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HAL Id: tel-00002808 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00002808 Submitted on 7 May 2003 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Propriétés mécaniques de friction et de déformation des surfaces de polymères Sébastien Lafaye To cite this version: Sébastien Lafaye. Propriétés mécaniques de friction et de déformation des surfaces de polymères. Autre. Université Louis Pasteur - Strasbourg I, 2002. Français. tel-00002808 THESE Pour l’obtention du grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE LOUIS PASTEUR STRASBOURG I Ecole Doctorale de Physique, Chimie-Physique, Mathématiques SPECIALITE : PHYSIQUE DES POLYMERES Présentée par : Sébastien LAFAYE ______________________ PROPRIETES MECANIQUES DE FRICTION ET DE DEFORMATION DES SURFACES DE POLYMERES SOLIDES ________________ Directeur de thèse : R. SCHIRRER Co-directeur : C. GAUTHIER soutenue le : 28 novembre 2002 – JURY – MM. J.F. JOANNY Professeur à l’Université Louis Pasteur, Strasbourg Président C. FRETIGNY Chargé de Recherche CNRS, ESPCI, Paris Rapporteur Externe J.L. LOUBET Directeur de Recherche CNRS, Ecole Centrale de Lyon Rapporteur Externe J.P. CANO Responsable Recherche Avancée, Essilor, Paris Examinateur R. SCHIRRER Directeur de Recherche CNRS, Institut Charles Sadron, Strasbourg C. GAUTHIER Maître de Conférences à l’Université Louis Pasteur, Strasbourg REMERCIEMENTS Cette thèse a été réalisée au sein du groupe Mécanique et Physique des Polymères Solides de l’Institut Charles Sadron (CNRS – UPR 22) à Strasbourg. Je tiens tout d’abord à remercier Robert Schirrer et Christian Gauthier mes directeurs de thèse, pour m’avoir dirigé et encadré avec un grand professionnalisme tout au long de ces trois années de thèse. Je remercie Jean François Joanny, Christian Frétigny ainsi que Jean Luc Loubet qui ont accepté d’être rapporteurs de ce travail. C’est une tâche des plus lourde, demandant un réel investissement, qu’ils ont accepté avec enthousiasme. Je remercie aussi Jean Paul Cano pour sa participation au jury en tant qu’examinateur. Je tiens aussi à remercier toute l’équipe Mécanique et Physique des Polymères Solides et plus particulièrement Christophe Fond et Ibrahim Demirci pour la bonne humeur et les bons moments de détente qu’ils m’ont apporté, sans oublier Sandrine, Damien et Olivier, les derniers arrivés. Je remercie toutes les personnes que j’ai rencontré à l’Association des Doctorants et Docteurs d’Alsace, qui m’ont tant apporté et fait profiter de leur expériences diverses, ce qui m’a permis de m’impliquer efficacement dans la vie universitaire et plus particulièrement dans la vie des doctorants et des jeunes chercheurs. Un grand merci à Christophe, Marc, Michel et Thomas qui m’ont permis de m’évader du laboratoire tout au long de ces trois années, durant « d’interminables » footing, prolongés par des séances culinaires hautement caloriques ! Enfin je remercie tous ceux qui de près ou de loin m’ont permis de mener ce travail à son terme. Je souhaite bon courage et bonne chance à ceux qui finissent et débutent leur thèse. TABLE DES MATIERES TABLE DES MATIERES NOMENCLATURE…………………………………………………………………………..1 INTRODUCTION………...…………..………………………………………………………3 CHAPITRE 1 : POLYMERES………………………………………………………………5 INTRODUCTION……………………………………………….…………………………….7 1. STRUCTURE……………………………………………….…………………………….7 2. DYNAMIQUE……………………………………………….…………………………....7 2.1. Mouvements moléculaires…………………………………………………………..7 2.2. Transitions dans les polymères amorphes…………………………………………..8 2.3. Viscoélasticité et comportement……………………………………………………9 2.4. Equivalence temps – température et courbe maîtresse…………………………….10 3. ADHESION & PEGOSITE…………………………………..………………………….11 3.1. Adhésion…………………………………………………………………………..11 3.2. Modèle de contact et d’adhésion……………………………………...………..….12 3.3. « Pégosité »………………………………………………………………………..13 4. LES POLYMERES UTILISES………………………………...………………..……….13 4.1. Le PMMA………………………………………………………………………….13 4.2. Le CR39…………………………………………………………………………...14 4.3. Le MR6…………………………………………………………………………….14 BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 1……………………………………………………..…16 CHAPITRE 2 : FROTTEMENT…………………………………………………………...17 1. INTRODUCTION…………………………………………………..