usure

1. Présenté par :
Mondher ZIDI
Maître des Conférences - ENIM

2. USURE DES PIECES
MECANIQUES
On définit l'usure comme une détérioration d'une chose suite à l'usage qu'on en fait.
L'usure est une conséquence du frottement, et se produit au niveau de la zone de contact.

3. Les paramètres influençant le taux d'usure sont :
la force de contact
la température
l'aire de contact
l'état physico-chimique des surfaces frottantes (la rugosité,
les couches d'oxydes)
la structure cristallographique et les propriétés mécaniques
des matériaux (la dureté)
l'absence ou la présence d'un lubrifiant
la présence d'agents actifs en frottement (additifs anti usure)

4. Les origines de l'usure sont :
les déformations plastiques
création, déplacement de dislocations
rayures, impacts
les fissurations
brutale, progressive
initation, propagation
les transformations physico-chimiques des surfaces
transformations de phase: amorphisations
réctions chimiques
adhésion
transferts à l'echelle atomique
évolution "boule de neige", micro-grippage, grippage

5. Classification de l'usure
Selon la quantité de matériau perdue par un élément actif d'un tribosystème, on distingue :
•L'usure douce ou ultra-douce
•l'usure sévère
•l'usure catastrophique
Test d'usure :
OA : l'usure est rapide (rodage) OB : utilisation normale de la machine BC : la déstruction des
éléments de la machine

6. A un instant, la charge appliquée au contact est supportée par
l'ensemble des jonctions existantes. Une jonction adhésive est
produite. Soit la jonction est peu résistante et les deux corps se
séparent sans aucune modification, soit la jonction est relativement
résistante et il y a la formation d'une fissure dans le corps le moins
résistant.
pas de transfert transfert de 1 sur 2
L'usure adhésive

7. Usure adhésive (Grippage)

8. Usure adhésive (Grippage)

9. L'usure abrasive
Pendant l'usure abrasive on a le déplacement de matière, produit par des
particules dures. Un corps dur déforme plastiquement, avec ou sans enlèvement
de matière, un corps plus mou.
On peut distinguer :
l'usure abrasive à deux corps: les sillons sont formés parallèlement à la direction
de déplacement des aspérités abrasives.
l'usure abrasive à trois corps: les particules abrasives dures sont libres dans
l'interface et déforment plastiquement les surfaces frottantes en créant des
empreintes.

10. L'usure abrasive
(a) À deux corps(b) À trois corps

11. Les contraintes générées en frottement peuvent créer des fractures.
Pour des matériaux ductiles on a l'usure par fatigue superficielle, ou la
délamination. Les écailles se forment dans les zones de frottement. Cette
détérioration se trouve dans le cas des roulements à billes.
Pour des matériaux fragiles les fractures se produisent dans les zones de
fortes contraintes de tension. Les fractures sont perpendiculaires à la
surface.
L'usure par fatigue

12. Amorce d’une fissure en sous
couche dans un palier
Exemple de fissuration par fatigue
Contrainte cyclique appliquée au
niveau d’une denture d’engrenage

13. processus d'usure dominé par une réaction chimique ou électrochimique avec
le milieu environnant. Cette réaction est crée par le frottement et conduit à la
formation d'une couche superficielle qui protège contre l'usure adhésive.
L'usure corrosive
Corrosion sous un joint
d’étanchéité
Corrosion d’un acier
inoxydable

14. perte de matériau d'une surface solide dûe au contact avec un fluide en mouvement
contenant des particules solides.
La cavitation
L'usure par cavitation est un phénomène d'usure associé à une fatigue superficielle du
matériau sous l'effet des ondes de choc dues à l'ébullition d'un liquide (variation de
pression très forte). Il peut conduire à la formation d'écailles, de cavités dans des zones
particulières de haute température ou de dépression.
L'usure érosive
Usure par cavitation d’un coussinet

15. Le terme fretting désigne généralement une situation pour laquelle un mouvement
oscillatoire de faible amplitude se produit entre deux surfaces au contact. On obtient
cette usure avec les matériaux métalliques et non-métalliques.
Le fretting concerne toutes les industries et installations industrielles:
aéronautiques, biomédicales, industries nucléaires, génie civile, les constructions
mécaniques etc.
On peut distinguer:
•fretting wear: si on a des vibrations externes appliquées à des surfaces qui ne
sont pas soumises à des déplacements imposés, il se produit de faibles
débattements.
•fretting corrosion: la corrosion est une conséquence, et non une cause du
dommage. Les produits de la dégradation sont des oxydes (corrosion en contact)
•fretting fatigue: on utilise ce terme lorsque des phénomènes de fatigue se
produisent au niveau des contacts sous l'effet de sollicitations cycliques.
Les dommages identifiés sur les surfaces sont:
les piqûres, les oxydes et le débris, les rayures, les transferts, la déformation
plastique, la fissuration en sous-couche, les cratères, la fissuration en surface
Le fretting

16. Les paramètres qui influencent le comportement des matériaux en fretting sont:
l'amplitude de débattement
la charge appliquée
la température en contact
la fréquence
l'environnement
les matériaux en contact
le nombre de cycles

17. Parmi les lois d'usure qui existent on peut citer la plus
simple :
Loi d'usure expérimentale de ARCHARD (1950)
V = kND/H
k : coefficient d'usure
N : effort normale
D : distance parcourue
H : dureté
ETUDE DE
L'USURE

18. 10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-3
galling
usure
modérée
brunissage
USURE
ADHESIVE
USURE
ABRASIVE
USURE
CORROSIVE
USURE PAR
FRACTURATION
10
-2
abrasion
sévère
polissage
corrosion
sévère
lubrifiant
solide
fracture
fragile
fatigue de
surface
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-3
usure
modérée
brunissage
USURE
ADHESIVE
USURE
ABRASIVE
USURE
CORROSIVE
USURE PAR
FRACTURATION
10
-2
abrasion
sévère
polissage
corrosion
sévère
lubrifiant
solide
fracture
fragile
fatigue de
surface
valeurs du coefficient d'usure pour un
frottement métal / métal
valeurs du coefficient d'usure pour un frottement céramique /
céramique.

