Dégradation de contact électrique sous fretting 

Technologie de surface

Du point de vue thermodynamique, la surface est la partie la plus instable d’un système. Elle est généralement l’endroit le plus vulnérable au dommage. Lors de l’usinage, une certaine texture cristallographique se crée à la surface dont la réactivité chimique croît avec la densité atomique de ses plans cristallins. Très avide d’oxygène, la surface métallique se transforme souvent en oxyde. En interaction constante avec son environnement ambiant, une surface n’est jamais propre. Il en résulte une microcouche qui se recouvre de contaminants tels que de la vapeur d’eau, de l’huile condensée, des particules de fumée et de fines poussières, etc.
La technologie de surface est une science récente qui se réfère au contrôle d’avaries originaires de la surface des composants où les mécanismes de destruction peuvent être d’ordre physique, chimique, physico-chimique, thermiques, biologique, etc.
On assiste durant ces dernières décades à un développement rapide de cette discipline afin de réduire la friction et d’améliorer les propriétés de surface telles que la résistance à l’usure et à la corrosion. Pour cela plusieurs techniques de revêtement de surfaces ont été développées et mises en œuvre. On cite, entre autres, le dépôt par faisceaux laser, la projection plasma, le PVD (Physical Vapor Deposition), le CVD (Chemical Vapor Deposition) et l’implantation ionique.

Interaction matériaux et environnement

Les matériaux sont à la base de la technologie. Ils ont été développés principalement pour des applications structurales, tribologiques, électroniques, thermiques et autres. Les aspects de disponibilité future de la matière première ou de la recyclabilité reçoivent souvent peu de considération. Par exemple, certains contacts souvent efficaces du point de vue électrique sont peu recyclables tels que les alliages qui forment des intermétalliques (Pb-Sn, Cu-Sn). De nos jours, il est admis que des considérations de durabilité et de recyclabilité doivent être incluses au niveau design et du développement des matériaux. Les soucis de la fiabilité et de la prédiction de la durée de vie des produits sont devenus grandissants au point de devenir une exigence additionnelle par le client d’aujourd’hui et, dans de nombreux cas, par les normes et les lois portant sur la protection du consommateur et de l’ environnement. La réduction de la pollution que génère une technologie est une question de grande actualité qui suscite l’intérêt de la recherche pratique et fondamentale. Ceci peut être atteint, en grande partie, par un choix bien réfléchi des matériaux. On cite souvent l’utilisation de fluides de refroidissement biodégradables et de matériaux recyclables.

Troisième corps et débris d’usure

Le modèle de contact à 3 corps a été introduit pour la première fois par Maurice Godet en 1970. Celui-ci a proposé de décrire le contact d’un système tribologique comme composé de deux solides de comportement généralement élastoplastique et d’un film intercalaire dont la rhéologie est souvent mal connue. Cette couche de 3ième corps prend souvent naissance à partir des débris fins d’usure qui facilitent une meilleure adaptation des surfaces de frottement du système tribologique.
La nature des débris d’usure ainsi que leur évolution morphologique dans le contact peuvent accélérer l’usure. Auquel cas, l’action abrasive constituera le mécanisme dominant dans la destruction sous fretting des surfaces. De même, la facilité que possèdent les particules du troisième corps de s’échapper des régions de contact exerce une forte action sur le taux d’usure (Varenberg, Halperin, & Etsion, 2002). Ils indiquent que l’adhésion prédomine lorsque les particules d’oxydes agissent comme un lubrifiant solide et l’abrasion est dominante quand les oxydes produits agissent comme micro outil. Ils notent que des micro-irrégularités de surface améliorent la conductibilité électrique du contact.
À l’opposé, il a été montré que la protection contre l’adhésion que peuvent éventuellement offrir ces particules fines peut diminuer la vitesse de dégradation dans le contact. Certains oxydes métalliques se comportent comme un lubrifiant solide ce qui réduit l’usure (Varenberg et al., 2002). On cite souvent le cas du fer. L’oxyde ferrique et son hydroxyde sont considérés comme des lubrifiants solides, l’oxyde ferreux est abrasif.

Mécanismes de destruction en fretting

L’usure par fretting d’un contact métal-métal est caractérisée par la production de très fines particules métalliques de l’ ordre du micron ou moins qui s’oxydent instantanément. Le caractère céramique de ces débris conditionne essentiellement le comportement en fretting. Il a été démontré que le mécanisme d’oxydation des particules prédomine pour les faibles amplitudes de glissement et que la tribo-oxydation rend l’usure sévère aux amplitudes plus élevées (Ohmae & Tsukizoe, 1974). Un mécanisme important de la dégradation par oxydation consiste dans le détachement périodique de l’oxyde formé quand il atteint une épaisseur critique. La tribo-oxydation, quant à elle, elle est le mode de destruction par oxydation et frottement. Le mouvement relatif mène à la formation de débris. Les particules métalliques sont détachées des zones très fortement déformées de la surface. Ces particules possèdent des propriétés et des structures qui peuvent être très différentes de celles du substrat (Blanchard, Colombie, Pellerin, Fayeulle, & Vincent, 1991). L’interface entre les surfaces de glissement est sensible à tout changement d’ordre physique ou chimique. La réduction de la friction est souvent due à la diminution de la tendance à l’adhésion métal- métal.

