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Cet exposé est une partie de l'article consacré à la tribologie. Il concerne les frottements entre deux
solides. Pour les frottements entre un solide et un fluide, voir l'article frottement fluide.
| Sommaire |
Elles ne sont pas toutes évidentes !
Le frottement et l'adhérence engendrent des efforts mécaniques (des forces et des couples) dont la principale caractéristique est de contrarier systématiquement ou d'empêcher les mouvements relatifs et les déformations des objets. Ces efforts prennent naissance non seulement au niveau des surfaces en contact, mais aussi au sein même des matériaux solides ou fluides qui se déplacent ou se déforment. Le frottement n'est pas un problème à deux dimensions mais bel et bien à trois dimensions !
Sans que nous y prêtions attention, nos gestes quotidiens intègrent les données du frottement. Quand nous saisissons un verre de bière, le volant d'une automobile ou le manche d'un outil, nous « réglons » instinctivement la contraction de nos muscles. Lorsque les forces de contact prennent, à notre insu, des valeurs inhabituelles, les accidents surviennent. Tel objet fragile devenu glissant nous échappe des mains et se brise sur le sol. Nos pieds glissent soudain sur une plaque de verglas, sur un sol de bois mouillé ou sur quelque amas nauséabond de matière molle traitreusement déposé sur le crottoir (non, ce n'est pas une faute de frappe) que nous parcourons. Les glissades intempestives dans les salles de bain, lieux de tous les dangers, sont la cause de 90 % des bras cassés : chacun en déduira ce qu'il voudra ...
L'énergie mécanique perdue par frottement, transformée en chaleur, est généralement irrécupérable et parfois très difficile à évacuer. Les calories produites par le frottement d'un crayon sur une feuille de papier n'empêchent personne de dormir, mais il n'en est pas de même lorsque l'on conçoit les freins d'un train à grande vitesse ou a fortiori ceux d'un avion de ligne. Les aspects thermiques du frottement peuvent avoir des conséquences inattendues.
L'usure, multiforme, souvent paradoxale, ne peut être réduite à une simple perte de matière. Sous ce terme se cachent des phénomènes extraordinairement diversifiés, qui provoquent un ensemble de transformations géométriques et physicochimiques des couches superficielles soumises au frottement.
L'usure provoque des pertes économiques énormes mais elle n'est pas toujours nuisible. L'usure de la craie sur le tableau permet au professeur de communiquer des informations à ses élèves. Les usinages par abrasion (affûtage, meulage, rectification, rodage pris dans ce sens) ne sont rien d'autre que de l'usure ; on cherche alors à enlever le maximum de matière avec un minimum d'énergie, tout en laissant sur les pièces des surfaces utilisables.
Les vibrations dues au frottement sont un phénomène très banal. Les portes qui grincent, les freins de poids lourds qui hurlent dans la nuit, l'excitation de la chanterelle d'un violon par l'archet du Maître, en sont des exemples.
En 1829, Gustave-Gaspard Coriolis a indiqué que la production de vibrations est particulièrement forte quand le frottement produit peu d'usure, et inversement. En tenant la craie « comme il faut », nous formons sur le tableau un dépôt large et opaque, en silence. En la tenant « mal », nous engendrons des crissements plus ou moins discordants ou d'autres types de sons dont nous reparlerons plus loin.
Thalès de Milet a décrit comme « familière » la propriété de l'ambre jaune (elektron) qui acquiert par frottement le pouvoir d'attirer de menus objets.
Elle était comme l'ambre et moi comme la paille, dit une vieille romance persane, elle me touchait et je restais accroché à elle ...
La triboélectricité (électricité dite statique) produit facilement des tensions très élevées, redoutables en raison des risques d'incendie, de destruction de composants électroniques ... Elle se produit avec les solides mais aussi avec des liquides coulant dans des conduites ou des gaz en mouvement : on doit brancher le camion-citerne sur l'avion qu'il vient ravitailler, pour les mettre au même potentiel.
D'une manière générale la luminescence est une émission lumineuse d'origine autre que thermique. On parle de triboluminescence à propos de la lumière issue de corps frottés ou broyés, sucre, sel gemme, craie ... Cette émission a été décrite dès le XVIe siècle. Pour la percevoir, il faut s'habituer à l'obscurité pendant quelques minutes, le temps pour la rhodopsine de se reformer dans la rétine.
