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Catégorie : Tribologie à haute température

 

Dureté à la rayure à haute température à l'aide d'un tribomètre

DURETÉ À LA RAYURE À HAUTE TEMPÉRATURE

EN UTILISANT UN TRIBOMÈTRE

Préparé par

DUANJIE, PhD

INTRODUCTION

La dureté mesure la résistance des matériaux à une déformation permanente ou plastique. Développé à l'origine par un minéralogiste allemand, Friedrich Mohs, en 1820, le test de dureté par rayure détermine la dureté d'un matériau aux rayures et à l'abrasion dues au frottement d'un objet pointu.1. L'échelle de Mohs étant un indice comparatif plutôt qu'une échelle linéaire, une mesure plus précise et qualitative de la dureté par rayure a été mise au point, comme le décrit la norme ASTM G171-03.2. Il mesure la largeur moyenne de la rayure créée par un stylet diamanté et calcule l'indice de dureté de la rayure (HSP).

IMPORTANCE DE LA MESURE DE LA DURETÉ PAR RAYURE À HAUTE TEMPÉRATURE

Les matériaux sont choisis en fonction des exigences de service. Pour les applications impliquant des changements de température importants et des gradients thermiques, il est essentiel d'étudier les propriétés mécaniques des matériaux à haute température afin de connaître parfaitement les limites mécaniques. Les matériaux, en particulier les polymères, se ramollissent généralement à haute température. De nombreuses défaillances mécaniques sont dues à la déformation par fluage et à la fatigue thermique qui ne se produisent qu'à des températures élevées. Il est donc nécessaire de disposer d'une technique fiable pour mesurer la dureté à haute température afin de garantir une sélection adéquate des matériaux pour les applications à haute température.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, le tribomètre NANOVEA T50 mesure la dureté aux rayures d'un échantillon de téflon à différentes températures allant de la température ambiante à 300 °C. La capacité d'effectuer des mesures de dureté aux rayures à haute température rend le NANOVEA Tribomètre un système polyvalent pour les évaluations tribologiques et mécaniques des matériaux pour les applications à haute température.

NANOVEA

T50

EN SAVOIR PLUS

CONDITIONS DE TEST

Le tribomètre standard à poids libre NANOVEA T50 a été utilisé pour effectuer les tests de dureté par rayure sur un échantillon de téflon à des températures allant de la température ambiante (RT) à 300°C. Le téflon a un point de fusion de 326,8°C. Un stylet conique en diamant d'un angle d'apex de 120° avec un rayon de pointe de 200 µm a été utilisé. L'échantillon de téflon a été fixé sur la platine d'échantillonnage rotative à une distance de 10 mm du centre de la platine. L'échantillon a été chauffé par un four et testé aux températures suivantes : RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C et 300°C.

PARAMÈTRES D'ESSAI

de la mesure de la dureté par rayure à haute température

FORCE NORMALE 2 N
VITESSE DE GLISSEMENT 1 mm/s
DISTANCE DE GLISSEMENT 8mm par temp
ATMOSPHÈRE Air
TEMPÉRATURE RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Les profils des traces de rayure de l'échantillon de téflon à différentes températures sont illustrés à la FIGURE 1 afin de comparer la dureté de la rayure à différentes températures élevées. L'amas de matériau sur les bords de la piste de rayure se forme lorsque le stylet se déplace à une charge constante de 2 N et pénètre dans l'échantillon de téflon, poussant et déformant le matériau dans la piste de rayure sur le côté.

Les traces de rayures ont été examinées au microscope optique, comme indiqué sur la FIGURE 2. La largeur des traces de rayure mesurée et les indices de dureté de la rayure (HSP) calculés sont résumés et comparés dans la FIGURE 3. La largeur des traces de rayure mesurée par le microscope est en accord avec celle mesurée à l'aide du profileur NANOVEA - l'échantillon de téflon présente une largeur de rayure plus importante à des températures plus élevées. La largeur de la trace de rayure passe de 281 à 539 µm lorsque la température passe de RT à 300oC, ce qui entraîne une diminution de la HSP de 65 à 18 MPa.

