On the use of statistical analysis for tribological evaluation of a solid lubricant

La dégradation des contacts tribologiques sous une sollicitation de fretting est un phénomène complexe lié à l interaction entre deux corps sous une faible amplitude de débattement, ce qui limite la durée de vie des pièces de manière significative. La lubrification solide est de plus en plus utilisée dans les applications tribologiques pour réduire les frottements et protéger la surface du substrat contre l'usure par fretting. La performance du revêtement dépend de nombreux facteurs tels que les conditions de sollicitation, les propriétés du substrat, du contre-corps et du revêtement et l'adhérence entre le revêtement et le substrat. Les objectifs de cette thèse sont de discuter le frottement et le comportement en usure du revêtement sous différentes conditions et d'analyser l'effet des paramètres d essai sur le coefficient de frottement et la durée de vie du revêtement, ce qui peut être effectivement utile pour l'évaluation de la qualité des revêtements. Les tests de fretting sont menés pour comprendre les relations entre le comportement tribologique d'un vernis à base de MoS2 et les conditions d essai. Le revêtement est étudié pour différentes valeurs de force de contact, amplitude de déplacement, configuration de contact, position du revêtement, nature du substrat et épaisseur. L'effet de chaque facteur est évalué par l'analyse de variance. L'analyse de régression est utilisée pour prévoir la performance du revêtement. L'observation de l'évolution de la trace d usure est réalisée pour expliquer l importance des facteurs et les coefficients dans les équations de prédiction. En outre, l'analyse de fiabilité est utilisée pour décrire et prévoir le taux de survie du revêtement sous certaines conditions d essai. Enfin, un modèle linéaire de durée de vie est évalué afin de prendre en compte l'amplitude de déplacement variable.Fretting wear is considered as a complex wear phenomenon related to interaction between two sliding bodies under very low displacement amplitude, which limits the lifetime of elements significantly. Solid lubricant is more and more applied in tribological applications to reduce friction and protect the substrate surface from fretting wear. The performance of coating depends on many factors such as running conditions, properties of substrate, counterbody and coating, and adhesion between coating and substrate. The objectives of this thesis are to discuss the friction and wear behavior of the coating under different running conditions, and to analyze the effect of test parameters on the friction coefficient and lifetime of the coating, which can be effectively helpful for the evaluation of quality of the coating. Fretting experiments are carried out to understand the relationships between the tribological behavior of a MoS2 based varnish coating and running conditions. The coating is investigated under different contact forces, different displacement amplitudes, different contact configurations, different coating positions, different substrates and different thicknesses. The rank of effect of factors is evaluated by the analysis of variance. Regression analysis is used to predict the performance of coatings under certain running conditions. The observation of evolution of wear scar is applied to explain the rank of factor and coefficients in the prediction equations. Furthermore, the reliability analysis is used to describe and predict the survival rate of coatings under certain running conditions. Finally, a linear model for lifetime is assessed in order to take into account variable displacement amplitude.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Caractérisation et modélisation des mécanismes tribologiques aux interfaces outils-pièces-copeaux en usinage à sec de l'acier C45

