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La tribologie fait l'objet d'un wikilivre, regroupant tous les
aspects de cette science (historique, bilbiographie, frottements, lubrification, essais mécaniques...) présentés de manière cohérente.
Voir Tribologie (wikilivres).
| Sommaire |
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Le mot tribologie, construit à partir des racines grecques tribein (frotter) et logos (discours, étude), a été proposé en 1968 par G. Salomon pour désigner la science qui étudie les phénomènes susceptibles de se produire lorsque deux corps en contact sont animés de mouvements relatifs. Il recouvre, entre autres, tous les domaines du frottement, de l'usure et de la lubrification.
La tribologie s'intéresse aussi aux diverses méthodes qui permettent de donner un « bon comportement » à ces contacts, sachant que les organes mécaniques « lâchent » bien plus souvent aujourd'hui par leurs surfaces que par leur volume. Son étude s'impose pour de nombreuses raisons :
C'est donc un sujet pluridisciplinaire qui recouvre de nombreux aspects des sciences et des techniques, frottement et adhérence, bien sûr, mais aussi
Les phénomènes de frottement interviennent dans quasiment toutes les activités, en fait dès qu'une pièce est en mouvement par rapport ç une autre. On peut citer par exemple
Les forces de frottement sont à la fois utiles (par exemple transmission du mouvement par frottement, freinage) que nuisibles (diminution de la durée de vie par usure, perte de rendement).
Sans frottement, les voitures et les trains patineraient sans espoir d'avancer, il serait impossible de faire un nœud, de lacer ses chaussures, d'ailleurs inutiles car nous ne pourrions plus marcher. Plus de nœuds de cravate, ni de tas de sable, ni d'assemblages cloués ou vissés, ni d'échelles appuyées aux murs. Un monde sans frottement serait aussi invivable qu'un monde avec des frottements décuplés ...
Il est à noter que sur 100 roulements à billes ou à rouleaux détruits, 9 seulement ont péri par le processus d'usure « naturel » qui sert de base à leur calcul ... En fait, les deux tiers des avaries sont dues à des défauts de lubrification et/ou de montage, au sens très large du terme, ce qui montre l'intérêt d'une science propre à ces problèmes.
Le frottement ne se laisse pas découvrir facilement. Chacun de ses aspects, pour être compris, nécessite la compréhension de beaucoup d'autres.
C'est un domaine qui frise souvent l'irrationnel. Comment, par exemple, un phénomène d'usure aussi destructeur que la corrosion de contact pourrait-il dépendre de la langue du pays ? Et pourtant ...
À cause des phénomènes de frottement, les calculs théoriques ne suffisent pas pour faire fonctionner les machines à coup sûr. Les techniciens et ingénieurs doivent disposer d'une panoplie de solutions éprouvées et connaître les erreurs à éviter. Bien que l'expérience de l'humanité soit relativement riche, maints problèmes apparemment anodins n'ont reçu à ce jour aucune solution vraiment satisfaisante : par exemple, on ne sait toujours pas très bien fixer les tuyaux...
Voir l'article Frottement solide.
Le frottement et l'usure sont responsables de pertes économiques colossales. Quelques exemples chiffrés suivent. Ces chiffres ne sont pas très récents, mais l'ampleur du phénomène, à quelques détails près, est la même aujourd'hui. La plupart des innovations décisives dans les domaines du frottement et de l'usure datent du XIXe siècle et de la première moitié du XXe, on n'a pas fait beaucoup de progrès depuis !
En 19661, le Department of Education and Science estimait à 1 000 000 000 de livres sterling par an les pertes du pays par frottement et usure. Les économies possibles étaient évaluées à :
On montre aussi dans cette étude que les pertes économiques provoquées par l'usure sont au moins 10 fois plus importantes que celles dues aux forces de frottement.