La dureté par rayure à des températures élevées peut être mesurée avec une précision et une répétabilité élevées en utilisant le tribomètre NANOVEA T50. Il offre une solution alternative aux autres mesures de dureté et fait des tribomètres NANOVEA un système plus complet pour des évaluations tribo-mécaniques complètes à haute température.

FIGURE 1: Profils des traces de rayures après les tests de dureté à la rayure à différentes températures.

FIGURE 2 : Traces de rayures sous le microscope après les mesures à différentes températures.

FIGURE 3 : Évolution de la largeur de la trace de rayure et de la dureté de la rayure en fonction de la température.

CONCLUSION

Dans cette étude, nous montrons comment le tribomètre NANOVEA mesure la dureté par rayure à des températures élevées, conformément à la norme ASTM G171-03. L'essai de dureté par rayure à charge constante constitue une solution alternative simple pour comparer la dureté des matériaux à l'aide du tribomètre. La capacité à effectuer des mesures de dureté par rayure à des températures élevées fait du tribomètre NANOVEA un outil idéal pour évaluer les propriétés tribo-mécaniques des matériaux à haute température.

Le tribomètre NANOVEA offre également des tests d'usure et de friction précis et reproductibles en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribo-corrosion disponibles dans un système pré-intégré. Un profileur 3D sans contact est disponible en option pour l'imagerie 3D haute résolution des traces d'usure en plus d'autres mesures de surface telles que la rugosité.

1 Wredenberg, Fredrik ; PL Larsson (2009). "Essai de rayure des métaux et des polymères : Experiments and numerics". Wear 266 (1-2) : 76
2 ASTM G171-03 (2009), "Standard Test Method for Scratch Hardness of Materials Using a Diamond Stylus" (méthode d'essai standard pour la dureté des matériaux par rayure à l'aide d'un stylet en diamant).

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Mesure de l'usure in situ à haute température

MESURE DE L'USURE IN SITU À HAUTE TEMPÉRATURE

EN UTILISANT UN TRIBOMÈTRE

MESURE DE L'USURE IN-SITU Tribomètre aérospatial

Préparé par

Duanjie Li, PhD

INTRODUCTION

Le transformateur différentiel variable linéaire (LVDT) est un type de transformateur électrique robuste utilisé pour mesurer un déplacement linéaire. Il a été largement utilisé dans une variété d'applications industrielles, y compris les turbines de puissance, l'hydraulique, l'automatisation, les avions, les satellites, les réacteurs nucléaires, et bien d'autres.

Dans cette étude, nous présentons les modules complémentaires LVDT et haute température du NANOVEA. Tribomètre qui permettent de mesurer le changement de profondeur de la trace d'usure de l'échantillon testé pendant le processus d'usure à des températures élevées. Cela permet aux utilisateurs de corréler les différentes étapes du processus d'usure avec l'évolution du COF, ce qui est essentiel pour améliorer la compréhension fondamentale du mécanisme d'usure et des caractéristiques tribologiques des matériaux destinés aux applications à haute température.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous souhaitons mettre en évidence la capacité du tribomètre NANOVEA T50 à surveiller in situ l'évolution du processus d'usure des matériaux à des températures élevées.

Le processus d'usure de la céramique de silicate d'alumine à différentes températures est simulé de manière contrôlée et surveillée.

NANOVEA

T50

PROCÉDURE DE TEST

Le comportement tribologique, par exemple le coefficient de friction (COF) et la résistance à l'usure des plaques en céramique de silicate d'alumine, a été évalué par le tribomètre NANOVEA. La plaque en céramique de silicate d'alumine a été chauffée par un four de la température ambiante, RT, à des températures élevées (400°C et 800°C), suivies par des tests d'usure à ces températures. 