Dans ce travail de thèse, une amélioration aussi bien à l échelle globale qu à l échelle locale a été apportée sur la compréhension des mécanismes tribologiques aux interfaces outil-pièce-copeau durant l usinage à sec de l acier C45 avec des outils en carbure de tungstène revêtus en TIN. Dans une première partie expérimentale, des essais de frottement ont permis d étudier la sensibilité des paramètres de frottement sur le comportement tribologique aux interfaces pion-pièce. Ainsi, l évolution du coefficient de frottement, du flux de chaleur et du coefficient de partage de chaleur aux interfaces outil-pièce-copeau ont été identifiés pour le couple de matériau frottant et frotté. Pour mieux comprendre ces phénomènes, une étude métallographique a été effectuée sur des échantillons. Elle a notamment permis l obtention des transformations métallurgiques au niveau de la surface superficielle de la pièce : des affinements des grains (déformation plastique) aux basses vitesses de frottement et des couches blanches (durcissement thermique) pour les grandes vitesses. Pour avoir plus de détails, un modèle numérique simulant l essai de frottement a été développé en se basant sur l approche Arbitraire Lagrangienne Eulérienne (A.L.E). Ce modèle nous a permis d avoir plus d informations sur les grandeurs locales de frottement (pression de contact, température de contact, vitesse locale de glissement, déformation plastique). Un modèle de frottement et un modèle de coefficient de partage de chaleur ont été identifiés à travers cette étude numérique. Dans la deuxième partie expérimentale, deux types d essais d usure ont été effectués dans des conditions similaires sur des pions et sur des plaquettes d outils de coupe de même nuance. Des analyses microscopiques et au MEB couplés à une analyse EDS ont été faites afin de mieux analyser les mécanismes tribologiques durant les essais d usure. Des similitudes de faciès d usure ont été observées à différentes échelles d analyse, sur les pions ainsi que sur les plaquettes d outils de coupe. Ces similitudes ont permis d aboutir à une corrélation des phénomènes tribologiques observés sur les pions et ceux observés sur les plaquettes.In this work, improved both global and local levels has been made on understanding the tribological mechanisms at the chip-tool-workpiece interface in dry machining of a AISI 1045 steel with a TiN coated carbide tool. In the first part, several friction tests have been performed to study the sensitivity of friction parameters on the tribological behavior at pin-workpiece interface. Thus, evolutions of the apparent friction coefficient, of heat flux and of heat flux partition ratio have been identified. To better understand these phenomena, a metallographic study was performed on the samples of the workpiece.It has enabled the achievement of metallurgical transformations in terms of surface area of the room : the refinement of grains (plastic deformation) friction at low speeds and white layers (thermal curing)for high speeds. These results show that the initial state of the steel (ferritic-pearlitic microstructure) has been changed, In fact, two phenomena have been observed. The first phenomenon has been observed for low sliding velocities. In this range of the sliding velocities, the grains have been crushed because of the large plastic deformations. The second phenomenon has been observed by increasing the friction velocity. In fact, the white zones have been identified at the surface layer and which have presented a different structure compared to the initial state of the steel. A 3D A.L.E. numerical model, simulating the friction test, enables to extract local information from the contact area, especially the contact pressure, the contact temperature and the average local sliding velocity. An adhesive friction model and a heat partition coefficient model depending on average local sliding velocity have been identified. These friction models can be utilized in a FEM of the cutting process in order to improve the understanding of the material flow and temperature distribution around cutting tools. In the second part, pin wear in the friction tests and tool wear in machining tests have been performed. To compare the phenomena observed at the tool-chip interfaces during the wear tests in machining with the phenomena observed at the pin-workpiece during the wear tests of friction, similarities of faces have been observed at different scales of analysis on the pins and on the cutting tool inserts.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Analyse du frottement aux interfaces pièce-outil-copeau au cours de l'usinage d'un acier 42CrMo4

La plupart des modèles couplant traitement mécanique et thermique au sein d'un contact se place à une échelle globale, utilisant les outils de la mécanique des milieux continus. Ainsi, à cette échelle, la complexité des phénomènes physiques locaux et du contact lui-même n'est pas pris en compte. Par exemple, le troisième corps, volume intermédiaire évoluant entre les surfaces dites "en contact", dont le rôle est la prévention de l'usure, ainsi que les échanges thermiques locaux ne sont pas considérés. L'étude numérique ici présentée se place à l'échelle de ce troisième corps et met en relation ses propriétés cohésives et thermiques avec l'accommodation des vitesses et les conséquences thermiques dans l'épaisseur totale du contact. Pour cela, un modèle par éléments discrets est utilisé, enrichi d'un traitement thermique reliant diffusion locale et force de contact. Grâce à ce modèle, régimes d'écoulement, approche énergétique du frottement, profils de dissipation de puissances et cartes thermiques peuvent être mis en évidence

Etude de l'endommagement tribologique des chemises de moteurs Diesel poids lourds et optimisation des matériaux et état de surface

