Evolution des surfaces sous sollicitations de service
Les états de surface jouent un rôle majeur dans la performance des interfaces fonctionnelles soumises à des sollicitations de service. De la maîtrise des états de surface dépendent des fonctionnalités variées comme le guidage, la transmission de puissance, l’étanchéité, les fixations,… De plus, ils interviennent dans de nombreux phénomènes de dissipation d’énergie et/ou d’endommagement tels que le frottement, l’usure, l’échauffement, les vibrations induites par le frottement, l’écaillage, ….
Il convient de distinguer les évolutions précoces de surface, issues d’un processus de rodage et qui visent à améliorer la performance, des évolutions en service, qui dégradent progressivement la performance et limitent la durée de vie. Au sein du thème tribologie et matériaux, nous abordons cette problématique de plusieurs manières :
- via l’analyse fonctionnelle,
- via la modélisation des états de surface,
- via des essais tribologiques,
- via la mesure des évolutions de la microgéométrie,
- via la simulation des phénomènes
L’analyse fonctionnelle permet d’identifier, les phénomènes à optimiser et de remonter aux paramètres influents au premier ordre (dont les états de surface, les matériaux, la nature du contact, la cinématique relative ou le chargement). Elle permet d’orienter la démarche de conception ainsi que la stratégie de caractérisation expérimentale adéquate.
La modélisation des états de surface vise à obtenir une description de la microgéométrie en relation avec la fonctionnalité visée. Elle s’appuie autant que possible sur des paramètres normalisés et sur les descriptions stochastiques des surfaces fonctionnelles. Cette approche permet d’obtenir la réponse moyenne d’une classe de surfaces vis-à-vis d’une sollicitation.
Les essais tribologiques sont véritablement incontournables pour la compréhension des phénomènes, leur maîtrise et pour la détermination des domaines de validité des modèles proposés. Pour cela, de longue date, le thème tribologie et matériaux conçoit et développe pour son compte et pour le compte de ses partenaires, des moyens d’essais originaux permettant de solliciter de manière réaliste des éprouvettes représentatives des applications industrielles. Cette approche permet de disposer de bancs adaptables facilement.
La mesure des évolutions de la microgéométrie est une phase clé de cette activité car elle permet de décrire et quantifier les effets du chargement sur la microgéométrie des pièces en contact. Plusieurs techniques sont utilisées : microscopie optique, MEB, surfomètres avec ou sans contact,… Cette quantification, couplée avec les résultats d’essais, permet d’estimer les performances des différentes solutions testées (matériaux, traitements de surface, revêtements,…)
La simulation des phénomènes permet d’ajouter à la compréhension des physiques en jeu en « observant » l’interface lorsqu’elle est fermée (lorsque le contact est établi), là où il est impossible d’instrumenter un essai. Cette approche permet de prendre en compte le comportement non-linéaire des matériaux et d’appuyer les choix de traitements de surface et revêtements adéquats. L’activité de simulation utilise notamment la méthode des éléments finis.
Collaborations :
GDR SurfTopo, ARTEMA, Total, Safran Aircraft Engines, Valeo
Références :
[1] Ich Tach Tran, Vérification de la validité du concept de surface somme par une approche statistique du contact élastique entre deux surfaces rugueuses, thèse soutenue le 26/01/2015, Ecole Doctorale SPI, Ecole Centrale de Paris.
[2] Stéphane Tchoundjeu-Ngatchou, Caractérisation des performances d’endurance des lubrifiants par suivi des états de surfaces tridimensionnels, thèse soutenue le 08/10/2013, Ecole Doctorale SPI, Ecole Centrale de Paris.
[3] F. Robbe-Valloire, B. Paffoni, R. Progri, Load transmission by elastic, elasto-plastic or fully plastic deformation of rough interface asperities, Mechanics of Materials 33 (2001), Issue 11, pp.617-633
[4] F. Robbe-Valloire, Statistical analysis of asperities on a rough surface, Wear 249 (2001) 401–408
[5] M. Quillien, F. Robbe-Valloire, et al., Guide de préconisations pour augmenter et mesurer les performances tribologiques, ARTEMA , 2017. https://www.artema-france.org/wp-content/uploads/2017/07/Guide_de_preconisations_performances_tribologiques_Artema_supmeca_2017.pdf
[6] ISAE-Supméca (TriboMat) ARTEMA Guide méthodologique pour la définition, la réalisation et le contrôle des portées de joints d’étanchéité à paraître.
