Intéraction système-matériaux en fretting

Les nombreuses études menées en fretting montrent que les dégradations se traduisent soit par une perte de matière (fretting-usure), soit par l’amorçage de fissures dans les massifs (fretting-fatigue). Ces deux types de réponse dépendent de nombreux paramètres, tant fonctionnels (charge, déplacement, fréquence... imposés ou non) que matériaux (ductiles, fragiles...) et interfaciaux (troisième corps), qui sont parfois retranscrits sous forme de cartes de sollicitations locales ou de réponses des matériaux. Les frontières entre ces différents domaines sont déterminées à partir de critères issus directement des paramètres caractéristiques des cycles de fretting (ouverture du cycle, énergie dissipée), dont l’objectif est de définir le passage entre glissement partiel et glissement total. L’analyse précise des cycles de fretting est donc un élément central de la compréhension du comportement des matériaux sous ce type de sollicitation

Tribological aspects in modern aircraft industry

Preface : The problem of contact materials subject to relative movement is becoming increasingly important for lifetime of the equipment, pollution and cost in energy. One of the aims of tribology is to understand how friction occurs and wear in dynamical contacts. This can vary considerably depending on the choice of the pair of materials and the experimental device. Few milligrams of material lost in a mechanism is sufficient to make it unusable and cause replacement with significant costs. There is still no specific and general formalism to solve the problem of tribology, that is to say, friction, tearing, wear and lubrication of solid and liquid. Friction behavior or wear depends on complex conditions of stress, environment and physicochemical properties of surfaces, themselves dependent on tribological mechanisms. The intrinsic mechanical properties of materials are complementary and play a direct role in the tribological process. The work presented at the ACMA’14 conferences are multidisciplinary, by interacting mechanics, physical chemistry and materials science on a different scale ranging, the goal is to explain, even if the reactions of the contact surfaces are very complex, the basics of tribology, the process of friction and wear, to apply the test methods on the materials in contact and get material coatings on other surfaces by different methods and processes mechanical, physical and chemical. This special issue of the journal "KEM: Key Engineering Materials" consists of a collection of studies both in the fields of experimental simulation of tribology than the science of surfaces in contact by relative movements in relation to the mechanical properties materials

Tribolumen: a tribometer for a correlation between AE signals and observation of tribological process in Real-Time—Application to a dry steel/glass reciprocating sliding contact

This paper deals with the development of an original apparatus called TRIBOLUMEN designed specifically for friction experiments on transparent materials. The friction measurement is synchronized with an acoustic emission (AE) sensor and the device is also equipped with a high- speed camera offering a direct view at the interface to gain a deeper understanding of tribological mechanisms. The TRIBOLUMEN device is in ball-on-flat contact configuration with a range of strokes from 5 to 500 μm and an oscillation frequency from 5 to 600 Hz. The experiments showed that this device has an adequate rigidity and can detect subtle friction modifications of the oscillating contacts. The observation of a steel-on-glass contact in real-time highlighted the initiation of Hertzian cracks followed by the formation of debris in the contact. Using the synchronous measurement, these mechanisms were clearly associated with different stages in the friction measurement and in the AE signals, which permitted to identify the AE signature of Hertzian cracks

An environmental tribometer for the study of rubbing surface reactivity

A new tribometer was designed to study the reactivity of rubbing surfaces under controlled environmental conditions. The contacting samples are isolated from the atmosphere by a chamber under secondary vacuum (10−6 mbar) where reactive gasses can be injected. The sample chamber can also be heated up to 900 ◦C by a radiative furnace. The sliding velocity can be varied from 0.05 to 1.5 m/s and the applied load from 5 to 100N (contact pressure ranged between 130MPa and 1.3 GPa). The instrumentation of the tribometer enables continuous measurement of the normal and tangential forces, vertical displacement of the contacting samples, temperature in the vicinity of the contact zone, partial pressure and gas composition in the test chamber and electrical contact resistance. The design difficulties have been exposed and the chosen technological solutions are presented. A test has been carried out to validate the tribological device

Céramiques thermomécaniques

Présentation générale sur le comportement mécanique des céramiques et les domaines d'applications des céramiques thermomécaniques détaillant : comportement mécanique : élastique linéaire fragile ; la fragilité : origine physique et conséquences ; critère de fragilité : la ténacité ; critère de fiabilité : approche de Weibull ; rupture différée : fissuration sous-critique et fatigue ; comportement au contact : contact hertzien et Vickers ; comportement au frottement : concept de troisième corps ; comportement à haute température : le fluage ; comportement aux chocs thermiques

