Article de référence | Réf : TRI1450 v1

Principe de la ferrographie
Débris d'usure - Indices connexes en tribologie

Auteur(s) : Caroline Richard

Date de publication : 10 juin 2013

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Présentation

RÉSUMÉ

Quel que soit le type de contact entre deux pièces mécaniques, le frottement et l'usure qui en découlent peuvent amener à la génération de débris. Ceux-ci peuvent se révéler d'excellents indices afin d'expliciter les mécanismes d'usure intervenus. Ici sont répertoriés les notions de troisième corps, de circuit tribologique ainsi que les différents paramètres et méthodes permettant de caractériser la morphologie des particules d'usure. Un exemple typique est donné concernant les débris d'usure souvent désignés comme responsables de l'échec d'implantation des prothèses orthopédiques.

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ABSTRACT

Wear debris -Related indices in tribology

Regardless of the type of contact between two mechanical parts, friction and induced wear may generate debris. This debris can be an excellent means in order to investigate and explain wear mechanisms. The concepts of third body, tribological circuit, as well as various parameters and methods for the characterization of the morphology of wear particles are listed . A typical example is provided concerning wear debris which is often held responsible for the failure to implant prosthetic devices.

Auteur(s)

  • Caroline Richard : Professeur des Universités, Université François Rabelais de Tours, Polytech'Tours

INTRODUCTION

La tribologie, « science carrefour », a été successivement abordée sous trois angles différents lors des cinquante dernières années. La première approche qui concerne en particulier la tribologie des volumes a permis la détermination de lois de comportement de frottement et d'usure. Elle repose avant tout sur les concepts de la mécanique et les matériaux sont réduits à quelques propriétés fondamentales intrinsèques (module de Young, coefficient de Poisson, dureté…). L'échelle considérée alors est d'ordre macroscopique. La deuxième approche s'intéresse à la tribologie des surfaces et vise plus spécifiquement l'étude des matériaux. Grâce à la mise au point de moyens d'analyse de surface de plus en plus fins et à leur utilisation de plus en plus courante (ESCA, XPS, Auger, SIMS, SDL, AFM…), cela a mené à la physico-chimie des surfaces et donc à la compréhension des comportements tribologiques à l'échelle microscopique, voire nanoscopique. La troisième approche a pour objet la tribologie des interfaces, elle induit une complémentarité mécanique/matériaux, soit un « mix » des deux premières approches. Elle tient ainsi compte de la notion d'écrans intercalaires statique et dynamique. Les trois outils conceptuels de base de cette dernière approche donnent un rôle déterminant à des éléments interfaciaux (troisième corps) bordant les deux massifs (premiers corps). Ces trois outils conceptuels sont :

  • le triplet tribologique ;

  • les mécanismes d'accommodation de vitesse ;

  • le circuit tribologique.

La tribologie des interfaces ne permet pas la prédiction des phénomènes, mais elle fournit un cadre conceptuel, soit une construction logique où l'on peut les répertorier et les classer. Il s'agit d'une théorie cadre, basée sur des données expérimentales, qui fournit des principes généraux et ouvre à d'autres théories plus spécifiques, avec des possibilités d'innovation.

Notons également que quel que soit le type d'usure, lorsque des surfaces sont en contact et en mouvement relatif, des débris d'usure donc troisième corps peuvent être générés de manière plus ou moins immédiate. Ceux-ci sont soit éjectés du contact, soit piégés à l'interface des deux pièces antagonistes, pouvant créer encore plus de dommages aux surfaces. La morphologie des débris d'usure est directement reliée à la destruction des surfaces interagissantes et est, par conséquent, indicatrice des processus d'usure et de leur sévérité. Dès les années 1970, des systèmes d'analyse d'images ont été mis à profit afin de qualifier les débris. Cet article répertorie un certain nombre d'exemples montrant la prise en compte de ces véritables indices permettant de remonter aux scénarii d'« avarie tribologique ». Il sera ainsi décrit les concepts de troisième corps, de circuit tribologique ainsi que les différents descripteurs souvent utilisés pour caractériser les particules d'usure. La technique par ferrographie analytique appliquée aux débris d'usure rencontrés dans les prothèses articulaires illustrera ce domaine particulier de la tribologie.