19. Analyse quantitative de l'usure
Perte de poids
Perte de cote
Mesure d'empreintes de micro-dureté Vickers
Cette technique extrêmement précise fait appel à un microindenteur Vickers.
D1
D2
surface initiale
surface après usure
la diagonale est égale à 7 fois la hauteur

20. TYPE D'USURE SURFACE USEE PARTICULES D'USURE
Adhésive
- transferts
- déformations plastiques
- taille relativement importante
(10µm et plus)
Abrasive à deux corps
- surface d'aspect texturé
- rayures parallèles
- microcopeaux
Abrasive à trois corps
- surface d'aspect alétoire
- indentations
- déformations plastiques
- écailles
- métal fortement déformé
plastiquement
Corrosive
- films de surface colorés
- aspect non uniforme
- lames minces de produit de
réaction chimique
Délamination - fatigue
(matériaux ductiles)
- fractures parallèles à la
surface
- piqûres, écaillages
- déformations plastiques
- particules en feuille
- épaisseur faible
Fracturation
(matériaux fragiles)
- fractures en fer à cheval,
perpendiculaires à la surface de
frottement
- faciès de fracturations
- grosses particules
- particules d'aspect fracturé,
anguleuses
Fretting
- trace d'usure en forme
d'anneau, ou localisée
- fractures débutant en surface
de profondeur variable
- agglomérats en périphérie de
la zone de contact
Erosion
- aspect aléatoire
- traces d'impacts, rayures
fortes déformations plastiques
- microcopeaux
Cavitation
- "cavités"
- défauts dans des zones de - microécailles

21. La résolution d'un problème de
Tribologie

22. 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.

23. Enquête préliminaire
Cadre du problème
(a) Décrivez la fonction de l'ensemble
(fournir des plans, des photographies et de schémas si possible)
Décrivez la fonction de l'organe endommagé
(fournir des plans et des photographies pour situer le problème)
(b) Matériaux utilisés
Description Caractéristiques mécaniques
Nature:
Nuances:
Fournisseur:
Dureté =
Limite élastique =
ε maximale =
Tenacité =
(c) Gamme de fabrication et les traitements thermiques de la pièce

24. (d) Conditions de fonctionnement
Décrivez les sollicitations:
Statique OUI NON
Cyclique OUI NON
Contraintes en volume OUI NON
Contraintes surfaciques OUI NON
Environnement agressif OUI NON
(e) Contrôles effectués dans l'entreprise

25. Endommagements constatés à l'œil nu
Circonstances de l'endommagement
Est-ce que l'incident était du à une fabrication nouvelle ?
Est-ce que l'incident est occasionnel ou répété ?
Pendant l'utilisation de cette pièce est-ce qu'il y avait une modification de
Matériau, fabrication, fournisseur, livraison, gamme ou de conditions d'utilisation?
Détails des échantillons prélevés pour l'analyse des défaillances
Liste de documents fournis

26. Suivi d'une expertise de câbles de pont

27. Constitution des câbles

30. Cicatrice n° 2 sur brin n° 0

31. Cicatrice n° 3 sur brin n° 8

34. Dans l'exemple de l'expertise des câbles de pont présenté, seulement quelques
analyses de l'ensemble du schéma précédent, ont été effectuées.
A partir des observations réalisés, on peut tirer les conclusions partielles suivantes :
l'origine de la rupture des câbles est liée au frottement.
les traces d'usure sont régulières sur les câbles, ce qui montrent qu'elles sont
dues au contacts entre les brins.
la localisation sur un brin dans le câble se traduit par des endommagements
différents selon son emplacement; près de l'ancrage, les conditions sont plus
sévères et les détériorations sont plus fortes.
l'effet de l'environnement au niveau des phénomènes de frottement est
observé.
Ces conclusions conduisent à considérer que la rupture des câbles est liée à un
phénomène de fretting classique. Les prochaines étapes à poursuivre sont :
Coupes des échantillons (analyse métallographique) pour donner les
indications des modifications structuralles dans les couches superficielles. Ces
analyses peuvent apporter les preuves de l'existence de fissures (ou d'amorçage
des fissures).
L'analyse des particules d'usure (nature et nombre), peut aussi apporter des
informations complémentaires.
Finalement l'analyse de l'ensemble de ces informations permettre de retrouver la
mode d'endommagement, et les paramètres responsables pour la dégradation, et alors
de proposer des remèdes.
Conclusions partielles

35. Les études de l'usure présentent souvent un intérêt économique
important. La maîtrise des phénomènes d'usure permet entre autres de :
diminuer les frais d'entretien,
limiter les coûts d'investissements,
mettre au point des mécanismes "inusables",
diminuer les coûts énergétiques.
De plus, il ne faut pas oublier que l'usure peut quelquefois présenter un
aspect positif ; le processus de rectification en est un exemple
industriellement très important.
CONCLUSION