Dans l'obscurité, on peut écraser avec une pince des bonbons durs diversement parfumés, tels les « bonbons anglais » parfumés au salicylate de méthyle et autres arômes plus ou moins chimiques. Selon la nature de ces arômes, mais aussi des colorants et autres additifs qui « dopent » le sucre, l'émission peut notablement varier en couleur et en intensité. La saccharine, édulcorant utilisé par les diabétiques, ou encore des morceaux d'acide tartrique, font merveille. À défaut, frotter du sucre avec un couteau ou décoller un morceau de ruban adhésif ...
Il faut remarquer que la triboluminescence ne survient qu'avec des isolants électriques, jamais avec des conducteurs.
Les surfaces subissent de nombreuses transformations, y compris diverses sortes de corrosion amorcées ou favorisées par frottement. Il y a là de nombreux pièges dans lesquels ne manquent pas de tomber les novices et qui de toute manière donnent toujours du fil à retordre aux gens d'expérience.
Le cas le plus fréquent est celui où il faut faire frotter deux composants mécaniques l'un contre l'autre dans un milieu physico-chimique plus ou moins hostile. Après avoir choisi deux matériaux réputés (individuellement !) résistants à ce milieu, disons au hasard un acier inoxydable passivé par le molybdène et une résine phénolique, on lance la fabrication, on assemble le mécanisme, on met en marche ... et surprise, les matériaux se corrodent ...
C'est une conséquence du déclenchement de réactions chimiques, de nombreuses substances émettent par frottement des odeurs caractéristiques. On le vérifie aisément en entrechoquant deux rognons de silex ou en perçant certaines matières plastiques. Sir Robert Boyle a signalé l'odeur fétide émise par frottement du verre.
Un doigt passé sur du plomb ou un métal contenant du plomb prend une odeur caractéristique qui permet, par exemple, de distinguer rapidement un acier ordinaire d'un acier à usinabilité améliorée contenant 1 à 1,5 % de plomb. Évidemment, cette méthode d'analyse immédiate tombe en défaut les jours de rhume, mais si vous avez fait l'expérience, peut-être éviterez-vous un jour d'acheter un bijou contenant 95 % de plomb durci que l'on aura tenté de vous faire passer pour de l'argent massif !
On peut maintenant, à juste titre, se demander ce qui peut bien relier des faits apparemment aussi disparates.
Les phénomènes « macroscopiques » comme l'échauffement, les vibrations, ... mettent en jeu les masses, les raideurs, la conduction thermique, etc. et on est à peu près en mesure de les étudier directement grâce aux lois habituelles de la mécanique et de la thermodynamique.
Les autres phénomènes nous obligent à réfléchir sur ce que veut dire exactement le mot « surface ». Vue du large, la dune du Pyla, vers Arcachon, France, se découpe en douces formes arrondies bien distinctes sur un fond de ciel bleu (il fait toujours beau en Gironde, c'est bien connu). Des parapentistes profitent des courants ascendants provoqués par ce relief isolé au milieu d'une vaste étendue plate. Si l'un d'eux fait une fausse manœuvre et pique tête baissée vers la dune, il va vite constater qu'il existe bel et bien une séparation entre deux milieux distincts. Pourtant, la dune du Pyla n'a pas à proprement parler de surface, puisqu'elle n'est rien d'autre que le tas de sable le plus haut d'Europe.
D'où la question qui, je le sens, vous taraude : les petits grains de sable ont-ils une surface ? Si nous les regardons dans le creux de notre main, ils nous apparaissent plutôt brillants mais vus au microscope électronique à balayage ils montrent un autre visage, plein de bosses, de crevasses, de rayures, de porosités, ... mais c'est encore une apparence ! Le microscope à effet tunnel nous permettrait d'y localiser les atomes, que nous pouvons nous représenter sous la forme d'un noyau très massif entouré d'un « nuage » d'électrons qui gravitent autour de lui.
