Matériaux et tribologie
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- modélisation ; - matériaux ; - usure et procédés ; - revêtements ; - lubrification ; - tribologie et sensoriel. Ces journées organisées, par le Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles avec la collaboration de l’IUT de Mulhouse, se sont déroulées du 26 au 28 mai 2014 à Mulhouse à l’Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs Sud Alsace. Marie-Ange Bueno, Brigitte Camillieri et Michel Tourlonias sont enseignants-chercheurs au Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles (LPMT) à l’Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs Sud Alsace (ENSISA, Université de Haute Alsace). Ils ont créé une thématique de recherche centrée sur la tribologie des matériaux fibreux dans son ensemble : indentation/compression, frottement et usure des fibres, fils et surfaces fibreuses, pour des applications techniques (renforts de matériaux composites, smart textiles …) ou plus classiques (habillement, hygiène…), avec une activité forte dans le domaine du toucher (création d’un réseau national). Sciences de la matière Le thème fédérateur de l’édition 2014 des JIFT a été « Matériaux et Tribologie ». Des travaux récents concernant la tribologie dans toute son ampleur pluri- et inter-disciplinaire ont été présentés à cette occasion. Le présent ouvrage regroupe une sélection de ces travaux répartis suivant six grands axes : Matériaux et tribologie - JIFT 2014 - Mulhouse L es Journées Internationales Francophones de Tribologie (JIFT) sont organisées chaque année sous l’égide du Groupe Scientifique et Technique Tribologie de l’Association Française de Mécanique. L’objectif de ces journées est de favoriser les rencontres entre industriels et universitaires sur les problématiques de la tribologie. Elles donnent lieu à de nombreux échanges et exposent des avancées sur des aspects expérimentaux, théoriques et numériques, tout en laissant une place importante aux problématiques industrielles. Marie-Ange Bueno Brigitte Camillieri Michel Tourlonias Matériaux et tribologie JIFT 2014 56 euros Presses des Mines JIFT-2015.indd 1 06/10/15 15:28 Cet ouvrage est une publication du Groupe Scientifique et Technique « tribologie » coordonné par l’Association Française de Mécanique (AFM) avec les partenaires suivants : Marie-Ange Bueno, Brigitte Camillieri, Michel Tourlonias (Textes réunis par), Matériaux et tribologie. JIFT 2015, Paris: Presses des Mines, Collection Sciences de la matière, 2015. © TRANSVALOR - Presses des MINES, 2015 60, boulevard Saint-Michel - 75272 Paris Cedex 06 - France [email protected] www.pressesdesmines.com ISBN : 978-2-35671-234-9 © Photos de couverture : 1 2 3 4 Image 1 : Vue partielle d’un bord découpé de tôle après 1 174 000 coups de presse (Laboratoire FEMTO-ST – Besançon) Image 2 : Image topographique de la surface brute du caoutchouc après fabrication (CEMEF, MINES ParisTech / SALOMON SAS, Annecy) Image 3 : Profilométrie 3D des traces d’usure après 20000 cycles de composites à matrice NBR (Laboratoire FEMTO-ST – Besançon) Image 4 : Images MEB de la rayure d’un perfluoropolymère sur PEN (LPMT – Mulhouse / ENSMSE-CMPGC, Gardanne) Dépôt légal : 2015 Achevé d’imprimer en 2015 (Paris) Tous droits de reproduction, de traduction, d’adaptation et d’exécution réservés pour tous les pays. Matériaux et tribologie Collection Sciences de la matière Dans la même collection : C. Blanc, C. Bosch, X. Feaugas, M. Fregonese, F. Martin, C. Wolski Hydrogène - matériaux, corrosion sous contrainte, fatigue-corrosion 2015 Ph. Kapsa La Tribologie : fondamentaux et applications complexes P. Montmitonnet, M. El Mansori, L. Barralier, A. Fabre, R. Kubler Tribologie : approches scientifiques et applications industrielles C. Boher, J.-F. Rouchon Modélisation du contact et de l’usure C. Richard, M. Bigerelle, P.-E. Mazeran, M. Bonis Conception, Fabrication et Durabilité E. Darque-Ceretti, M. Aucouturier Dorure : décor et sublimation de la matière E. Felder, P. Montmitonnet Tribology of manufacturing processes volume 1 E. Andrieu, C. Blanc, J. Chêne, M. Fregonese, L Marchetti, F. Martin, G. Odemer, R. Oltra Interactions hydrogène-matériaux et corrosiondéformation. J. Friedel, J. Philibert, J. Plateau et G. Pomey L’œuvre scientifique de Charles Crussard 1916-2008 D. Jeulin, S. Forest Continium models and discrète systems Proceedings of the International Symposium held in Paris July 30th– August 2nd 2007 F. Delamare Bleus en poudre B. Jaoul Etude de la plasticité et application aux métaux C. Desrayaud, E. Feulvarch, V. Lozano, I. Pletto Friction Stir Welding and Processing J. Besson, D. Moinereau, D. Steglich Euromech-Mecamat 2006. 9th European Mechanics of Materials Conference S. Forest, A. Ponchet, O. Thomas Mechanics of Nano-Objects S. Forest Milieux continus généralisés et matériaux hétérogènes F. Balbaud, C. Desgranges, C.Duhamel, L. Marchetti, L. Martinelli, R. Molins, S. Perrin, F. Rouillard Corrosion et protection des matériaux à haute température J. Besson Local approach to fracture E. Felder Surfaces, tribologie et formage des matériaux J. Besson, M. Mazière Book of Abstracts. 