À titre de comparaison, les essais d'usure ont été réalisés lorsque l'échantillon a refroidi de 800°C à 400°C, puis à la température ambiante. Une bille en AI2O3 (6 mm de diamètre, grade 100) a été appliquée contre les échantillons testés. Le COF, la profondeur d'usure et la température ont été contrôlés in situ.

PARAMÈTRES D'ESSAI

de la mesure de l'épingle sur le disque

Tribomètre LVDT Échantillon

Le taux d'usure, K, a été évalué à l'aide de la formule K=V/(Fxs)=A/(Fxn), où V est le volume usé, F est la charge normale, s est la distance de glissement, A est la surface de section transversale de la piste d'usure et n est le nombre de tours. La rugosité de surface et les profils des traces d'usure ont été évalués par le profileur optique NANOVEA, et la morphologie des traces d'usure a été examinée à l'aide d'un microscope optique.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Le COF et la profondeur de la trace d'usure enregistrés in situ sont représentés respectivement sur la FIGURE 1 et la FIGURE 2. Sur la FIGURE 1, "-I" indique le test effectué lorsque la température a été augmentée de la température ambiante à une température élevée. "-D" représente la température diminuée à partir d'une température plus élevée de 800°C.

Comme le montre la FIGURE 1, les échantillons testés à différentes températures présentent un COF comparable de ~0,6 tout au long des mesures. Un COF aussi élevé conduit à un processus d'usure accéléré qui crée une quantité importante de débris. La profondeur de la trace d'usure a été contrôlée pendant les essais d'usure par LVDT, comme le montre la FIGURE 2. Les essais réalisés à température ambiante avant le chauffage de l'échantillon et après le refroidissement de l'échantillon montrent que la plaque céramique en silicate d'alumine présente un processus d'usure progressif à RT, la profondeur de la trace d'usure augmente progressivement tout au long de l'essai d'usure pour atteindre ~170 et ~150 μm, respectivement. 

En comparaison, les essais d'usure à des températures élevées (400°C et 800°C) présentent un comportement d'usure différent - la profondeur de la trace d'usure augmente rapidement au début du processus d'usure, et elle ralentit au fur et à mesure que l'essai se poursuit. Les profondeurs des traces d'usure pour les essais réalisés aux températures 400°C-I, 800°C et 400°C-D sont respectivement de ~140, ~350 et ~210 μm.

COF pendant les essais "pin-on-desk" à différentes températures

FIGURE 1. Coefficient de frottement pendant les essais "pin-on-disk" à différentes températures

Profondeur de la trace d'usure de la plaque céramique en silicate d'alumine à différentes températures

FIGURE 2. Évolution de la profondeur des traces d'usure de la plaque céramique en silicate d'alumine à différentes températures

Le taux d'usure moyen et la profondeur des traces d'usure des plaques céramiques en silicate d'alumine à différentes températures ont été mesurés à l'aide de la méthode suivante NANOVEA Optical Profiler comme résumé dans FIGURE 3. La profondeur de la trace d'usure est en accord avec celle enregistrée par LVDT. La plaque en céramique de silicate d'alumine présente un taux d'usure sensiblement accru de ~0,5 mm3/Nm à 800°C, par rapport aux taux d'usure inférieurs à 0,2 mm3/Nm à des températures inférieures à 400°C. La plaque en céramique de silicate d'alumine ne présente pas de propriétés mécaniques/tribologiques significativement améliorées après le court processus de chauffage, possédant un taux d'usure comparable avant et après le traitement thermique.

La céramique de silicate d'alumine, également connue sous le nom de lave et de pierre des merveilles, est molle et usinable avant le traitement thermique. Un long processus de cuisson à des températures élevées (jusqu'à 1093°C) peut considérablement améliorer sa dureté et sa résistance, après quoi un usinage au diamant est nécessaire. Cette caractéristique unique fait de la céramique de silicate d'alumine un matériau idéal pour la sculpture.