Même si cette représentation est très grossière, imaginons qu'un « solide isolé » est un ensemble d'atomes et de molécules liés « rigidement », qui baigne dans un autre milieu « fluide » (atmosphère ou autre) composé quant à lui d'atomes et de molécules plus ou moins libres de se déplacer. Qui est aux premières loges lorsque deux solides frottent l'un contre l'autre ? Les électrons périphériques des atomes « extérieurs » de ces solides, qui sont directement concernés par les transferts d'énergie dus au frottement !
Arrachés ou rapportés en surnombre, ces électrons sont responsables de l'apparition de charges électriques positives ou négatives. Passant à un niveau d'énergie supérieur, dont ils redescendent en émettant des photons, ils provoquent les phénomènes de triboluminescence. Ce sont encore eux qui déterminent les propriétés chimiques des éléments et que l'on appelle électrons de valence.
On comprend mieux dès lors que tous les phénomènes physiques et chimiques qui mettent en jeu les électrons périphériques peuvent être influencés par le frottement et avoir une influence sur lui. Vaste programme : l'étude théorique du frottement passe par celle des couches électroniques externes des atomes.
Les causes du frottement, telles qu'on les imagine de nos jours, sont multiples et interdépendantes. De tous temps on a cherché à comprendre ce phénomène, avec plus ou moins de succès, par la spéculation intellectuelle et par l'expérience.
C'est aux Anglais Bowden et Tabor que l'on doit d'avoir énoncé pour la première fois des idées claires sur le sujet, mais il est intéressant de considérer les cheminements intellectuels qui ont été suivis au cours des siècles.
Jusqu'au 18e siècle c'est la cause du frottement la plus fréquemment invoquée : on peut citer les travaux de Léonard de Vinci (vers 1500), Guillaume Amontons (1699), Antoine Parent (1704), Bernard Forest de Bélidor (1737), Leonhard Euler (1748), Charles-Augustin de Coulomb (1781).
Léonard de Vinci s'intéressa à l'étude de la mécanique, pratiquement abandonnée depuis l'époque des grecs antiques. Ses recherches sur les mouvements l'ont amené à pressentir les notions d'inertie, de moment, de rendement, de frottement, de centre de gravité. Cent ans avant Galilée, il a entrevu également la notion de conservation de l'énergie.
Contrairement à une idée reçue, Léonard de Vinci a beaucoup plus dessiné de mécanismes qu'il n'en a réalisés. Ses esquisses de machines à mesurer les forces de frottement, très semblables à celles qui seront réalisées par Coulomb trois siècles plus tard, sont les ancêtres des tribomètres.
Les lois fondamentales de Léonard de Vinci, qui furent redécouvertes deux siècles plus tard par Amontons, s'énoncent ainsi :
Amontons remarqua que l'effort des polisseurs de glace ne dépendait pas de l'aire du polissoir mais seulement de l'effort normal de pression.
Bélidor imaginait les surfaces comme formées d'aspérités hémisphériques régulières (peut-être pensait-il à des atomes), celles d'une surface devant être franchies par celles de l'autre.
Si l'on dispose trois sphères selon un arrangement triangulaire, une quatrième sphère venant se loger dans la « niche » formée par les trois premières doit franchir un obstacle avant qu'on puisse la faire glisser. Une fois qu'elle est « montée » au-dessus des autres, le déplacement doit être plus facile.
Bélidor rapporta la valeur de l'effort tangentiel nécessaire pour déplacer une rangée de sphères par rapport à l'autre à l'effort normal qui presse les deux rangées, et trouva la valeur :
Cette valeur, issue d'une théorie qui peut nous paraître aujourd'hui bien naïve, correspond assez bien aux valeurs du coefficient de frottement obtenus avec des matériaux communs comme le bois, le fer, la pierre frottant à sec dans l'air. Non seulement elle est réaliste, mais de plus elle rend compte du fait que le coefficient de frottement statique est généralement un peu plus fort que le coefficient de frottement dynamique : il est généralement plus facile d'entretenir un mouvement que de le provoquer.
Henri Poincaré ne disait-il pas « qu'une théorie n'a pas besoin d'être juste, pourvu qu'elle soit utile » ?