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KEYWORDS

wear debris   |   third body   |   contamination of tribological contacts   |   ferrography   |   image analysis

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-tri1450


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4. Principe de la ferrographie

La méthode d'essai repose sur une évaluation visuelle au microscope de particules extraites et déposées sur une préparation microscopique appelée ferrogramme. Elle consiste à évaluer le mécanisme d'usure à travers l'observation de la forme, la couleur, les contours de ces particules, les effets d'un champ magnétique. Associée à d'autres essais d'analyse, la ferrographie analytique permet de déterminer la cause à l'origine d'une défaillance et peut ainsi contribuer à la prévention des défaillances (et ainsi de réaliser de la maintenance préventive). Elle permet d'établir un diagnostic sur le type d'usure et sa sévérité.

La ferrographie, technique utilisée avec succès pour l'analyse des lubrifiants ou des fluides hydrauliques, a été développée il y a maintenant quarante-trois ans par Foxboro Analytical. Elle consiste à fixer, dans un tube capillaire (ou sur une plaque de verre) placé dans un champ magnétique intense à haut gradient (de l'ordre de 5,105 G. cm-1), les particules métalliques d'usure contenues dans un échantillon prélevé. Celles-ci se déposent et se positionnent sur le support en fonction de leur susceptibilité magnétique, c'est-à-dire leur faculté de s'aimanter sous l'action d'une excitation magnétique, et de leur masse.

Il existe deux techniques d'analyse ferrographique :

  • la ferrographie « à lecture directe » ;

  • la ferrographie « analytique ».

C'est cette dernière qui est utilisée pour effectuer une étude morphologique approfondie des particules d'usure ; elle fournit également des informations sur la taille, la composition et la concentration des particules.

Le dépôt est préparé sur un support plan une lame de verre ou plastique (ferrogramme), et examiné à l'aide d'un microscope bichromatique (ferroscope) ou sur un microscope électronique à balayage. La figure 9 montre le principe d'un ferrogramme analytique ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - GODET (M.) -   The third-body approach : A mechanical view of wear  -  . Wear, Vol. 100, no 1-3, p. 437-452(1984).

  • (2) - GODET (M.) -   Third-bodies in tribology  -  . Wear, Vol. 136, no 1, p. 29-45 (1990).

  • (3) - LUDEMA (KC) -   Wear of materials.  -  Ed. Sc. ASME, (1985).

  • (4) - LUDEMA (KC.) -   Third bodies in wear models.  -  Wear particles, (1992).

  • (5) - BILL (R.C.) -   Review of Factors That Influence Fretting Wear, Materials Evaluation Under Fretting Conditions.  -  ASTM STP 780, American Society for Testing and Materials, p. 165-162 (1982).

  • (6) - DENAPE (J.) -   Science Friction : introduction à la tribologie – frottement et usure des matériaux Dans Cours de 5e année – Dominante Génie des Matériaux  -  ....

1 Support numériques

Wear Debris Atlas – Spectro. Inc – Email : http://[email protected]

Wear Particle Atlas 2.0 – CD ROM Noria – Lubrosoft Pty Ltd – http://[email protected]

Tribology Solutions – CSI LTS – Computational systems, Inc. Knoxville, TN 37932 USA.

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2 Outils logiciels

Logiciel d'analyse d'images Visilog 7 de Noesis – http://www.noesis.fr

Logiciel d'analyse d'images open source Image J – https://imagej.fr.softonic.com/

Logiciel de data mining open source Weka 3 http://www.cs.waikato.ac.nz/ml/weka/

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3 Sites Internet

http://www.machinerylubrication.com/Read/960/wear-debris-analysis

http://www.machinerylubrication.com/Read/28859/lubricant-particles-characterization...

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