Dans cette étude, nous montrons que le traitement thermique à une température inférieure à celle requise pour la cuisson (800°C vs 1093°C) dans un temps court n'améliore pas les caractéristiques mécaniques et tribologiques de la céramique de silicate d'alumine, faisant de la cuisson appropriée un processus essentiel pour ce matériau avant son utilisation dans les applications réelles.

 
Taux d'usure et profondeur des traces d'usure de l'échantillon à différentes températures 1

FIGURE 3. Taux d'usure et profondeur des traces d'usure de l'échantillon à différentes températures

CONCLUSION

Sur la base de l'analyse tribologique complète de cette étude, nous montrons que la plaque en céramique de silicate d'alumine présente un coefficient de frottement comparable à différentes températures, de la température ambiante à 800°C. Cependant, elle présente un taux d'usure sensiblement accru de ~0,5 mm3/Nm à 800°C, ce qui démontre l'importance d'un traitement thermique approprié de cette céramique.

Les tribomètres NANOVEA sont capables d'évaluer les propriétés tribologiques des matériaux pour des applications à des températures élevées allant jusqu'à 1000°C. La fonction de mesure in situ du COF et de la profondeur des traces d'usure permet aux utilisateurs de corréler les différentes étapes du processus d'usure avec l'évolution du COF, ce qui est essentiel pour améliorer la compréhension fondamentale du mécanisme d'usure et des caractéristiques tribologiques des matériaux utilisés à des températures élevées.

Les tribomètres NANOVEA offrent des tests d'usure et de friction précis et répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribo-corrosion disponibles dans un système pré-intégré. La gamme inégalée de NANOVEA est une solution idéale pour déterminer la gamme complète des propriétés tribologiques des revêtements, films et substrats minces ou épais, souples ou durs.

Des profileurs 3D sans contact sont disponibles en option pour l'imagerie 3D haute résolution des traces d'usure en plus d'autres mesures de surface telles que la rugosité.

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Usure rotative ou linéaire et COF ? (Une étude complète utilisant le tribomètre Nanovea)

L'usure est le processus d'enlèvement et de déformation d'un matériau sur une surface résultant de l'action mécanique de la surface opposée. Il est influencé par divers facteurs, notamment le glissement unidirectionnel, le roulement, la vitesse, la température et bien d'autres. L'étude de l'usure, la tribologie, couvre de nombreuses disciplines, de la physique et de la chimie au génie mécanique et à la science des matériaux. La nature complexe de l'usure nécessite des études isolées sur des mécanismes ou processus d'usure spécifiques, tels que l'usure adhésive, l'usure abrasive, la fatigue de surface, l'usure par frottement et l'usure érosive. Cependant, « l’usure industrielle » implique généralement plusieurs mécanismes d’usure se produisant en synergie.

Les tests d'usure linéaires alternatifs et rotatifs (broche sur disque) sont deux configurations largement utilisées conformes à la norme ASTM pour mesurer le comportement d'usure par glissement des matériaux. Étant donné que la valeur du taux d'usure de toute méthode de test d'usure est souvent utilisée pour prédire le classement relatif des combinaisons de matériaux, il est extrêmement important de confirmer la répétabilité du taux d'usure mesuré à l'aide de différentes configurations de test. Cela permet aux utilisateurs d’examiner attentivement la valeur du taux d’usure rapportée dans la littérature, ce qui est essentiel pour comprendre les caractéristiques tribologiques des matériaux.

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Évaluation des plaquettes de frein avec la tribologie


Importance de l'évaluation des performances des coussins de sécurité

Les plaquettes de frein sont des composites, c'est-à-dire un matériau composé de plusieurs ingrédients, qui doivent pouvoir satisfaire à un grand nombre d'exigences en matière de sécurité. Les plaquettes de frein idéales ont un coefficient de frottement (COF) élevé, un faible taux d'usure, un bruit minimal et restent fiables dans des environnements variés. Pour s'assurer que la qualité des plaquettes de frein est en mesure de répondre à ces exigences, les essais tribologiques peuvent être utilisés pour identifier les spécifications critiques.


