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Article

1 - ÉTAT DE L’ART

2 - DONNÉES ET PARAMÈTRES TRIBOLOGIQUES

3 - TAUX D’USURE DANS LES APPLICATIONS

4 - EXEMPLES

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : BM7006 v3

Exemples
Application des données tribologiques des matériaux

Auteur(s) : Mathias WOYDT

Date de publication : 10 mars 2024

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RÉSUMÉ

Un système tribologique (tribosystème) peut être conçu en vue d´assurer une résistance contre l´usure, d’assurer des transitions d´usure douce vers une usure sévère et de paramètres opérationnels susceptible engendrer l´usure adhésive à base d´une analyse des conditions d´opérations du tribosystème. Le taux d´usure kv représente une donnée tribologique principale de prescription relative à la résistance d´usure d´un matériau candidat. La valeur P×V[MPa×m/s] décrit une limite entre l´usure douce et sévère, elle s’apparente ainsi à la limite d’utilisation des matériaux au dessus duquel le matériau connaît un changement de mécanisme d’usure qui peut aller jusqu’au grippage. Cet article établit étape par étape ces caractéristiques à l’aide de plusieurs exemples et classe les plages des taux d´usures et valeurs P×V de matériaux. L´article éclaire aussi sur l´impact de paramètres opérationnels (rugosité, humidité relative, etc.) sur le frottement et le taux d´usure.

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ABSTRACT

Application of material tribological data

A tribological system (tribosystem) can be conceived in order to guarantee wear resistance, transitions from light to severe wear and operational parameters which are likely to generate adhesive wear through an analysis of the tribosystem operating conditions. The kv wear rate is a major prescription tribologic data relative to the wear resistance of a particular material. The P×V[MPa×m/s] value describes a limit between light and severe wear and can be thus equated to the limit of material use above which materials undergo a change in their wear mechanism which can even lead to seizure. This article presents these characteristics step by step through the use of several examples and classifies the materials wear rate and PxV value brackets. The article also highlights the impact of operational parameters (surface roughness, relative humidity, etc.) on friction and wear rates.

Auteur(s)

  • Mathias WOYDT : Diplômé en Métallurgie et Science des Matériaux, Université technique de Berlin Docteur en Sciences des Matériaux - Ancien directeur de la division « Tribologie et protection contre l’usure » à l’Institut fédéral pour la recherche et l’essai des matériaux, BAM, Berlin - Associé gérant de MATRILUB – Matériaux, Tribologie, Lubrification, Berlin, Allemagne

INTRODUCTION

Dans le monde actuel, des produits de plus en plus performants et fiables doivent être développés dans un délai de plus en plus court pour garantir la compétitivité de l’entreprise. Les lois environnementales, les objectifs du développement durable, les listes de substances/matériaux prohibés ainsi que l’évolution des prix et la sécurité d’approvisionnement nécessitent de revoir le choix de beaucoup de matériaux, ce qui a fait exploser la matrice d’essais à réaliser. De plus, l’allègement des pièces pour des raisons économiques et/ou écologiques est un enjeu de plus en plus important. Dans ce contexte, l’ingénieur qui réussira le mieux sera celui qui aura la plus grande expérience dans le domaine des matériaux, revêtements et lubrifiants. Cette expérience d’un spécialiste à la fois en matériaux et en tribologie est le plus souvent virtuelle. En effet, une grande partie des défaillances techniques s’amorce à la surface de contact des matériaux en mouvement relatif ; de ce fait, le comportement tribologique des matériaux et les performances des lubrifiants et/ou des revêtements dans un contact glissant ou roulant déterminent à terme la qualité de la conception initiale. Les ingénieurs ont donc besoin d’un accès rapide aux connaissances expérimentales en tribologie les plus récentes.

Chaque année, plusieurs dizaines de milliers de résultats tribologiques sont obtenus en interne et publiés, mais deux problèmes importants se posent :

  • leur accès reste encore difficile, onéreux et nécessite beaucoup de temps ;

  • comment tirer le meilleur parti de ces données pendant la conception d’un produit, d’une machine ou l’utilisation d’un matériau ?

En effet, le plus souvent ce grand capital tribologique reste éparpillé dans une multitude de laboratoires industriels ou universitaires. Par ailleurs, la diversité des procédures expérimentales utilisées et des modes d’interprétation rend difficile, voire impossible, une comparaison des résultats obtenus par les équipes de tribologues. En outre, les concepteurs de matériaux, les pétroliers et les utilisateurs parlent des langages différents et ont des intérêts et des objectifs différents. En conséquence, le lecteur n’est souvent pas à même d’apprécier si les résultats et propriétés tribologiques annoncés pour un couple de matériaux frottants à sec ou un lubrifiant dans un contact donné peuvent l’aider à résoudre son problème spécifique.

