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1 - CONTEXTE

  • 1.1 - Compréhension et modélisation de l’usure et de ses conséquences par la théorie du 3e corps
  • 1.2 - Notion de troisième corps, débit et circulation de particules d’usure

2 - MODÉLISATION DE LA CIRCULATION DES PARTICULES

3 - USURE ADHÉSIVE ET GRIPPAGE : COUCHE DE TRANSFERT EN LAMINAGE

4 - CONCLUSION

5 - NOTATIONS

Article de référence | Réf : TRI504 v1

Usure adhésive et grippage : couche de transfert en laminage
Théorie de l’usure - De l’observation à la modélisation du transfert

Auteur(s) : Eric Felder, Pierre Montmitonnet

Date de publication : 10 mars 2017

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RÉSUMÉ

Cet article traite des couches formées par transfert de matière entre deux corps en contact frottant par des mécanismes conjuguant abrasion et adhésion. Leurs conséquences sur le frottement et l'usure dépendent considérablement de leur structure, de la taille des particules d’usure qui les constituent, de leur adhésion aux premiers corps. A l'aide de la théorie du troisième corps, en écrivant un bilan des échanges de particules, on peut construire des modèles descriptifs des phénomènes observés. Deux exemples, l’un relatif au frottement sec métal/polymère, l’autre au laminage à froid de tôles en régime de lubrification mixte sont donnés où l'adhésion des particules joue un rôle fondamental.

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ABSTRACT

Wear Theory.From Observation to Modelling of Transfert

This article deals with layers formed by the transfer of matter between two bodies in frictional contact by a combination of abrasion and adhesion. Their impact on friction and wear depends considerably on their structure, the size of the wear particles they comprise, and their adhesion to the first bodies. Using the third body theory, writing a balance of particle exchanges, we can build quantitative models that describe the observed phenomena well. Two examples, one related to metal/polymer dry friction, the other to sheet cold rolling in a mixed lubrication regime are given where particle adhesion on one of the antagonists plays a decisive role.

Auteur(s)

  • Eric Felder : Maître de Recherches honoraire - MINES ParisTech-CEMEF, Antibes, France

  • Pierre Montmitonnet : Directeur de Recherches CNRS - MINES ParisTech-CEMEF, Sophia-Antipolis, France

INTRODUCTION

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.

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KEYWORDS

wear   |   third body   |   adhesion   |   transfer layer

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-tri504


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3. Usure adhésive et grippage : couche de transfert en laminage

Tout procédé de fabrication instaure entre les deux premiers corps une relation fondamentalement dissymétrique entre un outil que l’on souhaite le moins déformable et le plus pérenne possible et une pièce qui doit nécessairement être transformée dans sa forme et/ou sa structure de surface et/ou sa microstructure volumique. Le premier impératif entraîne quasi inévitablement les deux autres. Une autre particularité des procédés de mise en forme par rapport à d’autres systèmes mécaniques est que des pressions fortes, pas nécessairement extrêmes (100 MPa à 1 GPa dans la majorité des cas) règnent sur de grandes longueurs, souvent des dizaines de millimètres. Enfin la dissipation d’énergie est en général forte, ce qui se traduit par des échauffements, sans parler du formage à chaud. Le plus souvent, c’est cet échauffement qui, via les températures limites de fonctionnement des lubrifiants, borne la productivité des procédés (vitesse, réduction…).

La source de particules d’usure largement dominante est donc la pièce à former. En laminage, cette source, la bande, est en renouvellement constant, différence majeure avec l’époxyde de l’exemple précédent qui restait en contact tout au long de la phase d’emmanchement. Par contre l’outil, le cylindre, qui joue le rôle de réceptacle, est en contact périodique si l’on considère un point donné de sa surface. Cela le rapproche du cylindre revêtu de Zn-Ni présent lors des essais tribologiques précédents.

L’intérêt de ce second exemple est d’introduire la lubrification. Nous verrons que dans un contexte de mise en forme en régime de lubrification mixte, cela fait ipso facto intervenir de façon majeure l’aspect thermique dû à la dissipation plastique, via la thermo-dépendance de la viscosité du lubrifiant η(T).

3.1 Circuit tribologique des particules d’usure en laminage

Dans une emprise de laminage, le contact fait intervenir

  • deux cylindres de travail (on raisonnera sur l’un d’eux par symétrie), dont un point matériel donné de la surface est en contact périodique, une fois par tour, soit quelques fois par seconde et des dizaines de milliers de fois entre deux changements de cylindres ;

  • une bande métallique en renouvellement permanent : à ceci près que, le laminage étant...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - NELIAS (D.), VILLE (F.) -   Detrimental effects of debris dents on rolling contact fatigue,  -  J. Trib. (Trans. ASME) 122, 1 55-64 (2000).

  • (2) - GODET (M.), BERTHIER (Y.), LANCASTER (J.), VINCENT (L.) -   Wear modeling – Using fundamental understanding or practical experience,  -  Wear 149, 1-2 325-340 (1991).

  • (3) - BOISSONNET (L.), DUFFAU (B.), MONTMITONNET (P.) -   A wear particle-based model of friction in a polymer – metal high pressure contact,  -  Wear 286-287 55-65 (2012).

  • (4) - JACOBS (L.), VERVAET (B.), HERMANN (H.), AGOSTINI (M.), KURZYNSKI (J.), JONSSON (N-G.), PEREZ (J.), REUVER (H.), VAN STEDEN (H.) -   Improving strip cleanliness after cold rolling,  -  Proc. ICTMP 2010 (Nice, June 13-15th, 2010) 753-768. Textes réunis par E. Felder & P. Montmitonnet. Publié par Transvalor-Presses des Mines, Paris (2010).

  • (5) - RIZOULIÈRES (B.) -   Couches de transfert et frottement en laminage à froid des aciers inoxydables,  -  Thèse de Doctorat en Sciences et Génie de Matériaux,...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

  • Développement de structures dans les polymères – Concepts généraux.

  • Usure des polymères – Aspects thermiques et applications.

  • Lubrifiants – Additifs à action chimique

  • Lubrification en mise en forme – Principes généraux et choix

  • Lubrification en mise en forme – Régime de lubrification par films épais.

  • Cataphorèse.

  • ...

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