L'importance de la fiabilité des plaquettes de frein est placée très haut ; la sécurité des passagers ne doit jamais être négligée. Il est donc essentiel de reproduire les conditions de fonctionnement et d'identifier les points de défaillance possibles.
Avec le Nanovéa Tribomètre, une charge constante est appliquée entre une goupille, une bille ou un plat et un contre-matériau en mouvement constant. Le frottement entre les deux matériaux est collecté avec une cellule de pesée rigide, permettant de collecter les propriétés du matériau à différentes charges et vitesses et testé dans des environnements à haute température, corrosifs ou liquides.



Objectif de la mesure

Dans cette étude, le coefficient de friction des plaquettes de frein a été étudié dans un environnement où la température augmente continuellement, de la température ambiante à 700°C. La température de l'environnement a été augmentée in-situ jusqu'à ce qu'une défaillance notable de la plaquette de frein soit observée. Un thermocouple a été fixé à l'arrière de l'axe pour mesurer la température près de l'interface de glissement.



Procédure d'essai et procédures




Résultats et discussion

Cette étude se concentre principalement sur la température à laquelle les plaquettes de frein commencent à tomber en panne. Les COF obtenus ne représentent pas des valeurs réelles ; le matériau de l'axe n'est pas le même que celui des rotors de frein. Il convient également de noter que les données de température collectées sont la température de la goupille et non celle de l'interface de glissement.

 








Au début de l'essai (température ambiante), le COF entre la broche en SS440C et la plaquette de frein a donné une valeur constante d'environ 0,2. Au fur et à mesure que la température augmentait, le COF augmentait régulièrement et atteignait une valeur maximale de 0,26 près de 350°C. Au-delà de 390°C, le COF commence rapidement à diminuer. Le COF a commencé à augmenter pour revenir à 0,2 à 450°C mais commence à diminuer jusqu'à une valeur de 0,05 peu après.


La température à laquelle les plaquettes de frein se sont systématiquement rompues est identifiée à des températures supérieures à 500°C. Au-delà de cette température, le COF n'était plus en mesure de conserver le COF de départ de 0,2.



Conclusion




Les plaquettes de frein ont montré une défaillance constante à une température supérieure à 500°C. Son COF de 0,2 augmente lentement jusqu'à une valeur de 0,26 avant de redescendre à 0,05 à la fin de l'essai (580°C). La différence entre 0,05 et 0,2 est un facteur de 4. Cela signifie que la force normale à 580°C doit être quatre fois plus importante qu'à température ambiante pour obtenir la même force d'arrêt !


Bien qu'il ne soit pas inclus dans cette étude, le tribomètre Nanovea est également capable d'effectuer des tests pour observer une autre propriété importante des plaquettes de frein : le taux d'usure. En utilisant nos profilomètres 3D sans contact, le volume de la trace d'usure peut être obtenu pour calculer la vitesse d'usure des échantillons. Les tests d'usure peuvent être effectués avec le tribomètre Nanovea dans différentes conditions et environnements de test afin de simuler au mieux les conditions de fonctionnement.

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Tribologie à haute température

Dureté à la rayure à haute température à l'aide d'un tribomètre

Les matériaux sont choisis en fonction des exigences de service. Pour les applications impliquant des changements de température importants et des gradients thermiques, il est essentiel d'étudier les propriétés mécaniques des matériaux à haute température afin de connaître parfaitement les limites mécaniques. Les matériaux, en particulier les polymères, se ramollissent généralement à haute température. De nombreuses défaillances mécaniques sont dues à la déformation par fluage et à la fatigue thermique qui ne se produisent qu'à des températures élevées. Par conséquent, une technique fiable de mesure de la dureté par rayure à haute température est nécessaire pour garantir une sélection adéquate des matériaux pour les applications à haute température.

Dureté à la rayure à haute température à l'aide d'un tribomètre

 

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