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  1. 1. Présenté par : Mondher ZIDI Maître des Conférences - ENIM
  2. 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. 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. 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. 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. 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. 7. Usure adhésive (Grippage)
  8. 8. Usure adhésive (Grippage)
  9. 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. 10. L'usure abrasive (a) À deux corps(b) À trois corps
  11. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 21. La résolution d'un problème de Tribologie
  22. 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. 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. 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. 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. 26. Suivi d'une expertise de câbles de pont
  27. 27. Constitution des câbles
  28. 28. Cicatrice n° 2 sur brin n° 0
  29. 29. Cicatrice n° 3 sur brin n° 8
  30. 30. 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
  31. 31. 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

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