Evolution des propriétés mécaniques de surface suivie par spectrométrie Raman sur des couples en carbure de silicium et en carbones imprégnés

Les garnitures mécaniques en carbure de silicium (SiC) sont généralement utilisées en milieu lubrifié. Toutefois afin d'accéder à de nouvelles applications technologiques, il peut être nécessaire de les employer en contact sec. Cependant, l'emploi du couple SiC/SiC dans les conditions de frottement sec conduit à une usure sévère des garnitures, voire à leur rupture. Afin de développer cette application une des bagues est remplacée par un matériau en carbone-graphite (CG) dont les propriétés mécaniques et tribologiques sont renforcées par le procédé d'imprégnation qui consiste à introduire dans les porosités du CG un polymère ou un métal ductil à basse température. Dans cette étude, nous avons choisi l'imprégnation soit par une résine phénolique, du PTFE, ou de l'antimoine. Ces ajouts ont pour effet respectif de renforcer la structure de la bague en CG, de diminuer son énergie de surface et de permettre l'accomodation par déformation du film interfacial. Nous proposons d'étudier les mécanismes de dégradations tribologiques qui surviennent à l'interface entre le couple SiC/CG au moyen d'un tribomètre rotatif réalisant un contact conforme anneau/anneau, à température ambiante, avec une vitesse de glissement de 0,5 m/s et une pression de contact de 0,1 MPa. Les faciès d'usure et les tribofilms sont examinés par microscopie électronique à balayage et par spectroscopie de dispersion des rayons X. La spectrométrie Raman vient compléter l'identification chimique des films tribologiques. Cette technique permet la mesure et la cartographie de la taille des cristallites de graphite et la répartition des contraintes résiduelles à la surface des bagues en SiC ou en CG.La description des mécanismes de dégradation des matériaux s'appuient sur le concept du circuit tribologique qui exprime un bilan des débits de matière dans le contact. Dans le cas des couples SiC/CG, les débits sources proviennent principalement des bagues en CG. Les bagues en SIC sont préservées de l'usure. Pour tous les couples de frottement, le troisième corps contient du carbone amorphe et des cristallites de grandes dimensions dont le maintien dans le contact est favorisé par la dynamique du tribomètre. L'atmosphère continue à jouer un rôle dans l'interface car, bien que le contact soit conforme, l'oxydation de l'antimoine est détectée à la surface des bagues qui en sont imprégnées. Les tribofilms les plus stables réduisent le débit d'usure et cette stabilité est fonction de l'imprégnant employé

Comportement tribologique de diamants polycristallins et de carbures cémentés WC-Co avec traitements de graduation (application aux inserts et taillants d'outils pour le forage de formations rocheuses fortement abrasives.)

