Corrélation entre signaux d'émission acoustique et mécanismes tribologiques par visualisation synchrone d'une interface acier/verre

Correlation between acoustic emission signals and tribological mechanisms by synchronous visualization of a steel/glass interface

• Auteur / Autrice : Khouloud Jlaiel
• Direction : Jean Denape
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 29/03/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Jury : Président / Présidente : Christine Boher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean Denape, Stéphanie Deschanel, Malik Yahiaoui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Desplanques, Juliette Cayer-Barrioz

Mots clés

Mots clés libres

Glissement réciproque

Émission acoustique

Observation in situ

Fissures de Hertz

Tribofilm

Mécanismes d’endommagement et d’usure

Reciprocating sliding

Acoustic emission

In situ observation

Hertzian cracks

Tribofilm

Damage and wear mechanisms

Résumé

L’étude des interfaces glissantes constitue un défi constant en tribologie en raison du caractèremasqué et dynamique des phénomènes qui s’y déroulent. En effet, l’essentiel de la compréhensiondes phénomènes tribologiques en frottement sec provient d’études ex situ de contacts séparés et figés.Pour observer directement l’évolution des éléments interfaciaux circulant dans un contact frottant, untribomètre a été modifié afin d’assurer une synchronisation du suivi en temps réel à travers l’observationin situ des interfaces dynamiques par caméra rapide couplée à la technique d’émission acoustique (EA). L’étude des signaux d’EA a montré, lors d’études antérieures, qu’ils sont sensibles non seulement auxdifférents modes d’accommodation interfaciaux mais également aux différents débits de matière susceptiblesde contribuer à la portance du contact. Le couple de matériaux acier 100Cr6/verre sodocalcique (transparent) a été étudié dans une configuration de contact bille/plan et en conditions de glissementréciproque. La première partie de cette étude expose l’ensemble des résultats expérimentaux englobant l’évolution du coefficient de frottement, l’observation directe des phénomènes dans le contact à travers leverre et l’identification des mécanismes d’endommagement et d’usure activés dans des conditions d’essai constantes en déplacement, en fréquence d’excitation et en charge normale. L’évolution temporelle du coefficient de frottement a montré l’existence de trois phases différentes en cours d’essai correspondant à un régime de frottement bas, un régime transitoire et un régime permanent. La synchronisation de l’activité acoustique a confirmé l’existence de ces trois régimes à travers les paramètres acoustiques les plus pertinents à savoir l’amplitude acoustique, l’énergie absolue et la fréquence centroïde. L’observation directe du contact frottant a permis de relier les signaux acoustiques avec l’évolution spatiale et temporelle des mécanismes d’endommagement et d’usure. Ces résultats ont mis en lumière trois principaux mécanismes : l’établissement d’un troisième corps, l’apparition de fissures hertziennes et un phénomène de remplissage du convergent par des débris de matière (zone d’entrée du contact) pour partie recirculés dans le contact ou repoussés hors du contact (débit d’usure). Ces mécanismes ont été corrélés à des groupes de salves d’EA (clusters), c’est-à-dire selon leur signature acoustique, notamment grâce à des identifications synchrones (temporelles et spatiales) directes sur les signaux mécaniques et l’observation in situ ou à l’aide d’une analyse en composantes principales. La synchronisation de l’observation a aussi permis de décrire quantitativement l’évolution de ces mécanismes par des mesures en continu de l’aire de portance du contact, des dimensions du tribofilm et de la hauteur maximale du remplissage du convergent ainsi que le nombre et la taille des fissures apparaissant à l’arrière du contact.La deuxième partie de l’étude a porté sur l’influence des paramètres opératoires sur la réponse tribologique et acoustique du contact acier/verre. Les différents essais ont montré que le coefficient de frottement et les dimensions des fissures hertziennes sont grandement influencés par la charge normale appliquée et la fréquence d’excitation. La classification des salves acoustiques a confirmé l’existence des trois mécanismes identifiés dans la première partie de l’étude (établissement d’un film interfacial, fissuration du verre et remplissage du convergent/divergent). Les caractéristiques acoustiques de ces classes sont fortement liées au développement des modes d’accommodation et à la taille des sites d’accommodation sources d’émission acoustique.

The study of sliding interfaces is a constant challenge in tribology because of the hidden and dynamic character of the phenomena they enclose. Indeed, most of the understanding of tribological mechanisms in dry friction comes from ex-situ studies performed on split contacts. To observe the dynamic of interfacial elements circulating in a sliding contact, a tribometer was designed to ensure real-time synchronization among friction measurement, in situ observations of the interfaces using a high-speed camera and acoustic emission (AE) acquisition. Previous studies already indicated that AE signals aresensitive not only to the different interfacial accommodation modes but also to the different material flow rates that may contribute to the contact lift. The model semi-transparent material pair 100Cr6 steel/sodalimeglass was set here in a ball-on-flat contact configuration and under reciprocating sliding conditions. The first part of this study presents all the experimental results including the friction coefficient evolution, the direct observation of the contact through the glass, and the identification of the damage andwear mechanisms activated under constant test conditions such as displacement, excitation frequency, and load. The friction coefficient curves showed the existence of three different phases during the test corresponding to a low friction regime, a transient regime, and a steady-state regime. The synchronized acoustic activity confirmed the relevance of these three regimes through the most sensitive acoustic parameters, namely the acoustic amplitude, the absolute energy, and the centroid frequency. The direct observation of the rubbing contact led to clear correlations between the AE signal and the spatial and temporal evolution of the damage and wear mechanisms. These results highlighted three main mechanisms : the establishment of a third body, the occurrence of Hertzian cracks, and a well-identified phenomenon of convergent filling by material debris (contact entry zone) partly recirculating in the contact or definitely pushed out from the contact (wear flow). These mechanisms were associated to AE hits clusters, i.e. according to their AE signature, notably through direct synchronous identifications (temporal and spatial) on the mechanical signals coupled with in situ observations or through principal component analysis(PCA). The synchronous observations also gave a quantitative description of these mechanisms’ evolution with a decrease of the bearing contact area, the increase of the tribofilm thickness and the convergent particle filling height as well as the number and size of the cracks appearing at the back of the contact.The second part of the study focused on the repeatability and the developments of the mechanisms identified earlier with different operating conditions. The first result is that the friction coefficient and the dimensions of the Hertzian cracks are obviously greatly influenced by the normal load applied and the excitation frequency. The acoustic hits clusters defined were confirmed as well as the existence of the major mechanisms identified in the first part of this study (establishment of an interfacial film, Hertzianglass cracks and filling of the convergent/divergent). The AE characteristics of the clusters were stronglyrelated to the development of these accommodation modes and to the size of the accommodation sites which are sources of acoustic emission.