L application des nouvelles normes internationales Euro 4 et Euro 5 concernant la pollution des moteurs à combustion interne impose aux constructeurs automobiles des progrès techniques au niveau du contact segment chemise qui conduisent à une diminution de la consommation d huile. Afin de pouvoir répondre à ces évolutions, deux pistes principales s ouvrent pour les industriels et les scientifiques : l optimisation du matériau de la chemise à travers ses propriétés intrinsèques et de l état de surface de celle-ci à travers les paramètres de rodage. Dans ce contexte, nous avons analysé lors de cette thèse ces deux aspects pour différents types de fonte. Suite à une synthèse bibliographique (chapitre 1), qui nous a donné un aperçu sur les travaux déjà réalisés dans ce domaine, nous avons mené une étude complète sur une fonte à graphite lamellaire classique au travers de tests de frottement au tribomètre Cameron Plint (chapitre 3). Cette étude nous a permis d obtenir des informations sur l évolution du coefficient de frottement, de la résistance électrique de contact, de l usure et de la pression de contact, ainsi que sur la formation du film tribochimique, au cours du frottement sous des conditions sévères. A partir de ces informations, un modèle concernant le comportement tribologique de ce contact a été proposé. Dans le chapitre 4, nous avons caractérisé une fonte trempée en surface qui a présenté une résistance à l usure très élevée par rapport à la fonte classique . La trempe superficielle entraîne une augmentation des propriétés mécaniques (notamment de la dureté) en extrême surface de la chemise, ce qui induit une résistance à l usure élevée. Cependant, l inconvénient de cette fonte est l usure importante du contre-corps dans les conditions expérimentales utilisées. Le chapitre 5 a été consacré à une autre voie d amélioration de la résistance à l usure : des eutectiques phosphoreux, des zones très dures dans la microstructure perlitique, ont été formés par l ajout de phosphore et de bore à la composition chimique initiale de la fonte. La présence d eutectiques phosphoreux a impliqué une diminution de l usure de 30% par rapport à la fonte classique pour des chemises avec une topographie de surface identique. Le contre-corps ne s est pas usé lors du frottement dans les conditions expérimentales utilisées. Nous avons constaté que le film tribochimique protecteur ne se crée pas sur des zones très dures, comme les eutectiques phosphoreux et les carbures de chrome. En revanche, ces zones présentent apparemment déjà une résistance à l usure élevée sans la présence du tribofilm grâce à leurs propriétés mécaniques élevées. Le dernier chapitre (chapitre 6) a consisté à analyser l influence de l état de surface (paramètres de rugosité) de la chemise sur son comportement à l usure. Des surfaces rodées, polies miroir ainsi que des surfaces modèles (présentant des vallées bien définies) ont été étudiées. Une surface ayant des paramètres Rpk et Rk faibles, donc très lisse, montre la meilleure résistance à l usure. Cependant, des surfaces trop lisses ne peuvent pas être utilisées car la présence de vallées est indispensable pour garantir une alimentation suffisante en huile dans certains domaines de fonctionnement du moteur.In view of the application of the international standards Euro 4 and Euro 5 concerning pollution of combustion engines, engine manufacturers have to improve the piston ring / cylinder liner contact in order to reduce oil consumption. Today there are two main clues to satisfy these evolutions : the optimisation of the cylinder liner material through their intrinsic mechanical properties and the optimisation of the surface texture through the honing parameters. In this context, we studied these aspects for different kinds of cast iron. After a bibliographic synthesis (chapter 1) which gave a general survey of the studies in this area we accomplished a complete study about a "classical" lamellar cast iron through a friction test on a Cameron Plint simulator (chapter 3). This study gave us information about the friction coefficient, the electrical contact resistance, the wear volume and the contact pressure as well as the tribochemical film formation during friction under heavy conditions. With these results we suggested a model for the tribological behaviour of these contacts. In the chapter 4 we characterised a cast iron quenched in surface which presented a very high wear resistance compared to the "classical" cast iron. The superficial quenching leads to an increase of the mechanical properties (especially the hardness) of the cylinder liner surface which leads to a high wear resistance. Nevertheless, this material presents an inconvenience because of the important wear of the counter-body under the used experimental conditions. The chapter 5 is dedicated to another clue to improve the wear resistance : phosphorous eutectics, very hard zones in the pearlitic microstructure, have been formed by addition of phosphorus and boron in the initial chemical composition of the cast iron. The presence of phosphorous eutectics led to a wear decrease of 30% compared to the "classical" cast iron for cylinder liners with an identical surface texture. The counter-body did not present any wear during friction under the used experimental conditions. We noticed that the protective tribochemical film is not formed on very hard zones like phosphorous eutectics and chromium carbides. However, these areas present already an important wear resistance without a tribo chemical film because of their high mechanical properties. The last chapter (chapter 6) aims to analyse the influence of the surface texture (roughness parameters) of the cylinder liner on its wear behaviour. Honed, polished and model-surfaces (with defined valleys) have been studied. A surface with low Rpk and Rk, so very smooth, shows the best wear behaviour. Nevertheless, too smooth surfaces can not be used because the presence of valleys is necessary to ensure a sufficient supplying of oil in several areas of the engine service. Key words : cylinder liner, cast iron, friction, wear, tribochemical film, electrical contact resistance, friction coefficient.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Caracterisation de modèles de frottement aux interfaces piece-outil-copeau en usinage (Application au cas de l'usinage des aciers et de l'inconel 718)

