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RÉSUMÉ
La tribologie est l'étude physique des phénomènes de frottement, lubrification et usure qui concernent aussi bien les éléments de machine que les contacts roue-rail et pneumatique-revêtements routiers, le freinage et la mise en forme des matériaux. Interposer un corps fluide ou solide aisément cisaillable, ou revêtir les corps d'un film d'épaisseur submicronique ou micronique, permet de contrôler les mécanismes de frottement, de les amplifier ou de les réduire selon l’application. Un lien fort existe entre l’approche mécanique des matériaux et la physico-chimie. Indépendamment de l’application, le revêtement qu’il soit polymère, métallique ou céramique, se doit d’adhérer au substrat sous des sollicitations très souvent thermiques et environnementales.
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Evelyne DARQUE-CERETTI : Docteur d'état - Maître de recherche de l'école des Mines de Paris,
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Eric FELDER : Docteur d'état - Maître de recherche de l'école des Mines de Paris,
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Bernard MONASSE : Docteur d'état - Maître de recherche de l'école des Mines de Paris,
INTRODUCTION
Lorsque deux corps solides sont en contact, il faut exercer une force ou un couple pour vaincre la résistance au mouvement relatif : c'est le frottement et, plus précisément, le frottement dit statique qui s'oppose à ce mouvement relatif. Au fur et à mesure que se poursuit le mouvement relatif des deux corps, le frottement évolue (frottement dynamique) et il se produit un endommagement de leur surface : formation de rayures, changement d'aspect, perte ou gain de matière (usure ou transfert), transformation physico-chimique. Pour maîtriser le frottement, limiter l'usure, le transfert et la dégradation superficielle, on peut lubrifier le contact, c'est-à-dire interposer un corps fluide ou solide aisément cisaillable, et/ou revêtir les corps d'un film d'épaisseur submicronique ou micronique. La tribologie est l'étude de ces phénomènes de frottement, lubrification et usure qui concernent aussi bien les éléments de machine que les contacts roue-rail et pneumatique/revêtements routiers, le freinage, la mise en forme des matériaux. Dans cet article des exemples sont traités, ils servent d'illustration aux modes de fonctionnement. Ils concernent des solutions classiques ou des solutions futures qui sont actuellement l'objet de recherches. Mais il faut noter que pour une application décrite les objectifs peuvent être multiples : en effet il est parfois nécessaire de maîtriser le frottement et en même temps de limiter l'usure et l'endommagement. Les exemples seront donc traités en conséquence. Le but est de comprendre le lien entre la tribologie, qui est généralement une approche mécanique des matériaux, et la physico-chimie. On notera que l'épaisseur des revêtements est adaptée à l'application. On montrera l'intérêt de la solution revêtue par rapport au substrat nu. Ceci nécessite au premier chef que le revêtement adhère bien au substrat. En préambule, on discute donc le problème de son adhésion sur le substrat.
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3. Limiter l'usure et l'endommagement
Certains revêtements limitent l'usure, mais leurs modes d'action sont souvent mal connus et sont sujets d'études actuelles. L'efficacité du film dépend du substrat (composition, dureté, ténacité…). Les paramètres liés à l'environnement (humidité, nature du gaz…) ainsi que les conditions de l'essai (vitesse, pression de contact…) jouent aussi un rôle. L'épaisseur du revêtement joue également un rôle important. Si il est trop mince, il s'use par fatigue. La dureté de la couche intervient, on préférera un revêtement mou sur substrat dur pour réduire l'usure adhésive et un revêtement dur pour prévenir l'usure abrasive.
3.1 Outils de mise en forme des matériaux
3.1.1 Outils de coupe et additifs d'usinabilité
Les outils de coupe des métaux sont des pièces particulièrement sollicitées sur le plan thermomécanique. L'usinage produit en effet des surfaces neuves qui tendent à adhérer à l'outil pour former à basse vitesse d'usinage des arêtes rapportées, c'est-à-dire le dépôt sur l'outil de métal durci par écrouissage. À vitesse de coupe élevée, le frottement intense du copeau sur l'outil élève fortement sa température, ce qui produit son usure par abrasion, déformation plastique et transformation physico-chimique (par diffusion, oxydation…). De ce fait les durées de vie des outils sont fortement limitées. Il est bien connu que l'addition de soufre dans les aciers sous forme d'inclusions de sulfure de manganèse MnS améliore leur usinabilité par augmentation de la durée de vie des outils, mais les mécanismes d'action de ces inclusions ne sont pas encore bien élucidés. Nous présentons ci-après une étude mettant en évidence l'effet sur l'usure des conditions d'interactions physico-chimiques de ces inclusions avec la surface des outils.
La 7 décrit le comportement de différents types d'outils lors de l'usinage de trois nuances d'acier mi-dur contenant diverses sortes d'inclusions avec une teneur en soufre plus ou moins élevée. Pour tous les outils, la présence d'inclusions en alumine (nuance u) induit une abrasion des outils, abrasion d'autant plus élevée que la vitesse de coupe...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - DARQUE-CERETTI (E.), FELDER (E.) - Adhésion et adhérence - . CNRS Éditions, Collection Sciences et Techniques de l'ingénieur, Paris (2003).
-
(2) - HANHI (K.), STENBERG (B.) - Friction and the dynamic mechanical and thermal properties of polyurethane elastomers. Solid polyurethanes. - Progress in rubber and plastics technology, 11(1), 1-33 (1995).
-
(3) - KIM (J.H.), JANG (J.), ZIN (W.C.) - Thickness dependence of the glass transition temperature in thin polymer films. - Langmuir, 17, 2703-2710 (2001).
-
(4) - WITTMANN (J.C.), SMITH (P.) - Highly oriented thin films of poly(tetrafluoroethylene) as a substrate for oriented growth of materials - . Nature, 352, 414-417 (1991).
-
(5) - WILSON (B.) - Slick 50 – a proven PTFE-based boundary lubricant for engines. - Industr. Lub. Tribol., 47, 6-8 (1995).
-
(6) - CABEÇAS...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
http://fr.wikipedia.org/wiki/Papier_de_verre
http://www.fepa-abrasives.org/
http://www.gallaghercorp.com/urethane/designguide/cof.shtml
http://www.schneesportteam.ch/SkiToko.pdf
http://rsde.ineris.fr/ ouhttp://www.ineris.fr/substances/fr/
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G. Wamant, C. Grégoire, Procédé pour revêtir des récipients et récipients obtenus par ce procédé,Brevet Français n 1137972, déposé le 2 décembre 1955
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Appareils CSM
http://www.csm-instruments.com
Hydromécanique et frottement
Société française du vide
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