Les caractéristiques du comportement mécanique des polymères, notamment la viscoélasticité, sont recherchées en industries automobiles, mécaniques et optiques. Mais comment peut-on les déterminer à partir des résultats des essais d’indentation instrumentée de fluage, de relaxation et de rhéologie fréquentielle ?

Malgré la concurrence des autres procédés de mise en forme, les divers procédés d’usinage restent indispensables pour la réalisation de nombreuses pièces. Découvrez les grandes classes de ces procédés, leurs caractéristiques principales, ainsi que leurs performances et leurs importances économiques.

Parmi les techniques permettant de maîtriser le frottement, l’adhésion et l’usure entre deux corps, la lubrification reste la plus fréquente et la plus anciennement pratiquée. Après présentation des principes généraux de la lubrification, cet article expose les modalités spécifiques de la lubrification dans les procédés de mise en forme. Le lubrifiant possède un rôle déterminant dans la réussite de l’opération, son choix doit donc obéir à certaines règles. Défaut de remplissage, propriétés mécaniques non atteintes, rugosité excessive, défauts de surface, outil rapidement hors tolérances… sont parmi les conséquences d’une mauvaise lubrification.

Les déformations plastiques d'un métal mis en forme sont la résultante de multiples jeux d'équations. Cet article présente les méthodes élémentaires de type énergétique de résolution approchée des équations de la plasticité des métaux, le bilan énergétique approché basé sur l'hypothèse de déformation uniforme. Le métal est généralement un solide rigide parfaitement plastique et il vérifie le critère de plasticité de von Mises. Les outils sont rigides et les interfaces métal/outil sont siège d'un frottement de Tresca.

Suivant l’application, un revêtement doit opposer un coefficient de frottement faible pour un glissement, ou fort pour une adhérence, tout en présentant une usure faible. Polymères, céramiques, métalliques, découvrez pour ces matériaux en films minces le lien entre les propriétés mécaniques et leur physico-chimie.

Des méthodes élémentaires de résolution approchée permettent l'approche des équations de la plasticité des métaux basée sur l'analyse des contraintes. Les méthodes de la borne inférieure et des tranches, des exemples d'analyses approchées mixte contrainte/vitesse et la méthode de résolution exacte des problèmes de déformation plane dite des « lignes de glissement », sont présentées dans cet article. Ces approches sont appliquées à l'analyse des procédés de mise en forme, scalpage, écrouissage, étirage, emboutisage, etc.

En régime épais de lubrification, le frottement est fonction uniquement de la pression et de la température de contact. Des travaux théoriques récents ont permis d'étendre aux lubrifiants de rhéologie plus complexe les théories précédentes.

En lubrification, le régime mixte se caractérise par la coexistence de poches de lubrifiants d’épaisseur significative et de films très minces. Quels sont les intérêts et les aspects physico-chimiques de ce régime complexe appelé poches-plateaux ?

Les essais tribométriques ont pour objectif de préciser les performances d’un lubrifiant, mais également de fournir une loi permettant une simulation numérique du procédé de mise en forme. Actuellement, seules trois procédures existent pour caractériser expérimentalement le niveau de frottement et d’usure.  

Cet article s’intéresse à l’élasticité des matériaux métalliques courants. Il s’attarde tout d’abord à préciser les liens entre la contrainte d’écoulement plastique et la dureté pour des matériaux non écrouissables. Puis, il étudie l’influence de l’écrouissage pour différents indenteurs, sphérique, conique de révolution et pyramidal. Des cas d’essais de dureté réalisés sur des matériaux hétérogènes sont ensuite présentés, certains à gradient de dureté, d’autres revêtus d’un film mince ou soumis à un traitement de diffusion.

Cet article est consacré aux essais de dureté, notamment ceux à chaud conduits sur des alliages viscoplastiques. Les essais effectués avec de très faibles forces et pénétrations donnent lieu à des effets de taille, attendus dans le cas d’indenteurs sphériques. Sont également analysés les phénomènes de rupture associés aux matériaux semi-fragiles. Pour terminer, la caractérisation des matériaux anisotropes, mono- et polycristallins, est également abordée.

L’essai de dureté consiste à mesurer les dimensions d’une empreinte résiduelle laissée par un indenteur à la surface d’une pièce. Cet essai permet notamment de contrôler l’état d’une pièce métallique après élaboration : ses capacités de déformation plastique, mais également les hétérogénéités de ses propriétés mécaniques. L’article présente l’évolution historique des concepts de dureté, des moyens d’essais et de leurs limites. Ensuite, il propose une analyse qualitative de l’indentation normale élastoplastique.