……………………19 2. LOIS EMPIRIQUES DU FROTTEMENT : HISTORIQUE…………………………….19 3. QUANTIFICATION DU FROTTEMENT………………………………………………20 3.1. Modèles de frottement élastique……………………………………….…………..20 3.2. Modèles de frottement plastique de déformation………………………………….23 3.3. Modèles de frottement plastique avec part de frottement local……………………24 3.4. Modèles de frottement avec décharge élastique……………………….……..……27 4. FROTTEMENT APPARENT ET FROTTEMENT VRAI………………………………27 5. FROTTEMENT ET POLYMERES……………………………………………………...28 5.1. Dissipation d’énergie en frottement……………………………………………….28 5.2. Température de contact éclair……………………………………………………..28 6. PARAMETRES MODIFIANT LE FROTTEMENT…………………………………….29 BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 2………………………………………………………..31 TABLE DES MATIERES CHAPITRE 3 : MECANIQUE DES SURFACES DE POLYMERES…………………..33 INTRODUCTION……………………………………………………………………………35 1. DESCRIPTION DE L’ESSAI DE GLISSEMENT-RAYURE………………………….35 2. DESCRIPTION DE L’ESSAI D’INDENTATION……………………………………..35 3. DURETES……………………………………………………………………………….36 4. NIVEAU DE DEFORMATION…………………………………………………………38 5. VITESSE DE DEFORMATION…………………………………………………………39 6. MECANIQUE DU CONTACT………………………………………………………….39 6.1. Contact élastique…………………………………………………………………..39 6.2. Contact plastique…………………………………………………………………..40 6.3. Influence de l’élasticité sur le mode de déformation plastique……………………41 7. CONTACT TANGENTIEL……………………………………………………………...42 BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 3………………………………………………………..48 CHAPITRE 4 : DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX……………………………………..49 1. L’ESSAI DE GLISSEMENT-RAYURE OU « SCRATCH » TEST……………………51 2. SPECTROMETRIE MECANIQUE……………………………………………………..57 2.1. Généralités…………………………………………………………………………57 2.2. Techniques de la spectrométrie mécanique………………………………………..58 3. ESSAI DE COMPRESSION…………………………………………………………….59 3.1. Dispositif expérimental……………………………………………………………59 3.2. Détermination du seuil d’écoulement plastique…………………………………..59 BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 4……………………………………………………….62 CHAPITRE 5 : ANALYSE MECANIQUE………………………………………………63 INTRODUCTION……………………………………………………………………………65 1. ANALYSE DE L’AIRE DE CONTACT………………………………………………..65 1.1. Définition de la dimension du contact…………………………………………….67 1.2. Définition de la forme du contact…………………………………………………68 1.3. Transitions plastique-élastoplastique-élastique……………………………………68 2. PRESSION DE CONTACT……………………………………………………………...72 2.1. Pression et température……………………………………………………………72 2.2. Courbe maîtresse de pression……………………………………………………..75 2.3. Corrélation entre pression et module d’Young……………………………………76 3. EVOLUTION DU RETOUR ELASTIQUE…………………………………………….77 3.1. Retour élastique décrit par l’angle de retour de sillon…………………………….77 3.2. Retour élastique décrit par le rapport f r a a / ……………………………………..81 4. MODELES RHEOLOGIQUES………………………………………………………….82 4.1. Prise en compte de la viscoélasticité………………………………………………84 4.2. Amélioration du modèle d’évolution du rapport f r a a / ………………………….85 5. EVOLUTION DE LA PRESSION SUR LE SEUIL D’ECOULEMENT PLASTIQUE..87 6. TEMPS DE RECOUVRANCE………………………………………………………….89 6.1. Evaluation du temps de recouvrance……………………………………………...89 6.2. Estimation du temps de recouvrance………………………………………………91 TABLE DES MATIERES 6.3. Temps de contact…………………………………………………………………..92 CONCLUSIONS……………………………………………………………………………...92 BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 5………………………………………………………..93 CHAPITRE 6 : MODELISATION DU FROTTEMENT………..……………………….95 1. MODELE DE TABOR GENERALISE………………………………………………….97 2. APPROXIMATION DU MODELE DE TABOR GENERALISE……………………..101 3. MODELISATION DU FROTTEMENT VRAI………………………………………..102 3.1. Introduction………………………………………………………………………102 3.2. Comment enlever la part obstacle du frottement apparent ?…………………….103 3.3. Modélisation du problème………………………………………………………..104 3.4. Relation frottement vrai frottement apparent…………………………………….104 4. RESULTATS ET DISCUSSION……………………………………………………….105 4.1. Test des jeux de lignes d’écoulement…………………………………………….106 4.1.1. Evolution du frottement apparent……………………………………………106 4.1.2. Test des lignes d’écoulement en fonction du frottement vrai et de l’angle du cône de la pointe……………………………………………………………………...108 4.2. Evolution du frottement apparent calculé à partir du modèle de lignes sécantes..112 4.2.1. Evolution des intégrales A, B, C et D………………………….