Note d'application | Usure par fretting
Évaluation de l'usure par fretting
Comment la vitesse d'oscillation et la température accélèrent l'usure par fretting de l'acier inoxydable
Recherche et essais expérimentaux
Duanjie Li
Conception graphique et rédaction
Andrew Shore
Introduction
Le fretting est un processus d'usure particulier qui se produit dans la zone de contact entre deux matériaux sous charge soumis à un mouvement relatif infime dû à des vibrations ou à une autre force1. Lorsque des machines fonctionnent, des vibrations apparaissent inévitablement dans les assemblages boulonnés ou goupillés, entre des composants qui ne sont pas censés bouger, et dans les accouplements oscillants et les roulements. L'amplitude de ces glissements relatifs est souvent de l'ordre du micromètre au millimètre. Ce mouvement répétitif de faible amplitude provoque une usure mécanique localisée importante et un transfert de matière en surface, ce qui peut réduire l'efficacité de production, dégrader les performances de la machine, voire l'endommager2.
L'importance d'une évaluation quantitative de l'usure par fretting
L'usure par fretting fait souvent intervenir plusieurs mécanismes complexes à la surface de contact, notamment l'abrasion à deux corps, l'adhésion et/ou l'usure par fatigue de fretting. Pour comprendre le mécanisme d'usure par fretting et choisir le meilleur matériau de protection, une évaluation fiable et quantitative est nécessaire. Le comportement en fretting dépend fortement de l'environnement de fonctionnement : amplitude de déplacement, charge normale, corrosion, température, humidité et lubrification. Un tribomètre polyvalent capable de simuler différentes conditions réelles est idéal pour évaluer l'usure par fretting.
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Objectif de la mesure
Dans cette étude, nous avons évalué le comportement en usure par fretting d'un échantillon d'acier inoxydable SS304 à différentes vitesses d'oscillation et températures, afin de montrer la capacité du tribomètre NANOVEA T50 à simuler le processus d'usure par fretting des métaux de manière bien contrôlée et suivie.
NANOVEA T50 Compact
Tribomètre à poids morts
Conditions d'essai
La résistance à l'usure par fretting d'un échantillon d'acier inoxydable SS304 a été évaluée avec le tribomètre NANOVEA et son module d'usure en mouvement alternatif linéaire. Une bille WC (6 mm de diamètre) a servi de matériau antagoniste. La trace d'usure a été examinée avec un profilomètre 3D sans contact NANOVEA.
L'essai de fretting a été réalisé à température ambiante (TA) et à 200 °C pour étudier l'effet de la haute température sur la résistance au fretting du SS304 ; une plaque chauffante placée sur la platine a chauffé l'échantillon pendant l'essai à 200 °C. Le taux d'usure K a été évalué par la formule K = V/(F × s), où V est le volume usé, F la charge normale et s la distance de glissement.
Une bille WC a été utilisée ici comme exemple de matériau antagoniste. Tout matériau solide, de forme et d'état de surface différents, peut être monté avec un porte-échantillon sur mesure pour simuler la situation réelle d'application.
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Description de l'échantillon | SS304 poli |
| Force normale | 10 N |
| Amplitude | 2 mm |
| Vitesse | 100 ou 1000 cycles/min |
| Température | Température ambiante (TA) ou 200 °C |
| Durée de l'essai | 20 000 tours |
| Matériau antagoniste | Bille WC, 6 mm de diamètre |
Tableau 1 : paramètres des mesures d'usure.
Résultats et discussion
Le profil 3D de la trace d'usure permet de déterminer directement et précisément la perte de volume, calculée par le logiciel d'analyse NANOVEA Mountains.
L'essai d'usure alternatif à faible vitesse, 100 tr/min, et à température ambiante présente une petite trace d'usure de 0,014 mm³. En comparaison, l'essai de fretting à grande vitesse, 1000 tr/min, crée une trace nettement plus grande, d'un volume de 0,122 mm³. Cette accélération de l'usure peut être attribuée à la forte chaleur et aux vibrations intenses générées pendant l'essai de fretting, qui favorisent l'oxydation des débris métalliques et entraînent une abrasion sévère à trois corps. L'essai de fretting à 200 °C forme une trace encore plus grande, de 0,269 mm³.