Les lois de Léonard de Vinci et Guillaume Amontons ont été complétées par Coulomb qui, remarquant la différence réelle mais légère des efforts de frottement statique et dynamique, a admis qu'en outre :
Coulomb réalisa de nombreuses expériences à l'Arsenal de Rochefort, vers 1780. Quelques éléments de son appareillage sont reproduits ci-dessous :
À cette époque on estimait le coefficient de frottement sec des métaux à des valeurs de l'ordre de 1/3 à 1/4. Les travaux ont été souvent repris par la suite, en particulier par Arthur Morin qui effectua un grand nombre de mesures sur des corps très variés, lubrifiés ou non, confirmant que les lois de Coulomb doivent être regardées « comme exactement conformes aux effets naturels et non plus comme des règles approchées dont on pouvait faire usage dans les applications aux arts sans s'exposer à des erreurs dangereuses ».
D'après certaines sources, les lois du frottement auraient été énoncées par Arthur Morin en 1831, avant Coulomb.
Gustave-Adolphe Hirn, en 1847, distinguait le frottement médiat et le frottement immédiat, suivant la présence ou non de lubrifiant. S'il put confirmer les résultats de Coulomb relatifs au frottement sec, en revanche il reconnut l'influence d'autres facteurs en présence de lubrifiant : étendue des surfaces en regard, charge, vitesse, durée des essais, température. Il essaya même l'air comme lubrifiant, trouvant alors des coefficients de frottement de 1/10000.
Si le frottement à charge faible et vitesse lente résulte pour beaucoup de l'imbrication des aspérités, cette cause n'est pas la seule. En effet, le frottement des corps polis n'est pas nul, bien au contraire, il y a même un optimum de rugosité ...
L'effet de l'attraction moléculaire a été signalé pour la première fois en 1751 par Jean-Théophile Desaguliers. Il a été chiffré par Coulomb qui a représenté ses résultats sous la forme :
T et N sont respectivement les charges tangentielle et normale, A est un effort tangentiel supplémentaire dû à l'adhésion.
Coulomb écrit : « Le frottement ne peut provenir que de l'engrenage des surfaces et la cohérence ne doit y influer que très peu ; car nous trouvons que le frottement est, dans tous les cas, à peu près proportionnel aux pressions et indépendant de l'étendue des surfaces. Or la cohérence agirait nécessairement suivant le nombre de points de contact ou suivant l'étendue des surfaces. Nous trouvons cependant que cette cohérence n'est pas précisément nulle et nous avons eu soin de la déterminer dans les différents genres d'expériences qui ont précédé. Nous l'avons trouvée d'une livre 2/3 par pied carré pour des surfaces de chêne non encastrées. Mais, dans la pratique, la résistance qui peut venir de cette cohérence peut être négligée toutes les fois que chaque pied carré est chargé de plusieurs quintaux ».
Ce sont les forces d'attraction intermoléculaire, ou forces de van der Waals, du nom du physicien hollandais Johannes Diderik van der Waals, qui permettent la cohésion des solides. Chaque atome ou molécule vibre autour d'une position d'équilibre déterminée par des forces simultanées de répulsion et d'attraction ; ces dernières ne sont décelables entre deux surfaces que lorsque celles-ci sont séparées par une distance inférieure à 0,2 micromètre.
Dans l'immense majorité des cas, la rugosité des pièces mécaniques est telle que leur portée ne se fait que sur quelques rares sommets d'aspérités et que partout ailleurs, les surfaces sont éloignées de plus de 0,2 micromètre. Les forces de cohésion restent alors pratiquement négligeables devant les autres effets.
Le poli ne change rien, d'ailleurs, s'il s'accompagne de défauts de forme. Pour les cales-étalons utilisées en métrologie ou certaines pièces d'étanchéité, le haut degré de poli est associé à une excellente correction géométrique et ces surfaces adhèrent très facilement.
| Ces deux plaquettes d'alumine sont les pièces maîtresses des mitigeurs modernes, comme ceux dont on équipe actuellement les sanitaires. La plus grande mesure 46x26x4 mm. Elle porte deux arrivées d'eau trapézoïdales et un orifice de sortie d'eau recatangulaire. | |
| En faisant glisser la petite plaquette sur la grande, on peut démasquer plus ou moins les ouvertures trapézoïdales et donc régler à volonté les débits d'eau froide et d'eau chaude. L'étanchéité se fait directement entre les plaquettes, qui doivent donc être dotées à la fois d'un excellent poli de surface et d'une excellente planéité. | |
| On parle ici de « poli optique », avec des défauts inférieurs au dixième de la longueur d'onde de la lumière (λ = 0,4 micromètre pour le violet). La distance moyenne des deux surfaces est largement inférieure à 0,2 micromètre, limite en dessous de laquelle on constate les effets des forces d'attraction. Même si ces forces n'agissent que sur une fraction de la surface, elles sont suffisantes pour que l'on puisse supporter une des plaquettes par l'intermédiaire de l'autre. Il ne s'agit absolument pas d'un effet de « ventouse », l'adhérence serait d'ailleurs beaucoup plus intense dans le vide ... |
Beaucoup de professeurs de mécanique font une très grave erreur lorsque, souhaitant négliger le frottement dans tel ou tel
mécanisme, ils font l'hypothèse que les surfaces en contact sont parfaitement polies.
Pour Marcel Brillouin (1899), le caractère micropériodique des champs de forces intermoléculaires superficiels fait que les atomes en regard passent par une série de positions d'équilibre instables débouchant sur des phénomènes vibratoires et une perte d'énergie. Deryaguine, en 1934, a retrouvé la formulation à deux termes de Coulomb sous une forme un peu différente.
Richard Feynman (1961) explique également la force de frottement à sec par le mouvement vibratoire des atomes transformant en chaleur l'énergie perdue lors du glissement.
Les forces interatomiques sont maximales lors du contact intime, sous vide, de pièces métalliques parfaitement polies et dégazées. Les atomes de deux surfaces de cuivre, par exemple, ne « savent » alors plus très bien à quelle pièce ils appartiennent ... et cela donne pratiquement une soudure puisque les forces mises en jeu sont précisément celles qui font du cuivre un solide.
Le Professeur Courtel et son équipe du C.N.R.S. ont travaillé à partir de la théorie de l'adhésion élastique développée par Johnson, Kendall et Roberts (1971).
Le Français Fichter écrivait en 1924 : « de même que l'on peut constater, sur deux corps rugueux frottant l'un sur l'autre, l'arrachement de petites particules, de même on trouve que deux surfaces polies, adhérant l'une à l'autre, par cohésion, ne peuvent être séparées par traction normale (à sec ...) sans l'arrachement de parties de ces surfaces. On est en droit de conclure qu'il y a eu, en ces points, soudure véritable ».
On doit aux Britanniques Frank P. Bowden et David Tabor (à partir de 1950) la plus célèbre des théories fondées sur l'adhésion.
Dans le frottement de glissement des métaux et/ou d'autres matériaux, outre les phénomènes d'enchevêtrement des rugosités, il se produirait une succession de soudures partielles suivie de l'arrachement des éléments amenés en contact. Cette théorie explique de nombreux phénomènes comme le transfert de matière entre deux corps et le frottement sur les films minces solides, mais en laisse d'autres dans l'ombre.
La première idée est l'exigüité des zones de contact : les mesures de Bowden pour une aire théorique de contact de 21 (telle que l'on pourrait la dessiner sur un plan) donnent :
| charge en daN | aire effective de contact en |
| 500 | 0,05 |
| 100 | 0,01 |
| 5 | 0,0005 |
| 2 | 0,0002 |
L'aire réelle de contact est mesurable à partir de la résistance électrique. Elle est minuscule, indépendante de l'aire
théorique, et dans un large domaine elle varie proportionnellement à la charge. Il en résulte de très fortes
pressions (ici, 1000 ) qui, paradoxalement, ne
changent guère avec la charge.
C'est par ailleurs au voisinage des petites zones de contact que la puissance perdue par frottement se transforme en chaleur. Si des phénomènes comme le polissage montrent que l'on atteint au moins la température de fusion du matériau le plus fusible, certains auteurs parlent de plasma (milieu gazeux ionisé avec des concentrations électroniques et ioniques à peu près équilibrées), avançant des valeurs telles que 100 000 °C, sur des épaisseurs de quelques dizaines de diamètres atomiques. De toute manière, les températures sont très élevées.