2nd International Conference on Material Modelling A. Thorel, J. Masounave et M. Suéry Intérêts technologiques et marchés potentiels des composites à matrice métallique. E. Andrieu, C. Blanc, J. Chêne, M. Fregonese, B. Normand, R. Oltra Hydrogène-matériaux, corrosion sous contrainte, fatigue corrosion A. Rousset Gargamelle et les courants neutres . Témoignage d’une découverte scientifique A. Thorel Un certain regard sur les matériaux J.L. Chenot et F. Delamare La mise en forme des matériaux Textes réunis par : Marie-Ange Bueno Brigitte Camillieri Michel Tourlonias Matériaux et tribologie Actes des 26es Journées Internationales Francophones de Tribologie (JIFT 2014 - Mulhouse - 26-28 mai 2014) COMITE SCIENTIFIQUE Président Philippe KAPSA Ecole Centrale de Lyon Président d'honneur Jean FRENE Université de Poitiers Membres Yves BERTHIER INSA Lyon Maxence BIGERELLE Université de Valenciennes Christine BOHER Ecole des Mines Albi Marie-Ange BUENO ENSISA Mulhouse Yan-Ming CHEN CETIM Senlis Antoine CHATEAUMINOIS ESPCI Paris Jean DENAPE ENI Tarbes Yannick DESPLANQUES Ecole Centrale Lille Mohamed EL MANSORI ENSAM Aix Christian GAUTHIER Institut Charles Sadron Strasbourg Pierre MONTMITONNET Ecole des Mines de Paris Sophia Antipolis Olivier NOËL Université du Maine Caroline RICHARD Université de Tours François ROBBE-VALLOIRE SupMéca Saint Ouen Xavier ROIZARD Institut FEMTO-ST Besançon Hassan ZAHOUANI ENI Saint-Etienne Hamid ZAIDI Université de Poitiers 6 COMITE D’ORGANISATION Gilles ARNOLD IUT Mulhouse Marie-Ange BUENO ENSISA Mulhouse Brigitte CAMILLIERI ENSISA Mulhouse Grégory COVAREL IUT Mulhouse Sylvain GILJEAN IUT Mulhouse Pascal HENRY IUT Mulhouse Marie-José PAC IUT Mulhouse Michel TOURLONIAS ENSISA Mulhouse Marie-Claude ROUHIER secrétariat Agnès SCHWOB secrétariat Laurence STRACH service financier Francis JORDAN service technique 7 PREFACE En 1993, se tenaient à Mulhouse les Journées de la Société Tribologique Française (STF) co-organisées par le Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles (LPMT) et le Centre de Recherche sur la Physico-Chimie des Surfaces Solides (CRPCSS). 21 ans après, alors que la STF a rejoint l’Association Française de Mécanique sous la forme du Groupe Scientifiques et Transverse Tribologie, la communauté française des tribologues est revenue au LPMT à Mulhouse pour les Journées Internationales Francophones de Tribologie. L’objectif de ces journées annuelles est de favoriser les rencontres entre industriels et universitaires sur les problématiques de la tribologie. Elles donnent lieu à de nombreux échanges et exposent des avancées sur des aspects expérimentaux, théoriques et numériques, tout en laissant une place importante aux problématiques industrielles. Le thème principal de l’édition 2014 des JIFT a été « Matériaux et Tribologie ». Même si la tribologie est fréquemment présentée comme la science des frottements et de l’usure en vue de réduire les coûts liés à la transmission des mouvements dans un contexte industriel ou encore d’optimiser le frottement nécessaire à la fonctionnalité recherchée d’un mécanisme, elle est également une science permettant de caractériser le comportement mécanique des matériaux et des revêtements ou d’expliquer au moins partiellement la sensation puis la perception sensorielle tactile ou gustative. ème Du 26 au 28 mai 2014, à l’occasion des 26 JIFT, 110 congressistes se sont rassemblés pour prendre connaissance et présenter de nouveaux travaux sur la tribologie. Les contributions sous forme de conférences ou d’affiches se sont réparties selon six axes : • modélisation, • matériaux, • usure et procédés, • revêtements, • lubrification, • tribologie et sensoriel. Les sociétés Alicona, CSM Instruments (Anton Paar) et Schaefer ont exposé, lors de cette manifestation, leurs matériels de caractérisation des surfaces et des contacts. La société Labonal a lutté contre le frottement du fil sur l’aiguille pour tricoter un souvenir aux congressistes ; tricot qui doit son existence aux frottements ! Trois conférenciers invités ont présenté une synthèse de leurs travaux en tribologie : • Dr. Luc Houpert, The Timken Company (Colmar, France) : Calcul de la durée de vie d'un roulement : défis et tendances • Dr. Siegfried Derler, EMPA (Saint Gall, Suisse) : Friction mechanisms of the fingerpad • Yves Berthier (DR CNRS), LaMCoS/ INSA-Lyon (Villeurbanne, France) : Tribologie numérique : de la phénoménologie au bilan énergétique d’un contact (friction, fiction, réalité !) Du fait de la multiplicité des problématiques et des applications visées, une grande variété de triplets et de circuits tribologiques sont considérés dans cet ouvrage allant de l’usure des inserts de dents de tunneliers à la caractérisation