Étude expérimentale de l'évolution et de l'établissement de l'état de surface d'un matériau métallique en contact avec un plan de saphir : application à la modélisation des résistances thermiques de contact

par Bourassia Bensaad

Thèse de doctorat en Sciences de l'ingénieur. Thermique

Sous la direction de Brahim Bourouga.

Soutenue en 2008

à Nantes .


  • Résumé

    Essentiellement expérimentale, la présente étude a pour objectif l'observation de l'évolution de la RTC et des caractéristiques géométriques d’une interface en fonction de la pression de contact ; ceci en vue d'améliorer les modèles de RTC proposés par certains auteurs. Parmi ces caractéristiques, celles qui nous intéressent plus particulièrement sont le taux réel de contact solide-solide S*, la densité de points de contact N et la distance de séparation d. Notre motivation principale est d’établir les lois d’évolution de ces trois paramètres puis de les corréler avec la RTC obtenue par la mesure thermique. Nous avons mis au point une méthodologie expérimentale permettant de réaliser les mesures thermiques de la RTC et les mesures de la micro-géométrie du contact et de ses déformations. Les mesures micro-géométriques sont basées sur des techniques non conventionnelles faisant appel à la profilométrie laser et à l’imagerie. L’essai de micro-dureté peut aussi être de grande importance pour l’estimation des paramètres caractérisant la micro-géométrie de l’interface solide-solide. Nous nous intéressons à une interface de contact entre une plaque de saphir transparent, lisse et infiniment rigide et un matériau métallique rugueux et déformable. L’étude expérimentale s’appuie sur un plan d’expérience visant d’abord à faire ressortir le comportement de la RTC en fonction des paramètres S*, N et d. Ce plan d’expérience est également construit dans le but de faire apparaître l’influence de la topographie et de l’élaboration de la surface sur ces trois paramètres de contact par le biais des paramètres de rugosité et de la micro-dureté Hv. Les expériences sont menées sur deux couples de matériaux laiton/saphir et acier/saphir et trois états de surface différents : contrôlé, électro-érodé et tourné. Les tests de reproductibilité de la mesure thermique démontrent la grande fiabilité du dispositif réalisé. L’étude profilométrique montre que les surfaces électro-érodées et tournées peuvent être considérée gaussiennes alors les surfaces contrôlées ne le sont pas. L’évolution du taux réel de contact S* en fonction de la pression de contact est étudiée essentiellement sur les surfaces contrôlées (Nconstant). S* est estimé de trois façon différentes : La première consiste à analyser les courbes d’Abbott relevées après chaque chargement, la deuxième fait appel au modèle de Bowden et Tabor S*=P/H et à la notion de micro-dureté effective Hc et dans la troisième nous avons tenté de le déterminer par un traitement spécifique des photographies des interfaces métal/saphir. L’évolution de la densité de points de contact N en fonction de la charge est observée pour les couples surface électro-érodée/saphir et surface tournée/saphir. Elle est déterminée essentiellement par l’imagerie. L’évolution de la distance de séparation des plans moyens des surfaces d en contact est obtenue en considérant d égale au paramètre de rugosité Rp relevé avant chargement et après chaque chargement. Les résultats expérimentaux obtenus montrent que le comportement de la RTC en fonction de la pression de contact, de la rugosité et de la nature des matériaux en contact, est conforme à la littérature. Les résultats de l’estimation de la RTC en fonction des paramètres de contact S*, N et d se divisent en deux parties : la première concerne les surfaces contrôlées et la deuxième concerne les surfaces aléatoires « électro-érodées et tournées ». Pour les échantillons étudiés, la distance de séparation des plans moyens des surfaces en contact d est considérée égale au paramètre de rugosité Rp relevé avant chargement et après chaque chargement. Les résultats de l’estimation du taux réel de contact montrent que la technique profilométrique proposée lors de cette étude est plus adaptable dans les cas de double échelle de rugosité (surfaces à fortes rugosités). A fortes charges, cette technique peut donner des résultats très satisfaisants. La comparaison des valeurs de la RTC estimées en fonction de S*=P/Hc avec celles obtenues par la mesure thermique montre une grande pertinence du modèle Boden et Tabor, utilisant la notion de la micro-dureté effective Hc. On note que ce modèle masque la présence de plusieurs échelles de rugosité. On montre aussi que le modèle S*=P/Hv surestime le taux réel de contact, son utilisation donne des valeurs de RTC plus faibles que celles obtenues par la mesure thermique. La comparaison de la RTC estimée en fonction des paramètres de contact avec celle de la RTC obtenue par la mesure thermique montre que peu importe la courbe de N utilisée, l’utilisation du modèle de CMY donne des valeurs de la RTC de même ordre de grandeurs que celles mesurées. Le modèle de Bardon donne des valeurs bien supérieures que celles mesurées sauf pour les très forts chargements. Ce résultat peut être justifié par le fait que le modèle de CMY est adapté pour les surfaces gaussiennes alors que le modèle de Bardon est basé sur l’hypothèse de l’uniformité de tous les points de contact

