Analyse physique de la formation des transformations tribologiques superficielles : cas des matériaux métalliques sollicités sur un dispositif à enclumes opposées de "Bridgman"

par Ahmad Hachem Haj Mourad

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Yves Berthier.

Soutenue en 2005

à Villeurbanne, INSA .


  • Résumé

    Dans la plupart des contacts secs, le frottement et l'usure dépendent de la rhéologie et des débits de 3ème corps solide. En dehors des phénomènes d'adhésion, d'abrasion, de fissuration. . . , ce 3ème corps est le plus souvent produit naturellement à partir des transformations tribologiques superficielles (TTS) des 1ers corps. L'objectif de cette thèse est de comprendre la formation des TTS. Pour cela, des essais ont été réalisés avec une machine à enclumes opposées de " Bridgman ", qui permet de solliciter des échantillons cylindriques (D = 3 mm, e = 0,3 mm) en cisaillement sous pression (1 GPa), c'est-à-dire sous des conditions proches de celle d'un essai de frottement, mais mieux contrôlées. Trois matériaux de structures métallographiques différentes (taille de grain, présence ou non de joint de grains) ont été utilisés comme traceur de la formation des TTS. Les évolutions de la structure de ces matériaux, suivies à partir d'essais interrompus, ont été interprétées à partir des grandeurs mécaniques macroscopiques mesurées (couple, variation d'épaisseur). Les résultats montrent que lorsque le couple croît, la microstructure cristalline s'allonge puis se fragmente jusqu'à atteindre un ‘état flou' généralisé dans le volume et pour les trois matériaux. Ensuite, c'est-à-dire au-delà des déformations plastiques classiques et pratiquement sans augmentation de couple, la peau de l'échantillon (15 µm) se réarrange sous forme de grains micrométriques. La localisation de cette " zone ré-arrangée " correspond aux gradients de déformations les plus importants (4 µm-1) calculés à partir d'un modèle par éléments finis développé en parallèle de ce travail, ce qui fournit un premier critère mécanique de formation des TTS.


  • Résumé

    Superficial Tribological Transformations (or STT) are usually the less damaging response of materials to tribological conditions by producing the proper solid third body for safe behaviour of ‘dry’ contacts. As a consequence, one solution to control wear is to control STT’s formation. The main objectives of this work are to produce STT (i) in more controlled mechanical conditions than in a contact and (ii) if possible, in a volume which is more important and finally to follow the SST’s formation to indentify their driving mechanism. A Bridgman Anvil Apparatus is used to shear by rotation pure iron cylindrical samples under a quasi-hydrostatic pressure of 1 Gpa. Two STT layers are observed to appear after about 240° of anvil rotation within the ‘skins’ of a sample (i. E. The first 20 micrometer below the surface). The sample structural evolution is analysed as a function of measured global parameters: the torque (C), the hydrostatic pressure (Ph), sliding (S) and sample depth (h). The first experimental analysis is coupled with finite element analysis to calculate sample local solicitations. Modelling allows to better identifying local different driving mechanisms that control experiments: volume shearing, material work hardening, sliding at the interfaces. The experimentally observed STT areas are directly correlated to a specific calculated behaviour of the sample ‘skin’.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (191 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 185-191

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2991)
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