Note
Le frottement et l'usure coûtent 10 à 12 milliards de roubles par an (Kragelsky, Développement de la science relative à l'usure, au frottement et à la lubrification des corps durs en URSS, Journal du frottement industriel, n°6, Janvier 1980).
Une étude (ASME, Strategy for energy conservation through tribology, 1977) évalue les pertes dans les systèmes pistons-segments-chemises des moteurs à 0,7 % de la consommation totale d'énergie des États-Unis, soit 100 millions de barils de pétrole par an, coûtant 3 milliards de dollars dont 20 % récupérables en traçant mieux les pièces et en préparant mieux les surfaces.
On a calculé qu'en 1973, le quart du cuivre importé était destiné aux coussinets et autres pièces frottantes, représentant 2,5 % du déficit de la balance commerciale, malgré les solutions de remplacement (traitement de l'acier ordinaire, utilisation de matières plastiques, d'alliages d'aluminium, ... ).
C'est l'approche du chercheur qui, essayant de comprendre les choses, de découvrir des lois et des phénomènes nouveaux, doit étudier de plus en plus finement les surfaces, leurs substrats, ... Le « tribologue » travaille indifféremment à l'échelle de la machine, de la pièce, de l'aspérité, du cristal élémentaire, de la molécule, voire de l'atome ou de l'électron.
Pour étudier le frottement il faut non seulement posséder un vaste échantillonnage de connaissances scientifiques, mais aussi disposer du matériel indispensable : machines d'essais spécialisées ou non, appareils de mesure, d'observation ou d'analyse de toutes sortes. De plus, les expériences peuvent être fort longues : on ne peut pas toujours simuler les phénomènes de frottement par des procédures accélérées qui couramment utilisées dans d'autres domaines.
En théorie, l'état des connaissances, les données de l'expérience ou de la recherche appliquée permettent de concevoir et réaliser des constructions alliant au mieux un coût de revient raisonnable, une durée de vie suffisante, un bon rendement mécanique et un confort d'utilisation acceptable.
En pratique il en va tout autrement.
Du fait de la méconnaissance du sujet, les constructeurs continuent à appliquer des méthodes anciennes, génératrices de frais de maintenance anormalement élevés, alors que par exemple :
En outre, en raison de l'intérêt économique, d'un contrat de maintenance ou la fourniture de pièces détachée, on peut soupçonner certains fabriquants de volontairement ne pas utiliser les solutions les plus efficaces. Il n'est pas interdit de penser que certaines pannes à répétition, ou l'échange un peu trop fréquent de pièces dites « d'usure », ou même la défaillance « programmée » de certains équipements (lecteurs ou graveurs de cédéroms qui ont beaucoup de mal à fêter leur second anniversaire...) ne relèvent pas seulement d'une faute de conception ou de l'absence de matériaux vraiment appropriés.
La première étape de l'étude consiste à comprendre comment les surfaces des solides interagissent.
Voir l'article détaillé : Modélisation des actions de contact.
Voir l'article détaillé Frottement solide
Article détaillé : nature et comportement des surfaces frottantes
Le frottement et l'usure mettent en jeu les surfaces de contact ou plus précisément les interfaces, où se produisent des transformations irréversibles qu'il faut considérer de plusieurs points de vue :
Empiriquement, le frottement peut se décrire par les lois de Coulomb. Il s'agit là de descriptions mécaniques des efforts et du mouvement des pièces frottantes, pas d'une description des modifications que subit la pièce elle-même.
La métrologie des états de surfaces fait apparaître des différences entre la théorie, la réalité et ce que l'on mesure : écarts de forme et de position, ondulation, rugosité, défauts au niveau des cristaux et des atomes. Les états de surface font l'objet d'un ensemble de normes. Leur enregistrement est d'autant plus nécessaire que l'on s'intéresse à leur évolution en cours d'essais.