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Etude du polissage mécano-chimique du cuivre et modélisation du processus d'enlèvement de matière

Le polissage mécanochimique est utilisé dans l'industrie des semiconducteurs depuis une trentaine d'années. Il permet un aplanissement rapide et de qualité de surface de cuivre (et d'autres matériaux) à des échelles nanométriques. Il consiste à polir, à l'aide d'un tissu en polyuréthane (pad) et de particules abrasives en suspension, une surface de cuivre qui a été transformée sous l'action d'un oxydant présent dans les liquides de polissage. Cette transformation chimique permet une modification des propriétés mécaniques de la couche superficielle et facilite l'enlèvement de matière. Notre étude a porté sur la composition de cette couche modifiée dans un premier temps, puis sur l'élaboration d'un modèle permettant d'expliquer l'enlèvement de matière et l'aplanissement des défauts de surface. Nous avons pu établir que la couche qui est enlevée au cours du polissage est constituée de Cu2O. Notre modèle s'appuie sur les propriétés du pad (sa rugosité et ses propriétés élastiques), du wafer (propriétés mécaniques de la couche) et des particules abrasives utilisées au cours du polissage (concentration massique en solution, dureté). Il aboutit à une expression simple reliant la vitesse d'enlèvement de matière (VA) à la pression P appliquée sur le wafer et à la vitesse de rotation V du plateau de polissage : V A = K.V.P 1,19. Nos résultats expérimentaux nous ont permis de valider ce modèle. Notre modèle a permis également d'expliquer assez correctement la phase d'aplanissement intervenant au début du polissage.Chemical Mechanical Polishing (CMP) has benn introduced in semiconductor manufacturing thirty years ago. It makes it possible to obtain fast and high quality planarization at nanometric scales. CMP consists in polishing a chemically modified copper surface with abrasive particules on a polyurethane pad. The chemical transformation of the copper (or other materials) leads to a modification of the mechanical properties of the superficial layer, that is more easily removed. Our study focused firstly on the composition of this modified layer, and secondly on the elaboration of a model that could explain the removal and planarization of the surface layer. We were able to point out that the modified layer is Cu2O. Our model is based on the properties of the pad (roughness, elastic properties), the wafer (mechanical properties of the modified layer) and the abrasive particles (mass concentration, hardness). We established a simple expression between the removal rate (RR), the rotating speed V of the platen and the pressure P applied on the wafer : RR = K.V.P 1,19. Our experimental results corroborate this model. Oour model is also able to explain the planarization phase.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Fretting d'un alliage de titane revêtu et lubrifié (application au contact aube/disque)

La liaison entre aube et disque de fan de turbines aéronautiques est soumise à une sollicitation de fretting. Afin de lutter contre l'endommagement, l'alliage de titane grenaille utilisé est revêtu d'un dépôt plasma rugueux et épais de cu ni in et un film polymère contenant du mos2 (lubrifiant solide) est déposé sur les pieds d'aubes. Le but de la thèse est de comprendre et quantifier l'endommagement de ce contact soumis à des vibrations. Une approche énergétique locale a été développée pour quantifier la durée de vie du lubrifiant solide (définie par l'analyse de l'évolution du coefficient de frottement). Cela permet d'obtenir une courbe maitresse de durée de vie qui peut être utilisée pour prédire la durée de vie du film lubrifiant. Cette approche est stable vis à vis de la géométrie de contact et peut être utilisée pour le choix des revêtements. concernant l'endommagement sans lubrifiant, le critère de fatigue swt a permis d'étudier l'amorcage de fissures en glissement partiel.Fretting occurs in the dovetail contact between the fan disk and blade in aeronautical turbines. In order to prevent fretting damage, the shot peened titanium alloy used is coated with a thick and rough cu ni in plasma layer and a polymer bonded mos2 solid lubricant film is deposited on the roots of the blades. The aim of the thesis is to understand and quantify the damage of this vibrating contact. A local energetic approach is developed to quantify the lifetime of the solid lubricant in the contact (defined through the analysis of the evolution of the friction coefficient). It allows us to obtain a lifetime master curve which can be used to predict the lifetime of the coating. this approach is stable towards the contact geometry and pressure distribution and can be used to compare different coatings. Regarding the damage without solid lubricant, the smith-watson-topper multiaxial fatigue criterion has been used to study the crack nucleation under partial slip condition.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Selection of coatings for tribological applications