Déformation plastique et particules d’usure

Diverses études montrent que les métaux ductiles subissent de grandes déformations plastiques avec un degré d’écrouissage élevé en surface ou tout près de la surface (Vingsbo & Soderberg, 1988), (Waterhouse, 1992). La microscopie de ces zones minces et hautement plastifiées révèlent que cette déformation plastique accentue davantage l’usure par détachement de particules ou de copeaux notamment à partir des micro vides qui servent de sites d’amorces et de propagation de microfissures (KENNEDY, 1982).
(Ohmae, 1987) explique que ces microfissures prolifèrent et se propagent à cause des contraintes cycliques dues au passage répété du corps frottant. Ces contraintes favorisent la propagation de fissures sous-cutanées avant de déboucher à la surface. Quant aux fissures de subsurface localisées sous la zone hertzienne, elles avancent parallèlement à l’interface de contact durant le glissement. Deux phénomènes peuvent expliquer la formation de petits copeaux : la rupture de la couche de transfert ou la rupture dans une subsurface des métaux en présence.
La théorie de la délamination basée sur les dislocations stipule que la formation de la couche de transfert est reliée aussi bien à l’ énergie de cohésion des corps solides du contact qu’à l’énergie d’adhésion à l’interface. Ce phénomène est d’une grande importance dans le détachement des particules et des copeaux en usure (Ohmae, 1987).
La délamination est due aux fissures qui se rejoignent sous l’action du cisaillement pour former des plaquettes qui seront arrachées de la surface en forme de petits copeaux (N .P. Suh, 1973).

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 TECHNOLOGIE DE SURFACE 
1.1 Dégradation de surface
1.2 Usure et mécanismes
1.3 Technologie de surface
1.4 Critères de sélection d’un matériau à résistance optimale à l’usure
1.5 Interaction matériaux et environnement
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE 
2.1 Interaction
2.2 Causes de micro mouvements oscillatoires
2.3 Surfaces de contact
2.4 Troisième corps et débris d’usure
2.5 Considérations de déformation de surfaces
2.6 Contact hertzien
2.7 Régimes de fretting
2.8 Mécanismes de destruction en fretting
2.9 Fretting fatigue
2.10 Théories de l’usure
2.10.1 Déformation plastique et particules d’usure
2.10.2 Particules d’usure
2.10.3 Transfert de matière
2.10.4 Modèles d’usure
2.11 Dégradation de contact électrique sous fretting
2.11.1 Introduction
2.11.2 Effet de la température
2.11.3 Effet du courant électrique
2.11.4 Résistance électrique
2.11.5 Effet de la charge
2.11.6 Polarité
2.11.7 Les intennétalliques
2.11.8 Triboémission
CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE ET PROCÉDURE EXPÉRIMENTALE
3.1 Appareil de fretting
3.2 Choix des matériaux
3.3 Propriétés des matériaux
3.4 Procédure expérimentale
3.4 .1 Fretting sans courant électrique
3.4.2 Fretting avec courant électrique
3.5 Techniques de caractérisation de la dégradation
3.5.1 Mesure du coefficient de friction
3.5.2 Quantification de la dégradation: volume de métal perdu
3.5.3 Calcul du taux d’usure
CHAPITRE 4 RÉSULTATS
4.1 Dégradation sans courant électrique
4.1.1 Taux de dégradation
4.1.2 Relation entre la pente en méso-fretting et le niveau d’usure en frottement à basse amplitude
4.1.3 Coefficient de friction : amplitude du mouvement
4.1.4 Coefficient de frottement : nombre de cycles
4.2 Fretting et courant électrique
4.2.1 Taux de dégradation
4.2.2 Dégradation en fretting
4.2.3 Caractérisation mécaniques des surfaces
4.2.3 .1 Mesures de micro dureté
4.2.3.2 Écrouissage des matériaux
4.2.3.3 Effet du courant
4.2.4 Coefficient de friction
4.2.5 Résistance à la dégradation des couples
CHAPITRE 5 DISCUSSION 
5.1 Fretting sans courant électrique
5.1.1 Représentation généralisée du comportement à l’usure
5.1.2 Description macroscopique
5.1.3 Établissement d’un modèle mathématique
5.1.3.1 Changement de variables
5.1.3.2 Représentation des données: taux d’usure expérimentale et taux d’usure du modèle mathématique
5.1.4 Facteurs influents
5.1.4.1 Contacts à faible usure : classe I
5.1.4.2 Contacts à usure intermédiaire: classe II
5.1.4.3 Contacts à haute usure : classe III
5.1.5 Étude morphologique des traces de fretting
5.1.5.1 Cas de AISI 52100-316L : matériau dur- matériau mou
5.1.5.2 Cas de 6061 T6-316L : matériaux de dureté proche
5.1.6 Schématisation de l’usure en méso-fretting
5.1.7 Discussion
5.2 Contacts sous courant électrique
5.2.1 Rapport du taux d’usure et de la dureté relative
5.2.3 Évolution de l’usure sous courant électrique
5.2.4 Effet combiné du courant et de l’ amplitude
CONCLUSION

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