Les surfaces, qui sont de loin les endroits les plus abîmés des pièces, sont constituées de diverses couches : couche adsorbée faisant partie du solide, éventuellement, postcouche, couche amorphe de Beilby, couche écrouie par les opérations d'usinage, couche intacte mais accessible aux efforts.
Les phénomènes de frottement sont très liés à la structure granulaire des matériaux cristallins.
La théorie des pressions de contact désigne le siège des contraintes dangereuses : traction et compression en périphérie des contacts étroits, cisaillement profond ...
Le début du frottement comporte : augmentation des aires d'appui, « coup de râpe initial », échauffements, déformations, labourage, création de bourrelets frontaux, formation d'une interface fondamentale pour le frottement avec filiations cristallines et migration des constituants. On distingue le frottement par soudure et le frottement pas cisaillement. Les couches d'oxydes jouent un grand rôle.
Les coefficients de frottement, attribués aux ponts créés par l'adhérence et aux déformations, varient selon les mouvements : glissement, pivotement ou roulement.
La chaleur formée aussi bien dans les interfaces qu'en profondeur est généralement répartie de manière très inégale entre les pièces.
De toutes ces considérations, résulte la nécessité absolue de respecter des protocoles de fabrication précis qu'il faut codifier et ne changer qu'avec beaucoup de prudence.
Article détaillé : Usure
Il est généralement admis que les pertes économiques par usure représentent de 6 à 10 % du Produit National Brut des pays industrialisés. L'usure représente 30 % des causes d'avarie dans les applications mécaniques. L'importance relative des différents modes d'usure est la suivante :
| abrasion | 30 % |
| adhésion | 15 % |
| fatigue de surface | 15 % |
| fatigue thermique | 12 % |
| corrosion de contact | 10 % |
| corrosion | 10 % |
| cavitation | 8 % |
La vie d'un mécanisme comporte normalement trois phases : rodage, vie utile, vieillesse. L'usure est rapide en début de
rodage et pendant la vieillesse.
L'abrasion est due à une des pièces qui lime l'autre ou à un troisième corps plus dur que les deux pièces. Ici plus encore qu'ailleurs il faut éliminer les débris d'usure.
L'adhésion vient de la solubilité mutuelle des matériaux des pièces. La rupture adhésive des jonctions donne lieu à une usure douce, la rupture cohésive à une usure sévère pouvant aboutir au grippage.
La corrosion est due à des phénomènes chimiques et non au frottement, mais elle interagit avec ce dernier.
La corrosion de contact ronge les surfaces soumises à de petits déplacements tangentiels, à une vitesse exponentielle si le milieu est oxydant.
Les surcontraintes sont dues au passage d'un frotteur trop chargé ou à des efforts de frottement trop élevés. On peut trouver des fissures de tension derrière le frotteur, un fluage par compression devant ce dernier ou des déformations profondes par cisaillement.
La fatigue provoque des piqûres superficielles ou un écaillage par endommagement progressif en profondeur.
L'érosion est une perte de matière par des impacts de particules en suspension dans un fluide.
La cavitation est l'érosion sévère et bruyante par des bulles qui implosent dans un fluide en dépression.
La fatigue thermique est due à des échauffements et refroidissements brutaux et répétés.
Jean-Jacques CAUBET a énoncé 7 règles fondamentales pour le constructeur, mettant l'accent sur l'importance du rodage et sur la nécessité de bien définir les protocoles de fabrication.
Le choix du matériau est primordial. Outre ses propriétés vis-à-vis du contact, il doit aussi être compatible avec son utilisation (résistance mécanique, résistance à la température, inertie chimique) et l'environnement (corrosion, rejet polluant...).
Voir l'article détaillé Matériaux utilisables pour le frottement
Article détaillé : Traitement anti-usure
Article détaillé : Revêtement anti-usure
L'ère des traitements et revêtements de surfaces commença à la fin du 19e siècle. Les débuts furent timides : quelques dépôts électrolytiques et la cémentation. Bien d'autres traitements suivirent : nitruration, phosphatation, Sulfinuz, Tenifer, carbonitruration, etc.
