Roberval


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Thèse : Effets de la rugosité sur le frottement et le taux d’usure : Corrélation entre morphologie de surface et mécanismes d’usure

Contexte scientifique :

La rugosité joue un rôle essentiel puisqu’elle détermine l’aire réelle de contact et donc la distribution des pressions superficielles. Ces pressions génèrent des contraintes locales en surface dépassant largement la pression macroscopique appliquée et déterminent l’intensité des efforts d’adhésion au niveau des microcontacts. Les conditions de génération et de traitement de surfaces ont une incidence directe sur leur rugosité. Cette dernière évolue dans le cas des alliages ferreux au cours des sollicitations de contact et produit :
- l’évolution du coefficient de frottement et les différents mécanismes d’usure. Une faible rugosité aura tendance à favoriser l’usure adhésive, tandis qu’une forte rugosité génère de l’usure abrasive [1] ;
- la formation des débris de nature et taille différentes ;
- à l’élévation de la température au niveau des aspérités en contact [2,4], ce qui peut contribuer à dégrader les propriétés mécaniques des surfaces, accélérer la formation de la couche d’oxyde, apparaitre des nouvelles phases (évolutions microstructurales). Des températures extrêmes à l’interface des deux surfaces en contact peuvent également diminuer la viscosité du lubrifiant et favoriser des microsoudures entre les aspérités antagonistes.

Travail à réaliser :

Dans ce travail de thèse, une campagne d’essais sur un tribomètre du laboratoire Roberval dans le cas d’un contact sec et lubrifié sera menée sur des alliages ferreux. Les surfaces qui seront utilisées présentent différentes rugosités qui peuvent être obtenues par des procédés d’usinage classiques (e.g. rectification, toilage, tribo-finition) ou des procédés innovants comme la texturation laser.
Un suivi des morphologies des surfaces sera effectué par un profilomètre tactile 3D du laboratoire Roberval à différentes phases de l’usure. Les caractéristiques de la topographie de surface peuvent être des précurseurs utiles pour prédire d’autres changements qui peuvent survenir à l’interface des deux matériaux tels que la dureté, la déformation élastique-plastique, composition chimique, et l’évolution de la micro-structure.
Une corrélation entre des paramètres de rugosité 3D, le coefficient de frottement et les mécanismes d’usure à différents chargements sera également étudiée. Cette étude a pour objectif une meilleure compréhension des conditions d’usure et l’évolution de la topographie de la surface en fonction de la pression de contact et la vitesse de glissement.
Les mécanismes d’usure des surfaces en contact pourraient inclure l’adhésion, abrasion, fatigue, oxydation... Pour caractériser ces mécanismes, des observations par microscopie électronique à balayage seront effectuées. Des analyses chimiques couplées aux observations MEB seront réalisées pour déterminer la rupture des couches d’oxyde et identifier la nature, la taille et l’angularité des débris qui pourraient se former au niveau du contact.

Ces essais expérimentaux vont permettre également de valider un modèle 3D qui modélise le frottement et les différents mécanismes d’usure abrasive à l’échelle de la rugosité [3]. Ce modèle peut être amélioré en tenant compte également de l’usure adhésive. Les effets de la géométrie locale des aspérités et l’aspect multi-échelle de la rugosité sur les mécanismes d’usure abrasive et adhésive seront également examinés.

Pour en savoir plus :