Les revêtements sont souvent utilisés pour réduire le frottement et protéger les surfaces contre l usure. Cependant, choisir le revêtement approprié pour une application tribologique donnée est toujours compliqué pare que la réponse tribologique d un système revêtu dépend de beaucoup trop de facteurs. Les objectifs de cette thèse sont de développer un outil de pré-sélection de revêtements, et de proposer quelques approches permettant d évaluer et de comparer des revêtements. Basé sur l étude de la littérature et sur trois études de cas tribologiques, un outil de pré-sélection est développé, en considérant tous les aspects des exigences requises et des limites d application et caractéristiques des revêtements. Deux études expérimentales sont ensuite effectuées. Un revêtement de MoS2 pulvérisé sous pression est examiné dans trois différentes configurations d essai pour identifier l effet des conditions d essai sur sa performance tribologique. La durée de vie de ce revêtement peut être prévue par les courbes maîtresses basées sur l énergie dissipée. Cinq revêtements de type vernis de glissement sont également étudiés par des techniques simples d évaluation et par des essais de fretting. Les performances tribologiques de revêtements dépendent de leur propriétés, et les techniques simples dévaluation peuvent être utilisées pour éliminer de mauvais revêtements, lors du processus de choix. Les performances tribologiques des revêtements sont évaluées en comparant les courbes maîtresses reliant durée de vie et énergie dissipée. Le meilleur revêtement peut alors être choisi, en comparant synthétiquement les revêtements selon divers aspects dans un diagramme polaire.Coatings are often used to reduce friction and protect the substrate surface from wear. However, selecting the appropriate coating from numerous ones for a given tribological application is still complicated because the tribological response of a coating system depends on many factors. The objectives of the thesis are to develop a coating pre-selection tool, and to propose some approaches to evaluate and compare coatings, sequentially to help the coating selection. Based on the study of literature and three different tribological cases, a pre-selection tool is developed by comprehensively considering the requirements and limits of applications and the characteristics of coatings. Two kinds of experiments are carried out to understand the relationships between tribological behaviors and running conditions and coating properties. Pressure sprayed MoS2 coating is investigated under three contact configurations to identify the effect of test conditions on its tribological performance. The coating lifetime can be predicted by relevant dissipated energy master curves. 5 bonded solid lubricant coatings are studied by simple evaluation techniques and fretting tests. The tribological performances of the coatings are closely related to their properties, and the simple evaluation techniques can be used to screen out the poor coatings. The tribological performances of the coatings are evaluated by comparing their dissipated energy coating lifetime master curves. The best coating can be selected by synthetically comparing the coatings from various aspects in a polar diagram.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Etude de l'usure par abrasion d'alliages d'aluminium

Le transport de matériaux granulaires et leurs contacts avec des surfaces métalliques génèrent souvent les dégradations de ces dernières. Partant d'une analyse des dégradations en service, l'usure par abrasion a été mise en évidence. Un suivi des dégradations en services des alliages d'aluminium a montré que la corrélation entre dureté et résistance à l'usure n'est pas toujours vérifiée. Le résultat essentiel de cette étude est une analyse de la corrélation entre la résistance à l'usure par abrasion et les différents types de durcissement. Deux familles d'alliages d'aluminium sont étudiées, les alliages à durcissement structural et les alliages écrouissables. Les simulations des dégradations ont montré que la corrélation entre dureté et usure abrasive dépend du type de durcissement et du niveau de sollicitation. Une bonne corrélation entre expérimentation et modélisation est obtenue en prenant compte la dureté après usure et non la dureté initiale. Les mesures des coefficients de frottement apparent et interfacial, couplées à des analyses microscopiques permettent de tracer une carte d'usure qui regroupe les coefficients de frottement, la géométrie de l'intendeur et les mécanismes d'usure mis en jeu.Transport of granular material and their contacts with metallic surface generate often degradations. Analysis of a real case damage of aluminium alloys shows that the correlation between hardness and abrasive wear is not evident. The essential result of this study is about correlation between hardness and abrasive wear resistance of aluminium alloys. Work hardened and heat-treatable aluminium alloys have been investigated. Experimental results show that the type of hardening governs any improvement of abrasive wer resistance. They show also that the correlation between hardness and abrasive wear depends on the level solicitaion. A beter correlation between abrasive wear and subsurface harness after damage has been found. Measurements of friction coefficient coupled to microscopic analysis of wear mechanisms allow to draw a card witch groups friction coefficient, indenter geometry and wear mechanisms.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF