Usure par frottement dans les systèmes lubrifiés

L’usure par frottement est un dommage de surface qui se produit entre deux surfaces en contact présentant un mouvement cyclique (déplacement tangentiel oscillatoire) de faible amplitude. Au niveau des zones de contact, le lubrifiant est expulsé, ce qui entraîne un contact métal sur métal.

Étant donné que le mouvement de faible amplitude ne permet pas de relubrifier la zone de contact, une usure localisée grave peut survenir. Ce type d’usure favorise en outre une usure par abrasion, adhérence et / ou fatigue par frottement (une forme de fatigue de surface) à deux corps.

Lorsque l’usure par frottement se produit dans un environnement corrosif, le frottement des films d’oxyde et l’abrasivité accrue des débris d’usure oxydés plus durs ont tendance à accélérer considérablement l’usure. Lorsque l’activité de corrosion est nettement évidente, comme indiqué par la couleur des particules de débris, le processus est appelé corrosion par frottement.

Usure par frottement

L’usure par frottement est également connue sous le nom d’usure par vibration, frottement, fatigue, oxydation de l’usure, oxydation par friction, fausse saumure, attrition moléculaire, fatigue par frottement et corrosion.

Comme pratiquement toutes les machines vibrent, le frettage se produit dans les joints boulonnés, épinglés, pressés, clavetés et rivetés; entre les composants qui ne sont pas destinés à se déplacer; dans les cannelures oscillantes, les accouplements, les roulements, les embrayages, les broches et les joints d’étanchéité; et dans les plaques de base, les joints universels et les manilles.

Le frettage a provoqué des fissures de fatigue qui entraînent souvent une défaillance par fatigue des arbres et d’autres composants fortement sollicités.

L’usure par frottement est un type d’usure surface à surface et est grandement affectée par l’amplitude de déplacement, la charge normale, les propriétés du matériau, le nombre de cycles, l’humidité et la lubrification.

Processus d’usure par frottement

Le mouvement cyclique entre les surfaces en contact est l’ingrédient essentiel de tous les types d’usure par frottement. C’est un processus combiné qui nécessite que les surfaces soient en contact et exposées à des oscillations de faible amplitude.

Selon les propriétés du matériau des surfaces, l’adhésif, l’abrasion à deux corps et / ou les particules solides peuvent produire des débris d’usure. Les particules d’usure se détachent et deviennent broyées (écrasées) et le mécanisme d’usure se transforme en abrasion à trois corps lorsque les débris durcis commencent à enlever le métal des surfaces.

L’usure par frettage se produit à la suite de la séquence d’événements suivante:

1. La charge normale appliquée fait adhérer les aspérités, et le mouvement oscillatoire tangentiel cisaille les aspérités et génère des débris d’usure qui s’accumulent.

2. Les aspérités (plus dures) survivantes finissent par agir sur les surfaces lisses et molles, ce qui les fait subir une déformation plastique, créer des vides, propager des fissures et cisailler des feuilles de particules qui s’accumulent également dans des parties déprimées des surfaces.

3. Une fois que les particules se sont accumulées suffisamment pour enjamber l’espace entre les surfaces, une usure par abrasion se produit et la zone d’usure se propage latéralement.

4. Au fur et à mesure que l’adhérence, le délaminage et l’usure par abrasion se poursuivent, les débris d’usure ne peuvent plus être contenus dans la zone initiale et s’échappent dans les vallées environnantes.

5. Parce que la contrainte maximale est au centre, la géométrie devient incurvée, des micropits se forment et ceux-ci fusionnent en fosses plus grandes et plus profondes. Enfin, en fonction du déplacement du mouvement tangentiel, des pistes de vis sans fin ou même de grandes fissures peuvent être générées dans une ou les deux surfaces.

À mesure que les surfaces deviennent durcies, le taux d’usure par abrasion diminue. Enfin, un taux d’usure constant se produit, ce qui montre que tous les modes d’usure pertinents fonctionnent en combinaison.

Caractéristiques d’usure par frettage

Le facteur clé de l’usure par frettage est une interface chargée mécaniquement soumise à un petit mouvement oscillatoire. Le mouvement relatif requis pour produire des dommages peut être assez faible, aussi bas qu’un micromètre, mais le plus souvent est d’environ quelques millièmes de pouce. Le coefficient d’usure dépend de l’amplitude de l’oscillation.

Très peu d’usure se produit à des amplitudes inférieures à 100 micromètres, comme le montre la figure 1.

Figure 1. Usure par frottement par rapport à l’amplitude de Glissement1

Aux glissements inférieurs à 100 micromètres, la nucléation et la propagation des fissures qui entraînent des débris d’usure sont trop infimes pour être détectées. Le roulement des débris d’usure à ce degré d’oscillation provoque vraisemblablement ce faible taux d’usure.

Aux amplitudes élevées, l’abrasion directe de l’interface par des particules dures (oxyde ou particules durcies) crée le taux d’usure brut. Aux grandes amplitudes d’oscillation, le coefficient d’usure par frettage est approximativement le même que celui de l’usure unidirectionnelle.

Figure 2. Usure des frettes par rapport au temps de Fonctionnement2

Les modifications de la charge normale affectent généralement l’usure des frettes. Bien que les utilisateurs de l’équipement supposent souvent que des charges normales élevées atténueront suffisamment les vibrations pour réduire le frettage, l’augmentation de la surface de contact produit une interaction de surface plus importante qui tend à l’emporter sur cet effet. Par conséquent, l’augmentation de la charge ou des pressions unitaires a tendance à générer des taux d’usure plus élevés, comme le montre la figure 3.

Figure 3. Usure par frottement par rapport à la charge unitaire Normale3

Trois mécanismes distincts provoquent une usure par frottement : adhérence, fatigue de traction et délaminage (abrasion à deux corps). Le transfert métallique peut avoir lieu ou non. La déformation plastique modifie géométriquement les surfaces et des régions porteuses de charge élevées sont créées dont les surfaces sont mesurées en millimètres carrés.

Le matériau correspondant à ces zones porteuses est fortement durci et conduit à former une nouvelle phase structurale. Ces zones durcies sont fragiles, sujettes à la fracture et à la fragmentation, et génèrent des débris et des particules d’usure métalliques ayant des dimensions initiales d’environ un micromètre.

Figure 4. Effet de la fréquence sur les dommages causés par le frettage de l’acier doux

Corrosion par Frettage

Une autre facette du processus de frettage est l’influence de l’humidité sur le taux d’usure par frettage. L’usure par frottement diminue considérablement pour la plupart des couples de frottement (métaux) lorsque l’humidité relative augmente de zéro à 50%.

L’usure dans des conditions humides est toujours moins sévère car l’humidité contenue dans l’air fournit une sorte de film lubrifiant entre les surfaces. Dans certains cas, l’humidité permet à des hydrates de fer doux de se former au lieu de la magnétite Fe3O4, un oxyde de fer magnétique plus dur et plus abrasif.

Bien que le frettage puisse se produire dans un environnement inerte, ce type d’environnement n’est pas normal. Même dans des conditions de lubrification complète, les huiles à base minérale exposées à l’atmosphère contiennent au moins 10% d’air, de sorte que de l’oxygène est présent à tous les couples de friction ou interfaces d’usure. Les surfaces d’usure et les débris d’usure présentent généralement une grande quantité d’oxyde, ce qui donne le nom de « corrosion par frottement ». »

Dans le passé, l’usure par frettage était généralement appelée corrosion par frettage parce que l’oxydation était censée être le facteur critique à l’origine du frettage. En fait, l’existence de produits d’oxydation a été un moyen prêt d’identifier un processus de frettage.

Aujourd’hui, les ingénieurs réalisent que le frettage se produit dans des matériaux qui ne s’oxydent pas, tels que l’oxyde cubique, l’or et le platine. Bien que l’oxydation ne provoque pas de frettage dans la plupart des matériaux courants, l’élimination des débris d’usure laisse du métal vierge exposé à l’atmosphère et une oxydation se produit généralement.

Des preuves visuelles solides soutiennent l’idée que des films d’oxyde se forment et sont ensuite raclés. Les surfaces métalliques dans la région frettée deviennent légèrement décolorées. La couleur des débris d’usure varie en fonction du type de matériau parent; le produit de corrosion de l’aluminium est blanc mais les frettes le font devenir noir, le produit de corrosion de l’acier est gris mais les frettes le font devenir brun rougeâtre.

Le deuxième aspect qui soutient cette idée est l’augmentation du taux d’usure. Lorsque le frettage se produit dans un environnement inerte, le taux d’usure est considérablement inférieur à celui lorsque les conditions provoquent la formation et le grattage d’un film d’oxyde.

Comme l’effet de la fréquence sur l’usure dépend de l’amplitude, deux types d’usure par frettage doivent être définis en fonction de l’amplitude d’oscillation. Le premier type de frettage est la corrosion ou l’usure par frettage, comme indiqué précédemment. Le deuxième type de frettage qui se produit, dans lequel moins de matière est enlevée, est appelé fatigue de frettage ou fatigue de traction.

Fatigue de frettage

Dans la fatigue de frettage, les fissures de surface se déclenchent et se propagent, éliminant ainsi le matériau. L’amplitude est faible. Si l’amplitude de glissement augmente, le phénomène de fatigue de frettage peut disparaître car le front d’usure commence à avancer assez rapidement pour éliminer les fissures initiées avant qu’elles ne se propagent.

La dureté de surface joue un rôle clé dans la limitation de la fatigue par frettage. Si les deux surfaces sont dures, les aspérités se souderont, suivies du cisaillement des jonctions, du transfert de matériau et de la génération de particules d’usure.

Si une surface dure est en contact avec une surface molle, une usure par fatigue par frottement se produira probablement. La plus dure des deux surfaces crée une traction suffisante pour provoquer une déformation plastique de la surface la plus douce et une libération de particules par nucléation de vide sous la surface, propagation de fissures et perte ultérieure de matériau de surface.

Lorsqu’une surface est beaucoup plus dure et rugueuse et est entraînée par une force de traction moindre, les aspérités se replient sur la surface opposée pour provoquer une abrasion grave et des débris d’usure ressemblant à des fils.

Influence du lubrifiant sur le frettage

Le frettage semble progresser plus rapidement dans les couples de friction qui ont des finitions de surface lisses et des ajustements rapprochés. Les lubrifiants ne pénètrent pas dans les zones d’usure avec de petits jeux (décrits comme des ajustements rapprochés). De plus, la finition lisse élimine les poches de rétention de lubrifiant entre les aspérités des surfaces plus rugueuses.

Dans ces conditions, seule la condition de lubrification limite, l’interaction continue des surfaces mouillées par l’huile, peut être obtenue. Les lubrifiants ne sont pas toujours efficaces car l’action alternative comprime le film lubrifiant et ne lui permet pas d’être réapprovisionné.

En général, le but du lubrifiant dans la plupart des situations de frettage est d’empêcher l’oxygène d’atteindre la surface de frettage et les débris d’usure. Les lubrifiants liquides avec des additifs désactivateurs métalliques efficaces peuvent aider à réduire l’effet de frettage, mais ne cesseront probablement pas complètement de frettage.

1. Halliday, J. Conférence sur la lubrification et l’usure, Proc. I. Mech. E, Londres, 1957. p. 640.

2. Feng, I. et Rightmire, B. Proc. I. Mech. E. 170, 1055, 1956.

3. Lipson, C. Considérations d’usure dans la conception. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New York, 1967.

Note de l’éditeur
Cet article est initialement paru sous forme de chapitre dans le livre d’E.C. Fitch, Proactive Maintenance for Mechanical Systems. 1992.