…………….112 4.2.2. Evolution du frottement……………………………………….……………..113 4.2.3. Influence du rayon de courbure de la pointe…………………………………116 4.2.4. Evolution du frottement apparent en fonction de l’angle de retour de sillon..117 5. CONCLUSION…………………………………………………………………………118 ANNEXE : JEUX DE LIGNES D’ÉCOULEMENT……………………………..………119 1. EVALUATION DU VECTEUR NORMAL…………………………………….119 1.1. Partie sphérique………………………………………………………………….119 1.2 Partie conique…………………………………………………………………….119 2. EVALUATION DU VECTEUR TANGENTIEL………………………………..120 2.1. Lignes horizontales……………………………………………………………….120 2.2. Lignes sécantes…………………………………………………………………...124 2.2.1. Partie sphérique……………………………………………………………...124 2.2.2. Partie conique……………………………………………………………….126 2.3. Lignes verticales…………………………………………………………………127 2.3.1. Partie sphérique……………………………………………………………..128 2.3.2. Partie conique……………………………………………………………….129 3. RESUME DES RESULTATS…………………………………………………..130 BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 6……………………………………………………..131 TABLE DES MATIERES CHAPITRE 7 : ANALYSE DU FROTTEMENT………..………………………………133 INTRODUCTION…………………………………………………………………………..135 1. EVOLUTION DU FROTTEMENT APPARENT……………………………………...135 2. EVOLUTION DU FROTTEMENT VRAI……………………………………………..137 2.1. Rappel : évaluation du frottement vrai…………………………………………...137 2.2 Evolution du frottement vrai en fonction de la vitesse…………………………...138 2.3. Evolution du frottement vrai en fonction de la température……………………...139 2.4. Modèle de la couche d’atomes…………………………………………………...141 2.5. Comparaison du frottement vrai du PMMA et du CR39………………………...143 3. FROTTEMENT ET TAUX DE PLASTICITE…………………………………………144 3.1. Frottement apparent et taux de plasticité…………………………………………145 3.2. Frottement vrai et taux de plasticité……………………………………………...145 3.3. Hystérésis d’adhésion et taux de plasticité……………………………………….148 4. EVOLUTION DE LA SCISSION……………………………………………………...148 5. MODIFICATION DU FROTTEMENT………………………………………………..152 5.1. Effet d’un vernis anti rayure sur l’évolution du frottement………………………152 5.2. Traitement plasma………………………………………………………………..157 5.3. Effet de la rugosité de la pointe………………………………………………….159 CONCLUSIONS……………………………………………………………………………163 BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 7………………………………………………………164 CONCLUSIONS & PERSPECTIVES…………...……………………………………….165 NOMENCLATURE 1 NOMENCLATURE Géométrie des pointes θ Demi angle du cône de la pointe β Angle d’attaque du cône de la pointe R ou b R Rayon de courbure de la pointe e δ Enfoncement de la pointe Paramètres physiques λ Conductivité η Viscosité κ Facteur élastique f Fréquence e P Nombre de Péclet T Température g T Température de transition vitreuse α T ou α Transition α β T ou β Transition β a E Energie d’activation * V Volume d’activation c t Temps de contact * τ Temps de recouvrance w Energie d’adhésion de Dupré Paramètres mécaniques τ Scission p Pression de contact m p Pression moyenne de contact E’ Module d’élasticité E’’ Module de perte * E Module d’Young équivalent ν Coefficient de poisson ε Déformation moyenne e ε Déformation élastique p ε Déformation plastique Y σ Seuil d’écoulement plastique NOMENCLATURE 2 t F Force tangentielle n F Force normale µ coefficient de frottement app µ Coefficient de frottement apparent def µ Coefficient de frottement de déformation vrai µ Coefficient de frottement vrai ad µ Part adhésion du coefficient de frottement δ tan Facteur de perte ∆ Décrément logarithmique H Dureté Paramètres spécifiques à la rayure ω Angle de retour de sillon • ε ou dt d / ε Vitesse de déformation a Demi largeur de contact r a Rayon dorsal de l’aire de contact f a Rayon frontal de l’aire de contact l Largeur de contact (de rayure) r l Largeur de contact à l’arrière du contact V Vitesse de glissement S Aire de contact Polymères PMMA Poly(méthacrylate de méthyle) CR39 Poly(diethylene glycol bis allyl carbonate) T&L Poly(uréthane) INTRODUCTION 3 INTRODUCTION Le frottement est présent depuis toujours dans notre vie uploads/Geographie/ tel-00002808.pdf