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Présenté par : Salah MEZLINI Maître de Conférences - ENIM Module: Tribologie, N

Présenté par : Salah MEZLINI Maître de Conférences - ENIM Module: Tribologie, Niveau: 1ère année Durée: 10 heures Cours intégré Contrôle de connaissance: Un devoir surveillé à mi-cours, un examen principal, un examen de rattrapage Pré-requis: Matériaux, Mécanique des solides, MMC, Elasticité et RDM Objectifs: Maitriser les notions de base de la tribologie. Etude du frottement , de l’usure et de la lubrification. Modélisation et résolution des problèmes tribologiques. Fiche Module Notions de tribologie: Domaine d’applications, Paramètres…. Mécanique de contact: Contact Hertzien Frottement et intégrités de surfaces: lois de frottement, Rugosité, TTS…. Usure: mécanismes et lois d’usure Lubrification Plan du cours Chapitre 1: Notions de tribologie Introduction: Définition Le mot TRIBOLOGIE a été créé en 1966. Il vient du grec "τριβειν" Tribein : frotter, et "λoγoς " logos : parole, étude ou science Science du frottement, de l’usure et de la lubrification Science ancienne Science pluridisciplinaire Enjeu Economique Introduction: Domaines d’application Du km au nm Géologique: Tectonique: Structures géologiques Sismique Transports: Terrestre: Automobile, TGV Maritime et aérien: Moteurs, transmission, freinage…. Industrie: Organes de machines: paliers, roulements…. Mise en forme des matériaux…. Vivant: Articulations, valves cardiaques…. Technologies de pointe: spatial, stockage d’information, …. Introduction: Impact economique 3% du PNB (produit national brut) perdu par frottement Dans un moteur, -20% des frottement conduit à -7% de carburant…. 50% des machines en maintenance à chaque instant…. Introduction: Quelques paramètres Les paramètres sont (très) nombreux…. Le comportement tribologique n’est pas une propriété intrinsèque…. corps 1 corps 2 interface environnement charge normale vitesse cinématique température durée force de frottement coefficient de frottement taux d'usure aspect de surface température de contact bruits et vibrations variables opératoires système tribologique caractéristiques tribologiques Introduction: Multidisciplinarité L'analyse et l'étude d'un problème tribologique nécessite de faire appel à diverses sciences : Science des matériaux (élaboration, comportement), Mécanique des solides, Mécanique des surfaces, Physico-chimie des surfaces et des liquides, Physique, chimie. Pour l’étude des volumes et des surfaces Introduction: Différentes échelles • Système mécanique • Contact • Aire réelle de contact • Interactions à l’échelle atomique cm mm µm nm • Mécanique des solides • Mécaniques des surfaces • Physico-chimie des surfaces Macroscopique Microscopique Tribomètre « classique » Tribomètre « atomique » Introduction: Evolution d’outils Simulation quantique Simulation atomique Modèles micro- structuraux Modèles Continus Conception ingénieur 1nm 1µm 1mm 1m Distance Temps année minute millisec picosec femtosec Introduction: historique Bas-relief datant de 2400 av J.C. représentant un égyptien lubrifiant les patins en bois d'un chariot transportant une statue. Période préhistorique Introduction: historique Empire assyrien, 700 avant J. C. Période préhistorique Introduction: historique Un tapeur pour écraser les olives, 120 avant J. C. La Période Grecque et Romaine (meule gisante) (Bague) Introduction: historique Système bielle manivelle pour puiser de l'eau, entre XIII et XIV ème siècle . La période moyen âge et renaissance Introduction: historique Dispositifs d'essais pour étudier le frottement, Léonard de Vinci, entre 1452- 1519. La période moyen âge et renaissance Introduction: historique Dispositifs utilisés par Coulomb pour étudier le frottement de glissement, entre 1737-1806. La révolution industrielle Introduction: historique Palier lisse utilisé sur une machine Watt construite en 1788. La révolution industrielle Le premier puits de pétrole à Titusville, U.S.A. en 1859. Introduction: historique Lubrification, nonoparticules, structures en 2013. La révolution industrielle Introduction: Quelques Problèmes Tribologiques Industriels Dégradations en service du bloc-cylindres Dégradations en service des bennes de camion La corrélation entre dureté et usure abrasive n’est pas toujours vérifiée (loi d’Archard : V  1/Hv) 3cm 3cm Faciès d’usure Introduction: Quelques Problèmes Tribologiques Industriels 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0 20 40 60 80 100 120 Number of sliding cycles (N) Wear volume (µm3) 0 0,1 0,2 0,3 0 20 40 60 80 100 120 Nomber of sliding cycle (N) Apparent friction coefficient Introduction: Quelques Problèmes Tribologiques Industriels Introduction: Quelques Problèmes Tribologiques Industriels Introduction: Quelques Problèmes Tribologiques Industriels (chaude) (froid) F F Joint de culasse Micro-contact Macro-contact Corps 1 Corps 1 Micro-contact Macro-contact Corps 1 Corps 1 Introduction: Quelques Problèmes Tribologiques Industriels Introduction: Quelques Problèmes Tribologiques Industriels Introduction: Quelques Problèmes Tribologiques Industriels Surface somme Rugueuse-Rugueuse Zone chaude 200°C Zone chaude 260°C Introduction: Quelques Problèmes Tribologiques Industriels 1 2 Introduction: Quelques Problèmes Tribologiques Industriels Introduction: Quelques Problèmes Tribologiques Industriels Articulation normale de la hanche Usure du cartilage Fracture du col fémorale