Depuis 1950 c'est l'essor de l'aéronautique, de l'espace, de l'atome, du génie chimique. Les mécanismes doivent fonctionner dans le vide, l'eau lourde, le sodium fondu, l'hydrogène, les acides... et il ne faut ni polluer ni consommer trop de matières ou d'énergie. Si le mécanicien est en général assez bien armé dans les premières phases de l'étude d'une machine, il l'est en revanche beaucoup moins pour la mécanique des surfaces : les innombrables résultats fondamentaux et expérimentaux accumulés depuis des décennies n'ont pas encore trouvé leur place dans un ensemble cohérent et efficace.
Empêcher les contacts intermétalliques revient à améliorer la lubrification, ou à renforcer le manteau protecteur naturel d'oxydes, ou à créer un manteau protecteur artificiel. Ce dernier peut être sécrété par le métal lui-même, comme le graphite des fontes, ou apporté de l'extérieur, comme le sulfure de fer engendré par le Sulfinuz.
Il n'existe pas de loi générale ni de méthode cohérente de choix, si ce n'est la règle des trois couches :
Les divers traitements ou revêtements peuvent être classés dans l'une des catégories suivantes :
Les deux buts essentiels des traitements et revêtements de surface sont la lutte contre le frottement et la limitation de l'usure.
Cette dernière varie de façon complexe avec les matériaux et leurs traitements. Par exemple, avec un coussinet en bronze au plomb, l'usure est plus forte en présence d'un arbre en acier cémenté qu'avec un arbre chromé. C'est exactement l'inverse avec un coussinet en alliage aluminium-étain. Il faudrait connaître les résultats donnés par toutes les combinaisons possibles de matériaux, de traitements, dans toutes les ambiances imaginables. La nature chimique de l'atmosphère, la présence ou l'absence de vapeur d'eau, la pression et la température... peuvent influer considérablement sur les résultats.
Une couche protectrice antiusure n'est intéressante que si son épaisseur est au moins égale à la perte de matière admissible pendant la durée de vie du mécanisme.
Article détaillé : lubrifiants
Dès l'Antiquité, l'homme a utilisé des corps lubrifiants d'origine animale ou végétale pour résoudre divers problèmes de frottement et de glissement.
Un bas-relief égyptien représente un homme versant de l'huile sur des planches afin de faciliter le glissement d'un traîneau chargé de pierres. Un chariot à roues retrouvé dans une tombe égyptienne, daté de 1400 avant J.-C., portait encore des traces du suif utilisé pour graisser les moyeux. Un ouvrage de Pline l'Ancien est d'ailleurs consacré aux lubrifiants et l'on a retrouvé les vestiges de deux savonneries à Pompéi.
À quelques exceptions près comme l'huile de ricin, les produits de l'époque étaient de médiocre qualité et vite dégradés. C'est probablement le développement des moyens de transport qui posa les premiers véritables problèmes de lubrification.
Les produits pétroliers étaient eux aussi connus : les Égyptiens se servaient d'asphalte pour embaumer leurs morts. Les bateliers d'Irak utilisent depuis des temps immémoriaux les bitumes pour calfater leurs embarcations. C'est en Chine que l'on a retrouvé les premières lampes à pétrole.
En 1627, une lettre patente autorisa l'exploitation commerciale à Pechelbronn, en Alsace, d'une source qui produisait une « huile de pierre » réputée pour ses propriétés thérapeutiques. En 1741 fut constituée la première société pétrolière de l'histoire, pour exploiter à côté de la source une veine de sable bitumineux dont on tirait une graisse apte à remplacer le « vieux oing » et le suif. Le roi Louis XV, conscient de l'intérêt de cette exploitation, la confia par lettre patente du 5 août 1772 à un certain Le Bel. De cette époque date l'origine de la société ANTAR, créée en 1927.
