Principes fondamentaux de la rhéologie

Dans la rhéologie, qui est la science du comportement d'écoulement et de déformation des matériaux, les propriétés intrinsèques de l'échantillon sont étudiées par rapport aux influences externes. En tribologie, cependant, le comportement de l'ensemble du tribosystème est étudié. Le tribosystème se compose des surfaces de contact et du lubrifiant (lorsqu'il est présent), comme indiqué dans la Figure 1. Tribosystèmes secs, comme le nom l'indique, sont ceux qui n'ont pas de lubrifiant entre les surfaces de contact, tels que :

• pneu et route
• doigt et téléphone intélligent
• semelle de chaussure et sol

Les systèmes lubrifiés, en revanche, se composent de deux surfaces d'accouplement avec un lubrifiant entre les deux. Exemples de tribosystèmes lubrifiés :

• Système comprenant pointe/encre/papier
• cartilage/liquide synovial/cartilage
• paupière/film lacrymal/corne
• flanc d'engrenage/huile d'engrenage/flanc d'engrenage

La performance d'un tribosystème est influencée par de nombreux facteurs tels que la température, la rugosité et le conditionnement de surface des surfaces en contact, l'humidité, la pression de contact, la vitesse relative et le type de mouvement. Il est possible de simuler le comportement d'un tribosystème sur un tribomètre. 

La friction est la force s'opposant au mouvement entre deux surfaces. La figure 2 illustre un scénario simple dans lequel le haut du corps (Corps 1) glisse contre le bas du corps (Corps 2). Ici, une force F_N agit sur le Corps 1 dans la direction perpendiculaire au plan de contact. Cette force est également appelée la force normale. D'autre part, la force de frottement F_F est la force qui s'oppose au mouvement et elle agit dans la direction opposée au mouvement. Le rapport entre la force de friction et la force normale est appelé le coefficient de friction. C'est une quantité sans dimension notée par l'alphabet grec µ (mui). La friction n'est pas une propriété inhérente du matériau mais est une caractéristique de l'ensemble du tribosystème.

Il existe trois types différents de friction, à savoir, la friction statique, la friction cinétique et la friction roulante. Leurs coefficients de frottement correspondants sont notés par µ_s, µ_k, et µ_r, respectivement, et ils suivent généralement l'ordre suivant : $$ µs, > µk, > µr$$

Comme son nom l'indique, la friction statique est la friction ressentie par deux surfaces qui ne sont pas en mouvement relatif. La façon la plus simple d'imaginer la friction statique est de supposer un bloc reposant sur un plan incliné, voir la Figure 3. Ici, une composante de la force gravitationnelle, mg sinθ, agit pour faire glisser ce bloc vers le bas du plan. Ceci, cependant, est inhibé par la force de frottement f agissant dans la direction opposée. Le bloc ne commence à se déplacer que lorsque mg sinθ est supérieur à f. Jusqu'à présent, la friction subie par le système est la friction statique. Au moment où le bloc commence à glisser, nous examinerions la friction cinétique du système. Le coefficient de frottement correspondant à ce point de transition est le frottement limite du système. 

Différents paramètres existent pour nous aider à caractériser quantitativement divers processus d'usure. Les plus courants sont^[2]:

• Facteur d'usure (également connu sous le nom de taux d'usure spécifique) : un paramètre d'usure qui relie les mesures d'usure par glissement aux paramètres de fonctionnement. Le plus souvent, mais pas invariablement, il est défini comme le volume total d'usure divisé par la force normale et également divisé par la distance de glissement.
• Coefficient d'usure : un paramètre d'usure qui relie les mesures d'usure par glissement aux paramètres du tribosystème. Le plus souvent, mais pas invariablement, il est défini comme le coefficient sans dimension k comme dans l'équation : volume d'usure = k (charge x distance de glissement / dureté du matériau le plus tendre)
• Une carte d'usure peut également être utilisée pour représenter différents mécanismes d'usure ou taux d'usure dans différentes régions d'un diagramme. En général, les paramètres de coordonnées du diagramme sont la charge (en termes de force ou de pression de contact) et la vitesse de glissement, éventuellement normalisés pour être sans dimension. Ce qui suit est un exemple d'une carte d'usure montrant différents régimes d'usure pour l'acier glissant sur l'acier dans l'air à température ambiante^[3]:

Les surfaces de la plupart des matériaux d'ingénierie ont une certaine rugosité qui est indiquée en termes de paramètres bien définis tels que la rugosité moyenne (R_a), la rugosité quadratique moyenne (R_RMS), etc. Lorsque deux telles surfaces commencent à frotter l'une contre l'autre, leurs pics et vallées de rugosité interagissent et contribuent à la résistance au frottement globale du système. Une façon de réduire le frottement est d'introduire un milieu à l'interface de contact, ce qui idéalement empêcherait les surfaces de se toucher directement. Dans la plupart des cas, les lubrifiants sont soit des liquides, soit des semi-solides (graisses). Cependant, il existe de nombreuses applications dans lesquelles des lubrifiants solides tels que le graphite, le disulfure de molybdène (MoS₂), etc. sont également utilisés. Dans des cas extrêmes, les lubrifiants peuvent également avoir une forme gazeuse, comme dans le cas de l'air dans les paliers à air. Le but principal des lubrifiants est de réduire le frottement et l'usure entre deux surfaces en contact. Cela est réalisé en formant un mince film de lubrifiant qui sépare les surfaces pour éviter tout contact direct entre elles. En plus de la réduction de la friction et de l'usure, les lubrifiants dans de nombreuses applications agissent également comme des descripteurs de chaleur, des agents de nettoyage, des inhibiteurs de corrosion, etc. Dans certains cas, l'efficacité d'un lubrifiant peut être mesurée en termes de réponse de friction du système. Ceci est généralement fait sur un instrument de mesure appelé un tribomètre. Une méthode utilisée par les tribomètres qui sera souvent mentionnée dans la section des applications est la courbe de Stribeck.

Les propriétés tribologiques sont spécifiques au système ; par conséquent, les tests tribologiques sur les tribomètres doivent être aussi proches que possible d'un système réel. Les paramètres les plus importants d'intérêt en tribologie sont les coefficients de friction et d'usure. Cependant, ces paramètres ont besoin d'une référence pour la quantification, comme le temps, la vitesse, la température, la pression de contact, etc., ou une combinaison de ceux-ci. Dans cette section, les méthodologies de test pour étudier le comportement de frottement et d'usure du système sont décrites.

Les courbes de Stribeck ont été initialement conceptualisées pour étudier les différents régimes de friction ou de lubrification des paliers lisses. Dans leur forme simplifiée, les courbes de Stribeck décrivent le coefficient de friction en fonction de la vitesse de glissement, voir la Figure 5. Au cours des dernières décennies, les courbes de Stribeck ont été utilisées dans de nombreuses autres applications, telles que les aliments et les boissons, les applications biomédicales, les encres, etc. Pour produire des courbes de Stribeck, vous avez besoin d'un tribomètre. Les tendances des courbes de Stribeck peuvent être utilisées pour déterminer les trois régimes de lubrification différents, à savoir :

• régime limite
• régime de friction mixte
• régime hydrodynamique

Le régime limite, qui se produit à la vitesse la plus basse, est caractérisé par le contact entre les aspérités de surface car le lubrifiant ne peut pas s'introduire dans l'espace entre les deux surfaces en contact pour former un film porteur de charge. En raison du contact direct entre les surfaces et d'une mauvaise lubrification, le système est sujet à l'usure et à une forte résistance au frottement. À mesure que la vitesse augmente, le système passe au régime de frottement mixte. En raison de la vitesse accrue, une petite quantité de lubrifiant pénètre dans le jeu, juste assez pour séparer les surfaces et minimiser le contact des aspérités. Cela entraîne une réduction de la friction et des chances d'usure beaucoup plus faibles. Enfin, dans le régime hydrodynamique, également appelé le régime de frottement des fluides, il y a suffisamment de lubrifiant entraîné dans le contact pour former un film fluide porteur significatif, évitant ainsi la possibilité de contact d'asperité. L'augmentation de la résistance au frottement est due à l'augmentation de l'épaisseur du film. Dans ce régime, les propriétés rhéologiques du lubrifiant sont dominantes.