Les fortes pressions et les fortes températures sont deux facteurs favorables à la diffusion mutuelle des atomes des deux pièces. Elles se produisent ici simultanément. Si une filiation cristalline est possible, des microsoudures se forment et il faut les cisailler ou les arracher pour que le glissement se poursuive.
Cela différencie deux modes de frottement, le frottement par cisaillement, acceptable, et le frottement par soudure, généralement très néfaste, dont nous reparlerons à propos de l'usure. Dans les cas extrêmes il y aura grippage, arrêt du mouvement relatif par frottement interfacial.
Des auteurs comme sir John Leslie (1804), Gumbel (1921), Epifanov (1934) ou Ling (1967) attribuent la résistance de frottement au travail de déformation des solides et en particulier, d'après Ling, au travail de déformation plastique. Le frottement n'est pas une simple action superficielle : il concerne aussi les pièces sur une certaine profondeur, du fait des lois de l'élasticité et de la résistance des matériaux.
Il n'est cependant pas facile de faire la part des pertes d'énergie superficielles et internes. L'énergie de déformation est l'un des phénomènes prépondérants dans le cas des matériaux visco-élastiques comme les caoutchoucs ou les plastiques, ainsi que dans le frottement de roulement. Les phénomènes d'hystérésis élastique ont été largement étudiés par Tabor.
Ce que les joueurs de pelote basque appellent une balle vive, est une sphère de caoutchouc qui rebondit sur un sol dur à une hauteur proche de celle d'où on l'a lâchée. Il est facile de vérifier que parmi des balles apparemment identiques, les plus vives roulent plus vite que les autres le long d'un plan incliné.
Par défaut d'élasticité, les pneumatiques d'une automobile de puissance moyenne roulant à 90 km/h, sur un sol plan, consomment jusqu'au tiers de la puissance fournie par le moteur. Dans les roulements à billes ou autres, le lubrifiant sert d'abord à prévenir le grippage des surfaces ; il ne peut bien évidemment pas diminuer les pertes par hystérésis dans l'acier. Lubrifier davantage un roulement pour diminuer les frottements aboutit au résultat inverse, par brassage du lubrifiant ! L'idéal reste la lubrification par brouillard d'huile, hélas inapplicable en-dehors de quelques cas particuliers.
En URSS, Deryaguine et Kragelsky ont jeté les bases d'une théorie synthétique du frottement et de l'usure. D'après Kragelsky : le frottement a une double nature, mécanico-moléculaire. Il est déterminé par la déformation en volume du matériau et par le fait de surmonter les liens adhésifs (jonctions soudées) développés entre les parties de surfaces frottantes au contact (1965).
Il s'agit en fait à la fois d'un raisonnement pragmatique pour découvrir les lois de comportement des
mécanismes frottants, et d'une sorte d'aveu d'impuissance par une certaine renonciation à approfondir les phénomènes qui
surviennent à l'échelle moléculaire. KRAGELSKY a rassemblé dans un livre daté de 1978 tous les calculs qui permettent d'aborder
qualitativement les problèmes de frottement et d'usure.
| Le frottement à l'échelle macroscopique est donc un phénomène complexe, jamais assimilable à un processus simple ou à une succession de processus simples, même en se bornant à des corps physiquement et chimiquement mieux définis que les matériaux industriels. Il doit être considéré comme le résultat statistique de divers phénomènes thermodynamiques élémentaires agissant simultanément en de nombreux points des couches superficielles ou sub-superficielles. |
Les conceptions tribologiques ont beaucoup évolué, surtout depuis le milieu du 20e siècle. Au départ on s'occupait surtout des volumes, des corps massifs, des matériaux. Plus tard, on est passé à la tribologie des surfaces puis, sous l'impulsion du regretté Marcel Godet (1984), à la tribologie des interfaces.
Les conceptions modernes, dont il ne faut attendre aucun mode de calcul nouveau utilisable dans les bureaux d'études, ni aucune solution miracle pour résoudre les problèmes industriels, ont simplement le mérite de mieux rendre compte des phénomènes. Elles tiennent l'interface pour une zone à part dans le système frottant, distincte des corps frottants eux-mêmes, avec des propriétés différentes. Elle y inclut bien sûr la lubrification.