L'essai de fretting à 1000 tr/min présente un taux d'usure de 1,5 × 10−4 mm³/N m, près de neuf fois celui de l'essai alternatif à 100 tr/min. À haute température, le taux d'usure s'accélère encore jusqu'à 3,4 × 10−4 mm³/N m. Un écart aussi important de résistance à l'usure selon la vitesse et la température montre l'importance de bien simuler le fretting pour des applications réalistes.
Le comportement en usure peut changer radicalement lorsque de petites modifications des conditions d'essai sont introduites dans le tribosystème. La polyvalence du tribomètre NANOVEA permet de mesurer l'usure dans diverses conditions, notamment haute température, lubrification et corrosion. Le contrôle précis de la vitesse et de la position par un moteur avancé permet des essais d'usure de 0,001 à 5000 tr/min, ce qui en fait un outil idéal pour les laboratoires de recherche et d'essais étudiant le fretting dans différentes conditions tribologiques.
| Condition d'essai | Profondeur d'usure (µm) | Volume d'usure (mm³) | Taux d'usure (mm³/N m) |
|---|---|---|---|
| 100 tr/min, TA | 24 | 0.014 | 1.7 × 10⁻⁵ |
| 1000 tr/min, TA | 79 | 0.122 | 1.5 × 10⁻⁴ |
| 1000 tr/min, 200 °C | 130 | 0.269 | 3.4 × 10⁻⁴ |
Tableau 2 : synthèse des traces d'usure mesurées avec différents paramètres d'essai.
Conclusion
Dans cette étude, nous avons montré la capacité du tribomètre NANOVEA à évaluer le comportement en usure par fretting d'un échantillon d'acier inoxydable SS304 de façon bien contrôlée et quantitative. La vitesse et la température d'essai jouent un rôle déterminant dans la résistance du matériau au fretting. La forte chaleur et les vibrations intenses pendant le fretting ont accéléré l'usure du SS304 de près de neuf fois, et la température de 200 °C a encore porté le taux d'usure à 3,4 × 10−4 mm³/N m.
Sa polyvalence fait du tribomètre NANOVEA un outil idéal pour mesurer l'usure par fretting dans diverses conditions, notamment haute température, lubrification et corrosion. Les tribomètres NANOVEA offrent des essais d'usure et de frottement précis et répétables en modes rotatif et linéaire conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribocorrosion dans un seul système pré-intégré.
Références
1. Lampman, S. R., ASM Handbook, Volume 19: Fatigue and Fracture.
2. Fretting wear, Machinery Lubrication, machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear.
Questions fréquentes sur les essais d'usure par fretting
Qu'est-ce que l'usure par fretting ?
Un processus d'usure au contact entre deux matériaux chargés soumis à un mouvement relatif infime dû à des vibrations ou à d'autres forces, généralement d'une amplitude du micromètre au millimètre, dans les assemblages boulonnés ou goupillés, les accouplements oscillants et les roulements.
Pourquoi l'usure par fretting est-elle difficile à prévoir ?
Elle combine plusieurs mécanismes, abrasion à deux corps, adhésion et fatigue par fretting, et dépend fortement de l'amplitude de déplacement, de la charge normale, de la corrosion, de la température, de l'humidité et de la lubrification.
Comment le fretting a-t-il été simulé ?
Usure en mouvement alternatif linéaire d'un SS304 poli contre une bille WC de 6 mm sous 10 N avec une amplitude de 2 mm pendant 20 000 cycles, à 100 ou 1000 cycles/min et à température ambiante ou à 200 °C sur une plaque chauffante.
De combien la vitesse a-t-elle modifié l'usure ?
Le volume d'usure est passé de 0,014 mm³ à 100 cycles/min à 0,122 mm³ à 1000 cycles/min, et le taux d'usure de 1,7 × 10⁻⁵ à 1,5 × 10⁻⁴ mm³/N m, soit près de neuf fois plus, ce qui est attribué à la chaleur et aux vibrations favorisant des débris oxydés et une abrasion à trois corps.
Qu'a apporté la température ?
À 200 °C et 1000 cycles/min, la trace a atteint 130 µm de profondeur et 0,269 mm³, avec un taux d'usure de 3,4 × 10⁻⁴ mm³/N m.
Peut-on reproduire les conditions réelles des composants ?
Oui. Tout matériau antagoniste et toute forme peuvent être montés avec un porte-échantillon sur mesure, et les essais peuvent être réalisés de 0,001 à 5000 tr/min avec haute température, lubrification ou corrosion.