Les courbes de Stribeck conventionnelles décrivent la réponse frictionnelle du système dans le régime cinétique, dans lequel il y a un mouvement relatif entre les surfaces à un niveau macroscopique. Les courbes de Stribeck étendues, en revanche, prolongent les courbes de Stribeck conventionnelles dans le régime statique. Cela peut être réalisé si le tribomètre a la capacité de définir et de contrôler les forces et le déplacement à l'échelle nano et micro, en plus de l'échelle macro. Dans La figure 6, la courbe de Stribeck étendue montre le coefficient de frottement du système tracé sur 9 ordres de grandeur de la vitesse de glissement, commençant à presque un nanomètre par seconde. La région de la courbe tracée en noir représente le régime de frottement statique et celle en rouge est le régime cinétique. Le coefficient de frottement correspondant à ce point de transition est le frottement limite du système.  Les courbes de Stribeck étendues révèlent beaucoup d'informations sur la réponse de frottement du système, tant dans le régime statique que cinétique. Un tel paramètre est la friction limite du système. Que ce soit à partir d'un balayage de couple ou des tests Stribeck prolongés, limiter le frottement est un facteur très important qui doit être pris en compte pour de nombreuses applications. Bien que dans certains cas, une faible friction de rupture soit souhaitée, comme dans le cas de la plupart des contacts de moteur, il existe également des cas où une valeur élevée de friction limite est attendue, comme celle entre la semelle de nos chaussures et le sol. Dans la plupart des cas, cependant, il existe une friction optimale qui offre la plus haute efficacité pour le système.  Pour obtenir une courbe de Stribeck étendue, le tribomètre doit être capable de régler et de contrôler les forces et les déplacements sur une très large plage, à partir de l'échelle nanométrique. Comme pour les tests de couple de rupture, la première étape des tests Stribeck étendus consiste à appliquer la force normale prédéfinie et à maintenir le système à la charge définie pendant une durée de 5 minutes. Cela permet un certain degré de relaxation face aux stress engendrés par la charge appliquée. Par la suite, la vitesse de glissement est augmentée logarithmiquement à partir d'une très faible valeur (disons 10 nm/s) jusqu'à environ 1 m/s. Il convient de s'assurer que la durée du point de données dans le régime basse vitesse est suffisamment longue pour permettre à l'instrument d'atteindre la vitesse réglée. Dans la plupart des cas, le test de Stribeck étendu est effectué deux ou trois fois avec le même ensemble d'échantillons. Lors de la première course, les surfaces de l'échantillon subissent un phénomène connu sous le nom de rodage dans lequel elles s'adaptent l'une à l'autre soit par l'usure, soit par déformation plastique, ou les deux. Il est généralement convenu que les deuxième et/ou troisième courses offrent une représentation plus réaliste du comportement de frottement du système.

La transition de l'état statique à l'état cinétique de mouvement se produit sur des échelles de temps très courtes et est caractérisée par des déplacements relatifs à l'échelle du micron ou sub-micron. L'une des nombreuses façons de déterminer cette transition est par un balayage de couple sur un tribomètre. Ici, après que le contact soit établi entre les surfaces d'accouplement et la force normale prédéfinie appliquée, le système est maintenu à la charge définie pendant une période d'au moins 5 minutes pour la relaxation des contraintes. Après cela, le couple est augmenté logarithmiquement et la distance de glissement est observée en fonction du couple appliqué comme indiqué dans la Figure 7. Le couple de décrochage est caractérisé par une augmentation soudaine et abrupte de la distance de glissement pour une augmentation relativement faible du couple appliqué. La valeur du couple et le coefficient de frottement correspondant au point d'inflexion sont respectivement le couple de décrochage et le coefficient de frottement limite du système. L'exactitude dans la détermination de la friction limite du système dépend de la capacité du tribomètre à pouvoir régler et contrôler les forces et le déplacement. En savoir plus sur l' influence de l'humidité sur la limitation du frottement.

Il existe de nombreuses méthodes de mesure de l'usure. Ils sont souvent appelés par leurs arrangements de contact spécifiques. Les plus courants sont illustrés dans la Figure 8. Les résultats de mesure de friction et d'usure dépendent de manière critique des différentes configurations de contact, des vitesses de glissement, des pressions de contact et des conditions environnementales telles que la température et l'humidité.

Les normes ASTM pertinentes déterminent la quantité d'usure en mesurant la dimension linéaire appropriée des deux échantillons (bille et disque) ou en les pesant avant et après le test. Le montage standard bille-sur-disque est montré dans la figure suivante avec les paramètres nécessaires pour calculer l'usure.

En supposant qu'il n'y ait pas d'usure significative de la bile ou de la broche, la perte de volume du disque est donnée par l'équation suivante^[4]:                 $$V_{disk}=2πR[r^2sin^{-1}(d/2r)-(d/4)(4r^2-d^2)^{1/2}]$$ Où: R = rayon de la piste d'usure
d = largeur de la piste d'usure
r = rayon de la balle
V_disk = volume d'usure du disque. Alternativement, la perte de matériau du disque peut également être définie en effectuant un profil de balayage sur la piste d'usure du disque. Les variations autour de la piste d'usure peuvent être causées par des débris et une déformation plastique. Par conséquent, suffisamment de profils doivent être réalisés pour obtenir une valeur représentative. La plupart des logiciels de profilomètre peuvent facilement calculer la surface couverte par le profil.