L’élasticité joue un rôle prépondérant dans les essais de dureté. L’article débute par une présentation de l’approche analytique de l’indentation élastique, avec une étude de la courbe de décharge dans les essais de nanoindentation et une application aux matériaux revêtus. Il s’intéresse ensuite à l’indentation élastoplastique, avec notamment le modèle d’expansion de la cavité creuse, une présentation par éléments finis dans les cas de l’indenteur sphérique et de l’indenteur conique, et l’étude de la nanoindentation avec des sphères.

Découvrez les techniques d’obtention d’une surface dorée, de la plus ancienne avec la dorure à la feuille, aux plus récentes avec les dépôts sous vide, en passant par les procédés électrochimiques. Chaque technique détermine un mode d'adhésion et des propriétés physico-chimiques et mécaniques de l'interface air-substrat.

Cet article vise à permettre l’optimisation et la prévision de la durée de vie des contacts frottants. La loi de Preston-Archard décrit l’effet sur le volume d’usure de la force normale et de la longueur de glissement à l’aide de la vitesse d’usure. Il présente l’analyse mécanique de contacts frottants à l’aide des modèles microplastiques bidimensionnels et en déduit la vitesse d’usure de matériaux ductiles, pouvant subir de grandes déformations avant rupture. Il discute la validité expérimentale de ce modèle dans le cas des matériaux métalliques et compare cette approche à celles des autres modèles connus.

La mise en forme à l’état solide des matériaux métalliques repose sur leur capacité à subir de grandes déformations irréversibles, dites « plastiques », à partir d’un certain niveau de contraintes. Cette capacité n’est limitée que par les phénomènes d’« endommagement » et de « rupture ». L’objectif de cet article est donc de présenter le jeu d’équations décrivant le champ de vitesses v et de contraintes ?, lors de l’écoulement plastique des matériaux métalliques dans les divers procédés du type laminage, forgeage, tréfilage, étirage, emboutissage, usinage...

Le comportement rigide-plastique est une schématisation du comportement réel des alliages métalliques. Cette schématisation sert de base à la construction de tous les modèles de comportement plastique plus réalistes L’objectif de cette théorie est de décrire le comportement du matériau rigide plastique dans un état de contrainte et de déformation plus général que celui observé dans les essais de mono-chargement, comme la traction, la torsion ou la flexion. Pour cela, il est nécessaire de faire diverses hypothèses et de négliger dans un premier temps des phénomènes plus fins que présentent les matériaux réels.

Cet article est consacré au comportement viscoplastique des métaux à chaud. Ainsi, sont abordés la sensibilité de la contrainte d’écoulement plastique, la vitesse de déformation et celle à la température. Il est bien sûr évident que les phénomènes thermiques, qu’il s’agisse des transferts ou des dissipations d’énergie, jouent un rôle considérable dans les déformations et les contraintes subies par le métal (dilatation, contraction, changement de structure). Pour résumer, l’approche du comportement de la mise en forme à chaud prévoit inévitablement la formulation du comportement viscoplastique et celle du frottement à chaud, ainsi que l’évolution thermique et le couplage thermomécanique.

Après mise en forme, un alliage métallurgique est rarement isotrope, puisqu’il subit des sollicitations mécaniques et thermiques qui, très souvent, sont orientées dans la même direction par rapport à la matière. Cet article traite du cas du comportement des métaux à froid. L’ensemble des caractéristiques est passé en revue, élasticité, écrouissage, anisotropie plastique et sensibilité à la pression hydrostatique, soit dans les phases d’endommagement des produits massifs, soit pour les produits issus de la métallurgie des poudres. Sont présentés pour chaque propriété divers exemples relatifs au cas des métaux en feuilles, pour lesquels ces notions sont particulièrement importantes et utilisées.

En procédé de formage des matériaux, le phénomène d’usure des mécanismes et des outils de fabrication ne présente que des côtés négatifs. Découvrez les modèles mathématiques qui permettent de prévoir la vitesse d’usure des pièces frottantes et ainsi de maîtriser leur durée de vie.

Quelles sont les transformations morphologiques des surfaces, les changements de leurs propriétés et l’évolution des mécanismes de contact induits par le transfert adhésif ? La théorie du troisième corps permet de construire des modèles descriptifs des phénomènes observés.

Ce glossaire donne les définitions des principaux termes et expressions techniques de la rubrique Frottement, usure et lubrification. Ces termes et expressions désignent les phénomènes, les concepts, les méthodes d’essais et d’analyse et les outils d’approches, pour tous les secteurs d’applications du frottement, de la lubrification et de l’usure.