L’objectif de ce texte est double :

  • décrire comment doit être organisée une base de données tribologiques ;

  • illustrer à l’aide d’exemples l’utilisation d’une telle base pour concevoir un tribosystème.

La conception d’un tribosystème présuppose l’organisation d’une base de données tribologiques, puis son utilisation pour prévoir le comportement du tribosystème étudié. Il faut noter que cette utilisation, comme la conception d’une base de données, repose sur une analyse théorique préalable de ce qu’est un tribosystème :

  • pour identifier les paramètres clefs du système ;

  • pour fixer des procédures d’essais ;

  • pour créer des thesaurus aptes à stocker les résultats de tous les essais ou produits.

Notons que les situations de contact frottant sont très variées :

  • sur le plan cinématique (glissement continu, alternatif avec des amplitudes très variables, roulement avec glissement) ;

  • sur le plan des régimes de lubrification (lubrification mixte/limite, à sec et hydrodynamique).

Les informations que doit fournir une base de données ou la littérature sont principalement de deux types :

  • coefficient de frottement ;

  • vitesses d’usure estimées des pièces.

Ces informations peuvent seulement servir à l’ingénieur et à l’utilisateur pour évaluer a priori le fonctionnement en service du tribosystème et des matériaux identifiés, mais elles ne suppriment pas les essais sur organes mécaniques avant la mise en œuvre d’une solution tribologique.

Cinq exemples présentent la procédure pour estimer le taux d’usure.

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-bm7006


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4. Exemples

4.1 Palier sec

Les critères fonctionnels d’un palier radial utilisé en mécanique fine (figure 9) sont par exemple :

  • l’absence de maintenance et le fonctionnement de préférence en frottement sec ;

  • la tolérance à une forte humidité relative ;

  • les pertes par frottement minimales.

Les paramètres opérationnels clefs sont les suivants :

  • glissement continu ;

  • charge normale : F N = 5 N, soit p 0 >> 0,15 MPa ;

  • vitesse de rotation : n = 10 tr·min−1, soit v ∼ 0,2 m/min ;

  • température : T = 20 à 30 °C ;

  • distance de glissement : d = 11,2 km.

Un coefficient de frottement μ0,2 induit une puissance dissipée par frottement inférieure à 3 mW, laquelle ne produit pas d’échauffement significatif du palier.

Dans un palier radial, l’usure n’est pas distribuée de manière homogène  sur la surface de contact. Les formules suivantes (7) et (8) décrivent le volume d’usure :

v=ba36DA(ψ1+ψ) ( 7 )
...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - RUMBLE (J.), SIBLEY (L.) -   Towards a Tribology Information System.  -  NBS Special Publication 737 (1987).

  • (2) - BERTHIER (Y.), DUBOURG (M.C.), GODET (M.), VINCENT (L.) -   Wear data : what can be made of it ? simulation tuning. Wear Particles : From the Cradle to the Grave.  -  Tribology Series 21, editors : D. Dowson et al., Elsevier, p. 161-171 (1992).

  • (3) - WOYDT (M.) -   Les bases de données tribologiques.  -  Matériaux & Techniques, No 3-4 (https://agw1.bam.de/tribocollect/tribocollect_i.htm) (2002).

  • (4) - ERLEBACH (R.), WOYDT (M.) -   TRIDAS-Relational Database System for Tribological Test Data.  -  Proc. 13th Int. Colloquium Tribology « Lubricants, Materials and Lubrication Engineering », Vol. II, Ostfildern, ISBN 2-924813-48-5, Vol. I, p. 399-408 (2002).

  • (5) - GARABEDIAN (N.T.), SCHREIBER (P.J.), BRANDT (N.) et al -   Generating FAIR research data in experimental tribology.  -  Sci Data 9, 315. https://doi.org/10.1038/s41597-022-01429-9 (2022).

  • ...

1 Sites Internet

Tribocollect – Base de données (2002)

https://agw1.bam.de/tribocollect/tribocollect_i.htm

TRIBO « Tribology Index »

https://www.stn-international.com/sites/default/files/stn/dbss/TRIBO.pdf

Web of Knowledge plateforme de recherche de données scientifiques

http://www.webofknowledge.com

Scopus plateforme de recherche de données scientifiques

http://www.scopus.com

ASTM International, organisme de normalisation anciennement appelé « American Society for Testing and Materials »

http://www.astm.org

HAUT DE PAGE

2 Normes

ASTM G40Standard Terminology Relating to Wear and Erosion (terminology compilation) – https://www.astm.org

ASTM G115Standard Guide for Measuring and Reporting Friction Coefficients.

ASTM G118Standard Guide for Recommended Format of Wear Test Data Suitable for Databases.

ASTM G163Standard Guide for Digital Data Acquisition in Wear and Friction Measurements.

DIN 50321 ((annulée en 1997)), mais reprise par la feuille de travail n° 7 « Tribologie –...

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