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RÉSUMÉ
Les polymères sont de plus en plus utilisés dans des applications mettant en jeu leurs propriétés liées à l’usure et au frottement (freins, paliers, joints…), ainsi que leur résistance à la formation de rayures (carrosserie, verres de lunette…). Les propriétés rhéologiques des polymères sont donc l’objet d’études poussées. Après une introduction portant sur l’approche expérimentale de l’usure des polymères, l’article aborde la mécanique de contact des polymères. L’influence de la rhéologie des polymères sur leur usure est ensuite largement détaillée. Pour finir, est traitée la corrélation entre les propriétés mécaniques des polymères et la vitesse d’usure sous diverses conditions de contact.
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Eric FELDER : Ingénieur civil des Mines de Paris - Docteur ès sciences - Maître de recherches à l’École des mines de Paris Groupe « Surfaces et Tribologie » Centre de mise en forme des matériaux (Cemef)
INTRODUCTION
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.
Les caractéristiques des principaux polymères évoqués dans cette étude sont rassemblées dans le tableau 1 en et le tableau des symboles pourra être consulté à la fin de cet article.
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Mécanique du contact des polymères
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1. Caractérisation du frottement et de l’usure
1.1 Méthodes d’essai
Frottement et usure se mesurent sur un tribomètre , machine assurant le mouvement relatif de deux corps solides sous une force normale P et maintenue constante le plus souvent. La figure 1 est le schéma de principe des deux types de contact couramment utilisés :
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contact plan/plan ou contact entre pièces de surface conforme (figure 1 a ) : la force P impose une pression (apparente) de contact.
p = P /Aavec :
- A :
- aire de contact macroscopique dite aire apparente de contact.
-
Il faut noter qu’il est relativement difficile d’assurer, au moins initialement, une répartition uniforme de la pression de contact du fait des défauts de planéité des deux antagonistes et des difficultés pour assurer un bon parallélisme de la surface des deux corps ; ce point n’est pas très critique, car en général le volume d’usure V dépend de la force normale P et non de la pression apparente de contact p ;
-
contact entre deux pièces de surfaces non conformes , le plus souvent contact « ponctuel » comme un contact sphère/plan (figure 1 b ) ou entre deux cylindres à axes perpendiculaires : les problèmes de mésalignement et de défauts géométriques ont peu d’influence, mais la pression de contact dépend du mode de déformation des deux matériaux (élastique, viscoélastique ou élastoplastique) et tend à décroître au cours de l’essai du fait d’une déformation plastique ou de l’usure qui augmente l’aire de contact.
considérons un contact entre une bille (rayon R , module d’Young E 1 , coefficient de Poisson ν 1 , limite d’élasticité R e1 ) et un matériau plan (module d’Young E 2 , coefficient...
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Caractérisation du frottement et de l’usure
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - EVANS (D.C.), LANCASTER (J.K.) - The wear of polymers - , in Wear, D. Scott (Éd.). Treatise on materials science and technology, vol. 13, p. 85-139, Academic Press, New York (1979).
-
(2) - PLAY (D.), GODET (M.) - * - Proc. 3rd Leeds-Lyon Symp. Trib., Mech. Eng. Publ. Ltd. Londres, p. 221 (1978).
-
(3) - ARCHARD (J.F.), HIRST (W.) - The wear of metals under unlubricated conditions - , Proc. Roy. Soc. Lond. A236 p. 397-410 (1956).
-
(4) - VANEL (L.) - Le contact stator-rotor dans un moteur piézo-électrique, modélisation mécanique et étude du frottement métal-polymère en vue de l’optimisation de la couche de frottement - . Thèse de Doctorat en Sciences et Génie des Matériaux, École des mines de Paris (1996).
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(5) - BOWDEN (F.P.), TABOR (D.) - The friction and lubrication of solids - . Oxford Clarendon Press- Part I (1950) ; Part II (1964).
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