Les caractéristiques superficielles des polymères conditionnent fortement leurs propriétés d’emploi, qu’ils soient sous forme de pièces massives ou sous forme de revêtements plus ou moins épais. Les propriétés mécaniques superficielles des polymères sont caractérisées par les essais de nanoindentation : mesure classique de la dureté et du module d’Young, méthodes de caractérisation plus fine de la rhéologie superficielle (contrainte d’écoulement plastique et viscoélasticité). Le comportement des polymères est caractérisé par des essais d’interaction avec un corps antagoniste : adhérence bille-plan et  rayure. Enfin , les caractéristiques tribologiques des polymères (frottement et usure) sont définies.

Cet article vise à permettre la prévision et l’augmentation de la durée de vie des contacts frottants. Il présente les mécanismes d’usure d’origine mécanique (abrasion, adhésion, fatigue mécanique, extrusion de bavures), thermomécanique (fluage, fatigue thermique) et physico-chimique (diffusion, tribocorrosion). Il insiste sur les interactions entre ces divers mécanismes d’usure et précise les ordres de grandeur des vitesses d’usure correspondantes.

Les caractéristiques superficielles des polymères conditionnent fortement leurs propriétés d’emploi, qu’ils soient sous forme de pièces massives ou sous forme de revêtements. L’étude et l’analyse des surfaces de polymères à l’état solide suite à une mise en forme nécessite une approche pluridisciplinaire : tout d'abord déterminer les spécificités du matériau polymère et l’aspect dynamique des surfaces de polymères puis caractériser les propriétés de surface de polymères du point de vue physico-chimique, optique et leurs possibles modifications par des traitements chimiques ou physiques.

Après avoir situé l’importance économique du domaine de la mise en forme des métaux, l’article présente l’ensemble des procédés de fabrication des pièces métalliques, puis décrit de manière détaillée les opérations de mise en forme par déformation plastique avec et sans enlèvement de matière. Il précise ensuite la géométrie et la cinématique des différents procédés, puis les phénomènes physiques fondamentaux mis en jeu dans la mise en forme,  et  les modalités de la mise en œuvre pratique des procédés selon la  température et la nature des principaux alliages (base fer, aluminium et cuivre).

L'objectif de cet article est de fournir des modèles permettant de prévoir la durée de vie des contacts frottants. Il précise les enjeux associés à la maîtrise de l'usure, définit l'usure, décrit des méthodes de mesure, rappelle deux critères permettant de caractériser les interactions entre pièces frottantes: épaisseur réduite du film lubrifiant de Tallian et index de plasticité de Greenwood-Williamson. Il présente la loi de Preston-Archard qui décrit l'effet sur l'usure de la force normale et de la longueur de glissement avec la vitesse d'usure k, discute son origine microscopique, sa validité expérimentale et les valeurs de k, analyse avec cette loi des systèmes tribologiques.

L’évolution thermique superficielle du métal mis en forme et des outils conditionne la qualité superficielle du produit, la lubrification et les modes d’endommagement et d’usure des outils. L’article analyse les changements de température induits par l’énergie de frottement et le transfert thermique du métal chaud vers l’outil. Il précise leurs conséquences sur le régime thermique, l’état de contrainte et l’évolution structurale des outils de mise en forme à chaud. Il en déduit les conditions d’une simulation numérique performante de ces problèmes.

La maîtrise des effets thermiques de la mise en forme permet d’améliorer la qualité du produit (dimensions, propriétés mécaniques, structure métallurgique) et d’augmenter les performances du lubrifiant  et la durée de vie des outils. L’article présente d’abord les équations décrivant le champ de température et ses couplages avec l’écoulement plastique du métal, puis discute quatre problèmes conditionnant la température au cœur de la pièce : la fraction de l’énergie mécanique effectivement dissipée ; l’amplitude de l’échauffement dû à une déformation adiabatique ; la compétition entre la convection induite par l’écoulement plastique et la conduction thermique vers les outils ; les modes de refroidissement avant et après la mise en forme. On illustre la discussion en analysant de manière élémentaire le laminage, le tréfilage et le filage à chaud.

Cet article porte sur la forte sensibilité des propriétés des polymères à la température. L’influence de la puissance dissipée, puis de la température sur l’usure et la dureté des polymères est largement détaillée, même si l’amélioration de la résistance au vieillissement est envisageable par addition de charges. La conception de systèmes tribologiques, mettant en jeu des contacts et des mouvements relatifs de pièces, est de ce fait assez complexe, la prise en contact de l’usure y est primordiale.

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.

Après avoir situé l'importance économique du domaine de la mise en forme des métaux, l'article présente l'ensemble des procédés de fabrication des pièces métalliques, puis décrit de manière détaillée les opérations de mise en forme par déformation plastique avec et sans enlèvement de matière. Il précise ensuite la géométrie et la cinématique des différents procédés, puis les phénomènes physiques fondamentaux mis en jeu dans la mise en forme, et les modalités de la mise en oeuvre pratique des procédés selon la température et la nature des principaux alliages (base fer, aluminium et cuivre).