  • Titre traduit

    Experimental study of the evolution and the establishment of the surface quality of a metallic material in plane contact with a sapphire plate : application to the modelling of thermal resistances of contact


  • Résumé

    Primarily experimental, the present study aims at the observation of the evolution of the TCR and the geometrical characteristics of an interface according to the contact pressure; this in order to improve the models of TCR proposed by certain authors. Among these characteristics, those which interest us more particularly are the real rate of contact solid-solid S*, the density of points of contact N and the separation distance d. Our principal motivation is to establish the laws of evolution of these three parameters then to correlate them with the TCR obtained by thermal measurement. We developed an experimental methodology allowing to carry out thermal measurements of the TCR and measurements of the micro-geometry of the contact and its deformations. Micro-geometrical measurements are based on non-conventional techniques calling upon laser profilometry and the imagery. The test of micro-hardness can also be of great importance for the estimate of the parameters characterizing the micro-geometry of the interface solid-solid. We are interested in an interface of contact between a plate of transparent, smooth and infinitely rigid sapphire and a rough and deformable metallic material. The experimental study is based on an experimental design initially aiming at emphasizing the behaviour of the TCR according to the parameters S* N and d. This experimental design is also built with an aim of revealing the influence of the topography and the development of surface on these three parameters of contact by the means of the parameters of roughness and the Hv micro-hardness. The experiments are undertaken on two couple’s materials brass / sapphire and steel / sapphire and three different surface qualities: controlled, electro-eroded and turned. The tests of reproducibility of thermal measurement show the great reliability of the device carried out. The profilometric study shows that electro-eroded surfaces and rounds can be considered Gaussian then controlled surfaces are not it. The evolution of the real rate of contact S* according to the contact pressure is studied primarily on controlled surfaces (N constant). S* is considered of three way different: The first consists in analyzing the curves of Abbott raised after each loading, the second fact call to the model of Bowden and Tabor S*=P/H and with the concept of effective micro-hardness Hc and in the third we tried to determine it by a specific treatment of the photographs of the interfaces to metal /sapphire. The evolution of the density of points of contact N according to the load is observed for the couples surfaces magnet-eroded / sapphire and surfaces turned / sapphire. It is given primarily by the imagery. The evolution of the distance from separation of the average plans of surfaces d in contact is obtained by considering d equal to the parameter of roughness RP raised before loading and after each loading. The experimental results obtained show that the behaviour of the TCR according to the contact pressure, of the roughness and the nature of materials in contact, is in conformity with the literature. The results of the estimate of the TCR according to the parameters of contact S*, N and d are divided into two parts: the first relates to controlled surfaces and the second relates to "electro-eroded and turned random surfaces. For the studied samples, the distance from separation of the average plans of surfaces in contact d is considered equal to the parameter of roughness RP raised before loading and after each loading. The results of the estimate of the real rate of contact show that the profilometric technique suggested at the time of this study is more adaptable in the cases of stepladder of roughness (surfaces with strong roughness). With strong loads, this technique can give very satisfactory results. The comparison of the values of the TCR estimated according to S*=P/Hc with those obtained by thermal measurement shows a great relevance of the model Boden and Tabor, using the notion of the effective micro-hardness Hc. One notes that this model masks the presence of several scales of roughness. One also shows that the S*=P/Hv model over-estimates the real rate of contact, his use gives values of TCR lower than those obtained by thermal measurement. The comparison of the TCR estimated according to the parameters of contact with that of the TCR obtained by thermal measurement shows that it does not matter the curve of N used, the use of the model of CMY gives values of the of the same TCR order of magnitude as those measured. The model of Bardon gives values quite higher than those measured except for the very strong loadings. This result can be justified by the fact that the model of CMY is adapted for Gaussian surfaces whereas the model of Bardon is based on the assumption of the uniformity of all the points of contact

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Informations

  • Détails : 1 vol. (250 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. f. 199-208

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  • Bibliothèque : Université de Nantes. Service commun de la documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2008 NANT 2037
  • Bibliothèque : Ecole centrale de Nantes. Médiathèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th. 2284 bis
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