LE CONCEPT DE TROISIÈME CORPS : un outil pragmatique

pour analyser et comprendre le frottement et l'usure des matériaux

Jean DENAPE

Laboratoire Génie de Production de l’École Nationale d'Ingénieurs de Tarbes

Université de Technologie de Tarbes Occitanie Pyrénées

Le concept de troisième corps est un outil pragmatique permettant d'analyser et de comprendre le frottement et l'usure des matériaux de glissement. Cette approche est basée sur le rôle dominant joué par les particules d'usure dans des conditions de glissement à sec. Ces particules constituent la majeure partie de ce que l'on appelle le troisième corps. Le concept de troisième corps a été introduit par Maurice Godet au milieu des années 70 et développé par Yves Berthier depuis la fin des années 80 autour d’outils conceptuels tels que le triplet tribologique, les mécanismes d'accommodation et le circuit tribologique. Le but de cette présentation est de donner une vue synthétique de ces concepts qui implique des connaissances mécaniques, matériaux et physico-chimiques. Des exemples concrets et des études de cas provenant de diverses applications pratiques sont donnés pour illustrer la validité et l'efficacité d'une telle approche phénoménologique.

Plus précisément, le frottement sec des céramiques a d'abord montré la nécessité de développer de nouvelles approches pour expliquer des résultats inattendus et incompréhensibles tels qu'un frottement élevé pourrait conduire à une faible usure. Une telle contradiction apparente peut être surmontée en introduisant l'effet de capacité de charge d'un lit de débris s'écoulant à l'intérieur du contact, à l’interface qui sépare les pièces frottantes. Ensuite, plusieurs études concrètes réalisées dans le Laboratoire Génie de Production de Tarbes sont brièvement exposées (articulations artificielles de la hanche, revêtements pour lunettes, trépans, matériaux abradables) pour illustrer la manière d'utiliser cette approche dans toutes les situations. La visualisation du contact et les signaux d'émission acoustique complètent les moyens expérimentaux pour explorer les changements locaux qui se produisent à l'intérieur du contact.

À la question finale de savoir comment contrôler l'usure, il existe bien d’autres possibilités que le seul renforcement des matériaux en glissement ; d'autres solutions peuvent être mises en œuvre. Ainsi, différents moyens d'améliorer la résistance à l'usure peuvent être proposés aux ingénieurs en mécanique. Une première option consiste à limiter le débit source des particules d'usure en agissant à trois niveaux : au niveau du dispositif en ajustant les contraintes appliquées, c'est-à-dire en s'assurant de la validité mécanique du contact ; en améliorant la dureté du matériau, comme le font la plupart des gens ; ou en agissant sur l'interface en favorisant la présence d'un film intercalaire. Une deuxième option consiste à restreindre le débit d'usure des débris, en agissant sur la dynamique du dispositif ; en ajustant la géométrie du contact et en tenant compte de la dynamique du contact et ; en particulier, en essayant de piloter la rhéologie des tribofilms. Cependant, cette approche n'est pas un modèle prédictif mais elle fournit un outil utile et structurant, une méthode générale et unificatrice basée sur l'expérience industrielle qui aide à identifier les interactions multi-échelles se produisant dans un processus tribologique.

La Lubrification – Mécanismes Fondamentaux et Avancées Récentes

J. Cayer-Barrioz

LTDS, Ecole centrale de Lyon, CNRS UMR5513, Ecully France

L'introduction d'un liquide pour séparer deux surfaces solides en contact n'est pas une idée nouvelle. Ce film mince lubrifiant est alors capable de supporter une charge, réduisant ainsi les pertes d'énergie, protégeant les surfaces de l'usure et de la corrosion, et évacuant les débris d'usure et la chaleur. Les mécanismes de lubrification peuvent ainsi être examinés en termes de capacité de formation de film et de dissipation du frottement.

Un contact lubrifié est un système complexe : son comportement et son évolution sont influencés par la géométrie à macro et micro-échelle des surfaces solides, les conditions de travail et la rhéologie du lubrifiant. Il peut également jouer le rôle d'un « réacteur mécano-chimique » induisant la réaction des additifs sur les surfaces, la formation de tribofilms et/ou l'adsorption de films limites adsorbés sur les surfaces.

La zone d'entrée conditionne le flux de lubrifiant et contrôle la génération et le maintien de l'épaisseur du lubrifiant dans la zone de contact à haute pression. Les contraintes de frottement sont quant à elles gouvernées par la rhéologie du lubrifiant sous pression dans la zone de contact et par les interactions lubrifiant/surface.

Au cours de cette présentation, nous illustrerons les spécificités des différents régimes de lubrification et détaillerons quelques avancées récentes, à fort impact sociétal et environnemental, permettant de mieux comprendre les mécanismes se produisant au sein de ce contact lubrifié.

Mersen Boostec est une filiale du groupe Mersen spécialisée dans la conception et la fabrication de composants en carbure de silicium pour le spatial, la chimie et les semi-conducteurs. Cette conférence mettra en lumière l’importance des partenariats avec les acteurs de la recherche et de la formation du territoire pour faire émerger ces innovations. Les collaborations entre Mersen Boostec et les institutions scientifiques seront illustrées au travers de plusieurs exemples concrets.