figure 1). L’accommodation, qui peut concerner les surfaces à l’échelle des rugosités, ou les couches plus profondes des matériaux, se réalise en règle générale sur la plus petite longueur cinématique 3.6.
Le module de Young (module d’élasticité) rend compte de l’aptitude d’un matériau à accommoder : plus ce module est bas, plus le matériau peut se déformer. À défaut de pouvoir agir sur le module de Young (cas du contact de deux pièces en acier par exemple), on peut jouer sur les duretés relatives des deux pièces en choisissant des traitements thermiques et/ou des conditionnements de surface appropriés. Parmi ces derniers peuvent être cités par exemple, sur aciers :
-
certains traitements de conversion tels que la phosphatation, la sulfuration ;
-
les dépôts de couches à base de métaux tendres comme l’étain, l’argent ;
-
les revêtements à base de polymères et lubrifiants solides (revêtements autolubrifiants).
Ces conditionnements de surfaces sont avantageusement utilisés pour conférer des propriétés d’accommodation superficielle à des matériaux à hautes caractéristiques mécaniques, dont l’emploi peut être justifié par les impératifs de résistance à l’usure par déformation, fatigue superficielle entre autres.
À l’inverse, les plus mauvaises propriétés...
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Définitions
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BELOT (J.M.), RIGAUT (B.) - Importance économique de l’usure. - CETIM informations n° 141, p. 29-32 (1994).
-
(2) - TIMOSHENKO (S.), GODIER (J.N.) - Theory of elasticity. - Dunod (1951).
-
(3) - CAUBET (J.J.), CARTIER (M.) - Analyse des contraintes résultant du contact de deux corps frottants. - Les Mémoires du CETIM n° 1 (1969).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1.1 Organismes de formation (liste non exhaustive)
Conservatoire National des Arts et Métiers – Centre d’Actualisation des Connaissances et de l’Étude des Matériaux Industriels (CNAM-CACEMI) :
– Dégradation des surfaces par usure en construction mécanique
Institut National des Sciences Appliquées (INSA) :
– Frottement – Lubrification – Tribologie : Applications aux mécanismes
Centre Technique des Industries Mécaniques (CETIM) :
– Frottement, usure : optimisation de la conception mécanique et du choix des matériaux
HEF Formation :
– La mécanique des surfaces (frottement-usure)
– Traitements et revêtements de surfaces appliqués aux problèmes de frottement
École Centrale de Lyon (ECL) :
– Les expertises en tribologie
– Les principes de la tribologie et leurs applications
– Pratique de la microscopie à force atomique (AFM), monodureté et mécanique du contact
Institut Supérieur des Matériaux et de la Construction Mécanique (ISMCM) – Centre d’Études Supérieures des Techniques Industrielles (ISMCM-CESTI) :
– Tribologie et applications
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