Dès le début de la Révolution industrielle et plus particulièrement à cause de la généralisation des machines à vapeur, la fabrication des lubrifiants prit de l'importance et quitta le stade artisanal. Plusieurs sociétés européennes spécialisées dans ce domaine ont d'ailleurs fêté récemment leur bicentenaire.
C'est la découverte et l'exploitation des champs pétroliers qui permit de disposer de bases minérales abondantes et bon marché. L'industrie du raffinage n'est pas née, comme on le croit généralement, de la fabrication de carburants, essence, gazole et fiouls, mais de la production de kérosène pour les lampes à pétrole et de lubrifiants. Le premier, supplanté par le gaz puis par l'électricité, a pris sa revanche comme carburant pour les turboréacteurs des avions. Les seconds ont connu une expansion jamais démentie depuis ...
En 1855 le chimiste américain B. Silliman, reprenant des travaux antérieurs, retrouva un certain nombre de produits naturels par distillation du pétrole : goudrons, lubrifiants, naphta, solvants pour les peintures ainsi que l'essence qui, considérée à l'époque comme produit mineur, était utilisée comme détachant.
En 1857, la ville de Bucarest était éclairée au pétrole.
Aujourd'hui, les chimistes savent améliorer les lubrifiants naturels par toutes sortes d'additifs ou « dopes » et aussi fabriquer toute une gamme de produits synthétiques. L'industrie des lubrifiants participe largement aux progrès de la construction mécanique depuis plusieurs dizaines d'années.
La France consomme chaque année environ un million de tonnes de lubrifiants dont la moitié pour les moteurs. Plusieurs centaines de sociétés ont leur activité principale dans ce domaine. Quelques unes sont très importantes et très connues mais la plupart des autres, plus discrètes et ignorées du grand public, disposent d'un remarquable savoir faire dans leur spécialité. La concentration industrielle est du reste très lente dans ce secteur.
Voir l'article détaillé Applications de la tribologie
Article détaillé : facteurs de frottement
Le coût très élevé des recherches tribologiques fondamentales, aussi bien sur le plan matériel que sur le plan humain, explique que l'on recense très peu de laboratoire. Voici une quinzaine d'années, deux laboratoires étaient particulièrement actifs, l'un à Cambridge et l'autre à Moscou ; le nombre de leur publication s'est réduit, sans doute en raison d'une baisse importante de crédit, choix des orientations politiques et économiques nationales (période Thatcher et fin de l'Union soviétique).
Beaucoup d'organismes ou d'entreprises sont amenés, pour des raisons diverses, à faire de la tribologie appliquée à propos de tel ou tel de leurs produits, de leurs éléments de machines ou de leurs processus de fabrication. Jusqu'à la fin des années 1980, beaucoup de ces recherches étaient publiées dans des revues de haut niveau comme celles qu'éditaient SKF (roulements à billes, à rouleaux et autres produits), Brown-Boveri (construction de gros matériel électrique, de locomotives, de centrales hydrauliques, thermiques, nucléaires, ...), le Centre technique des industries mécaniques (CETIM) et bien d'autres.
Denos jours (2004) la plupart de ces périodiques ont disparu ou bien ne contiennent plus que des informations générales sans grand intérêt et de la publicité plus ou moins déguisée. Les autres revues techniques plus générales qui se nourrissaient de ces publications ont vu leurs sources d'informations taries et leur contenu s'est terriblement appauvri.
De fait, les publications les plus intéressantes sont relativement anciennes. L'on n'y trouve presque rien sur le frottement et l'usure des céramiques, matériaux particulièrement sensibles dans les domaines de l'industrie et de l'armement, et les informations en la matière sont soumises à caution en raison de la sensibilité du sujet avec notamment des résultats discordants.
Voir l'article détaillé Tribologie : bibliographie.