La performance des inserts d outils tricône et des taillants d outils PDC commerciaux est soumise au compromis dureté/ténacité principalement régi par la proportion de cobalt et la taille des grains de carbures cémentés WC-Co et du PDC. Les traitements de graduation basés sur l imbibition de cobalt et les revêtements de nitrure de bore des carbures cémentés permettent d augmenter la résistance à l abrasion au niveau de la surface active des inserts et des taillants tout en générant une ténacité accrue au cœur des carbures cémentés. Des essais d usure à l aide d un tribomètre rotatif avec une contreface en alumine pour les inserts WC-Co et à l aide d un tour d usure avec une contreface en béton à forte teneur en silice pour les taillants ont permis d étudier leur comportement tribologique. Pour les inserts, le coefficient de frottement et les cinétiques d usure (modèle d Archard), mais aussi l évaluation de la température de contact et de l émission acoustique générée au contact, ont permis de mieux comprendre l effet des traitements réalisés sur les carbures cémentés. Pour les taillants PDC un modèle de qualité, basé sur un compromis usure/efficacité de coupe, a été développé afin de caractériser la résistance à l usure des taillants. Des analyses physicochimiques (EDX, DRX, Raman) ont permis d associer l évaluation de la résistance à l abrasion des échantillons à des mécanismes d usure en considérant les éléments constitutifs des systèmes tribologiques et la formation de troisièmes corps. Les résultats ont ainsi montré l importance de la proportion de cobalt générée dans les débits d usure sur la stabilité des débris abrasifs (alumine et silice) et ainsi sur la résistance à l usure des inserts et taillants. Les mécanismes de rupture des microstructures WC-Co et PDC sont aussi mis en avant afin d expliquer leur influence sur la résistance à l abrasion des échantillons. Enfin, des mesures de ténacité des inserts ont permis de juger de l apport des traitements d imbibition sur la résistance à la propagation de fissures des carbures cémentés WC-Co. Aussi, des essais complémentaires de chocs ont permis de montrer que les traitements améliorant la résistance à l abrasion des taillants ne se traduisent pas par la chute de leur résistance aux chocs.The performance of commercial tricone bit inserts and PDC bit cutters is defined by the compromise between hardness and fracture toughness controlled by the cobalt proportion and the grain size of WC-Co cemented carbide and PDC. On one hand, graduation treatments based on reactive imbibition of cobalt and boron nitride coating of cemented carbides lead to an improvement of abrasive wear resistance of inserts and cutters active surfaces. On the other hand, greater fracture toughness is obtained in the cemented carbides core as a result of imbibition. Wear experiments were performed with a rotary tribometer using an alumina contreface for the WC-Co inserts and with a lathe and its silica based concrete contreface for the PDC cutters. For the inserts, the friction coefficient and wear kinetics (Archard model), but also contact temperature measurement and acoustic emission consideration, permitted to clarify the treatments effects on cemented carbides tribological behaviour. For PDC cutters, a quality model, based on wear/cutting efficiency compromise, was developed in order to characterize the wear resistance. Physicochemical analyses (EDX, XRD, Raman) made a link between mechanical results and wear mechanisms considering the tribological systems and the third body formation. These analyses highlighted the influence of the proportion of cobalt generated in the wear flows on the stability of abrasive debris (alumina and silica) and thus on the wear resistance of inserts and cutters. The Fracture mechanisms of WC-Co and PDC microstructures have also been studied and their effects on the wear resistance have been demonstrated here. At last, fracture toughness measurements showed that the imbibition treatments could maintain a good resistance to cracks propagation of inserts. In addition, complementary impacts experiments prove that the improvement of wear resistance of PDC cutters did not produce reduction of impact strengthTOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

Conception d’un tribomètre environnemental pour l’étude de la réactivité des surfaces frottantes

En tribologie, un moyen de progresser efficacement dans la compréhension des phénomènes de couplage mécanique/thermique/environnemental sur la réactivité au niveau des surfaces et des interfaces est l’expérimentation où les conditions de contact sont parfaitement contrôlées (en termes de pression partielle d’oxygène, d’humidité ou sous vide, et de température). Pour cela, un tribomètre environnemental a été développé. L’objet de cet article est d’exposer les solutions technologiques adoptées, de présenter l’instrumentation (capteurs de force, de déplacement, de pression, de température, de résistance de contact, analyseur de gaz in situ), et de décrire les performances de ce prototype

Assessment of parameters variations for treatment of CO2 laser carburizing over AISI 4340 steel

This study evaluated the best parameters for the carburizing treatment using a CO2 laser of low power over an AISI 4340 steel previously subjected to heat treatments of quenching and tempering. The coating process used a liquid dispersion of carbon black in ethanol and carboxyl methylcellulose. The laser power was kept constant at 125 W and the resolution is 600 dots per inch. The variable parameter of CO2 laser was the speed. Two speeds were selected for the coating preparation: 1200 and 2000 m/s. After treatment, metallographic preparation and optical microscopy observation were performed in addition to the evaluation of parameter variations through hardness measurements and microscratch tests

High temperature tribological behaviour of metal matrix composites produced by SPS

Materials used as friction components in transportation field are subjected to extreme working conditions: they rapidly reach their structural limits and critical parts require to be regularly replaced. Alternative solutions withstanding higher operating conditions imply to find innovative materials. Steel matrix composites including various solid lubricants, WS2 and h-BN, able to support high temperatures were developed using a Spark Plasma Sintering technique, which makes possible the formation of new microstructures out of reach by conventional means. Sliding tests were conducted using a pin-on-disc tribometer in air at 450°C, with a normal load of 15 N and various velocities ranged from 0.1 to 1.5 m/s. Influence of solid lubricant content and sensitivity to test parameters were studied in terms of friction and wear responses of the contacting materials. Test results reveal an improvement of friction properties for composites containing highest WS2contents. A reduction of wear is quantified for all composites, and the best behaviour is observed for those that contain WS2. In agreement with the third body approach, interpretations are proposed to describe the interphase dynamics within the contact