Les conceptions classiques de l'usure sont remises en question, dans le cadre d'un enchaînement de phénomènes qui commence par le détachement de particules émises mar les corps en présence, le piégeage de ces particules dans la zone de frottement, l'établissement d'un régime stationnaire où la vitesse d'émission des particules équivaut à leur vitesse d'élimination. Il y a là une notion de débit, entre les pièces en présence qui constituent des sources et le milieu extérieur qui constitue un puits.
On considère que les surfaces, qui ont une composition différente de celle des volumes, jouent un rôle d'écran entre ces derniers. Ces écrans peuvent être détruits par le frottement et reconstitués par réaction avec l'environnement. Sans eux, la plupart des pièces mécaniques se souderaient purement et simplement, ce qui heureusement n'arrive pas très souvent en pratique.
La constitution d'un troisième corps séparant les deux premiers commence lorsque des débris d'usure (ou des éléments étrangers) sont piégés dans les zones frottantes. En général, la composition de cette couche de séparation n'est pas du tout homogène.
Souvent, mais pas toujours, la formation d'un troisième corps au détriment des deux premiers aboutit à protéger ceux-ci de l'usure.Ce phénomène est particulièrement important lorsque le troisième corps circule dans le contact, ou si l'objet frottant effectue plusieurs passages. On comprend mieux avec un exemple : au premier passage, un bâton de craie laissera un maximum de dépôt sur un tableau rugueux. Si l'on repasse la craie sur les zones où l'on a déjà écrit, les creux de la surface du tableau étant déjà remplis de poudre de craie, c'est-à-dire des débris d'usure du bâton, alors ce dernier perdra moins de matière qu'au premier passage.
Lors du déplacement tangentiel d'un corps par rapport à un autre, des mécanismes d'accomodation jouent au sein du 3e corps. Berthier (1988) en distingue 4, qui peuvent survenir isolément ou simultanément :
Gérard Zambelli et Léo Vincent écrivent que le troisième corps est un opérateur qui transmet la charge (portance) d'un premier corps à l'autre et accomode, en s'écoulant (débit) d'une façon dissipative (frottement) l'essentiel de la différence de vitesse entre ces deux corps.
Les bons troisièmes corps doivent adhérer aux surfaces frottantes et être capable d'accomoder la majeure partie de leurs déplacements relatifs.
Le Professeur Robert Courtel et son équipe ont réalisé de nombreuses expériences pour évaluer les phénomènes qui se produisent au niveau des cristaux élémentaires formant les métaux.
D'après lui, l'adhésion ne fait pas le frottement, elle y contribue seulement. Il semble bien que les défauts des réseaux cristallins jouent un rôle primordial dans les mécanismes de la dissipation énergétique. Cette dernière serait provoquée par la formation de dislocations lors de l'écrouissage du matériau, ou par la nouvelle répartition de dislocations existantes.
Il faut aussi prendre en compte la composition physico-chimique de la surface, qui subit des modifications incessantes lorsqu'elle est soumise au frottement. L'étude du frottement des métaux parfaitement propres est rendue à peu près impossible par les transferts de matière d'une pièce sur l'autre, or justement c'est la couche transférée qui conditionne entièrement les mécanismes du frottement sec...
Lors du frottement des matériaux composites, les transferts de matière prennent le pas sur toute autre considération.
Les recherches de Buckley à la NASA l'ont conduit à écrire : les jonctions à l'interface, l'adhésion et le transfert à travers l'interface, sont extrêmement importants pour la compréhension de l'usure. Ces processus se placent fréquemment au niveau atomique, et il est par suite nécessaire d'examiner à ce niveau les surfaces en contact. L'auteur décrit ensuite quelques appareils et procédés d'étude indispensables :
Le Professeur Robert Courtel fait remarquer, après avoir donné une rapide liste des laboratoires français disposant de l'un ou l'autre de ces matériels, que « ces appareils sont en général coûteux et encombrants : chaque nouveau modèle tombe très vite en désuétude ; les utilisateurs potentiels n'en sont pas nécessairement les possesseurs. Il y a donc une politique à définir en haut lieu, pour que les tribologues soient admis aux bénéfices de ces belles recherches ».