Arthrose: destruction du cartilage qui enrobe l'extrémité des os Arthrite: une inflammation aiguë des articulations Introduction: Quelques Problèmes Tribologiques Industriels Solution Pose d’une prothèse de hanche (cas d’une PTH) Composants d’une PTH Exigences requises pour une PTH Une articulation proche de celle naturelle Un Comportement au frottement et à l’usure acceptable Une Bonne résistance à la corrosion des matériaux qui la constituent  une géométrie et des matériaux performants pour éviter toute concentration de contraintes Elle doit présenter Introduction: Quelques Problèmes Tribologiques Industriels Frottement Fil/Bracket dentaire Dissipation d’energie Minimiser le frottement!!!! Facteurs influents: - Facteurs mécaniques ( bracket, arc, ligature,…) - Facteurs biologiques( salive, pellicule,…) Introduction: Quelques Problèmes Tribologiques Industriels 0 2 4 6 8 10 12 14 clove oil saliva olive oil sunflower oil sesame oil Aloe vera oil Frictional force ( N) BC_LO_SS dry interface lubricated interface Introduction: Résolution d'un problème Tribologique système dégradé analyse tribologique bibliographie expertise synthèse essais de validation tests de solutions envisagées modifications du système réel études fondamentales comparaison mise en place d'une simulation Différentes opérations de la résolution d'un problème de Tribologie Introduction: Résolution d'un problème Tribologique Expertise d’un système dégradé système dégradé analyse tribologique bibliographie expertise : examen des éléments localisation de zones caratéristiques morphologie des surfaces : - microscopie optique, - MEB, - rugosimétrie métallurgie : - transformations, - modifications superficielles physico-chimie des lubrifiants : - composition, - viscosité, - pollution modifications chimiques de surface : - analyses X, - techniques de surface : ESCA, SIMS, ... mécanique : - dureté, - autres, ... particules d'usure : - forme, - nature, - nombre mode d'endommagement, lois d'usure paramètres responsables de la dégradation proposition de solutions Introduction: Résolution d'un problème Tribologique Guide à suivre Il est nécessaire de faire une expertise d'un système dégradé afin de déterminer les modes d'endommagement. Une approche systématique est essentielle car on est normalement limité dans le temps. Chaque expertise est différente. Il faut toujours s'adapter à la situation, mais il existe cependant quelques règles générales : 1. Il faut toujours prendre un maximum "de précautions". Travaillez sur une surface stable. Il faut éviter les traces des doigts. 2. NE NETTOYEZ PAS les pièces. On peut perdre certaines informations sur l'endommagement, par exemple les particules d'usure. 3. Il est ESSENTIEL de toujours FAIRE DES REPERES. On peut ensuite remonter à la position des zones analysées. 4. Faites un examen visuel. Repérez ensuite les zones intéressantes à analyser en détail. Localisez les zones caractéristiques. Introduction: Tests de simulation tribologiques Abrasion à deux corps: Test pion / disque Il permet de simuler un contact pion / disque rotatif permet de faire varier plusieurs paramètres en particulier les matériaux testés (pion et disque), l’effort normal, la vitesse de rotation et le temps du frottement tester le matériau à sec et en présence d’un lubrifiant, Le disque rotatif peut être remplacer par un disque abrasif et donc il offre la possibilité de variation de la taille des grains abrasifs, L’analyse de l’usure s’effectue soit à travers des mesures de pertes de masse soit par des mesures profilométriques Introduction: Tests de simulation tribologiques Abrasion à deux corps: Test de rayage il permet de rayer une surface par un indenteur généralement plus dur. Le dispositif est équipé par un système de dégauchissage permettant d’orienter la surface parallèlement à la direction de glissement. Il est aussi équipé par un dispositif à émission acoustique qui permet de détecter le changement du mécanisme d’usure ductile / fragile. Il permet d’effectuer des rayures mono et multi cycliques à charge ou à profondeur imposée. Le système est équipé par un micro contrôleur qui offre une commande manuelle et automatique du système Table Y Table Z Table de rayage Indenteur Rayure Echantillon Capteurs de forces Système de dégauchissage Table X Marbre Introduction: Tests de simulation tribologiques Ce test permet de simuler le frottement d’un pion contre du papier abrasif fixé sur le tambour rotatif. Le pion possède un mouvement de translation parallèle à l’axe du tambour. Ce mouvement lui permet de passer à chaque fois par des grains abrasifs frais et donc d’éviter l’influence de la dégradation des papiers abrasifs. Afin d’éviter l’influence des vibrations du système et d’avoir une usure homogène, le pion est mené d’un mouvement de rotation autour de son axe Abrasion à deux corps: Test pion / tambour Introduction: Tests de simulation tribologiques Abrasion à deux corps: Test pion / tambour Le développement de ce genre de contact a connu un vif succès ces derniers temps. La figure résume les différents configurations (pion / disque, tambour, table, ceinture). Dans chacune des configurations précédentes peut avoir ou non un mouvement de rotation autour de son axe. Introduction: Tests de simulation tribologiques Abrasion à trois corps: Dry Sand Rubber Wheel Ce test est devenu standard en 1980, Le principe consiste à frotter uploads/Science et Technologie/ tribologie-chapitre-1.pdf