des produits laitiers frais fermentés en relation avec la perception de la texture en bouche, des paramètres favorisant le décoffrage du béton à l’usure des moules à pain ou encore de l’usure de revêtements d’épaisseur submicronique à celle des poinçons de 8 Matériaux et Tribologie – Mulhouse 2014 découpage de tôle. La tribologie montre une fois encore son caractère multi- et interdisciplinaire. A l’occasion des JIFT est remis le prix Gustave Hirn, industriel, thermicien et ème tribologue alsacien du XIX siècle. Les JIFT 2014 ont récompensé Martin Duboc, du Laboratoire de Mécanique de Lille, pour ses travaux de thèse intitulés "Etude multi-échelle du crissement : dispositif expérimental et éléments de compréhension". Le prix du meilleur poster a été attribué à Jérôme Bodillard, du Centre de Mise en Forme des Matériaux, pour son poster intitulé "Le frottement des caoutchoucs des semelles de chaussures : influence de la couche superficielle". Deux autres posters ont également été remarqués : celui de Mirela-Maria Sava, du Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures avec l’"Analyse du comportement tribologique d'un liquide synovial biomimétique : rôle de la concentration et de la structure lipidique" et celui de Wael Ben Messaoud, du Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissance/IRCICA de Lille et du Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles de Mulhouse pour l’"Analyse des modulations de frottement par effet squeeze film et électrovibration : validité de la complémentarité". Le jury présidé par Agnès Fabre, Arts et Métiers Paristech Aix-en Provence, a souligné le caractère pédagogique et scientifique de ces travaux. Des remerciements sont adressés aux membres des comités scientifiques et d’organisation qui ont œuvré pour faire de ces journées une réussite, à l’ensemble des conférenciers, au Conseil Général du Haut-Rhin, à la Région Alsace, ainsi qu’aux organisations qui ont permis la réalisation des JIFT : le LPMT, l’ENSISA, l’IUT de Mulhouse et l’Université de Haute Alsace. Philippe Kapsa Animateur du GST Tribologie Association Française de Mécanique Marie-Ange Bueno Présidente du Comité d’Organisation des JIFT 2014 9 SOMMAIRE Comité Scientifique ........................................................................ 6 Comité d’organisation .................................................................... 7 Préface............................................................................................. 8 Sommaire ...................................................................................... 10 Liste des Auteurs ........................................................................ 297 Conférences invitées ..................................................................... 13 Calcul de la durée de vie des roulements : défis et tendances ..........................15 L. Houpert Friction mechanisms of the finger pad ............................................................... 17 S Derler Tribologie Numérique : de la phénoménologie au bilan énergétique d’un contact (friction, fiction, réalité !).........................................................................19 Y. Berthier Partie 1. Usure et Procédés ........................................................ 23 La triboélectricité dans les contacts dynamiques ...............................................25 H. Zaïdi, C. Richard, J. Frêne Primary velocity accommodation mechanisms activated in a contact at high temperature ................................................................................................ 35 K. Faria Pinho, C. Boher, Y. Berthier, C. Scandian, F. Rezaï-Aria Etude expérimentale et numérique de l’impact multiéchelle de la finition dentures sur les vibrations de l’engrenage .........................................................43 S. Jolivet, S. Mezghani, M. El Mansori, H. Zahouani Analyse expérimentale et prédiction numérique de l’usure du poinçon lors du découpage de tôles en alliages cuivreux ......................................................51 E. Falconnet, J. Chambert, H. Makich, G. Monteil Sensibilité de quelques paramètres d’état de surface à la détection du micro-écaillage ...................................................................................................59 T. Da Silva Botelho, F. Robbe-Valloire, S. Tchoundjeu-Ngatchou, F. Jarnias Usure abrasive du carbure de Tungtène (WC) pour une application « dents de tunneliers » .......................................................................................67 O. Marou Alzouma, V. Fridrici, Ph. Kapsa Etude expérimentale de l’influence de la charge normale et de la vitesse linéaire sur le frottement et l’usure du contact tournant sec aluminiumaluminium ...........................................................................................................77 D. Bekhouche, A. Bouchoucha, H. Zaidi 10 Matériaux et Tribologie – Mulhouse 2014 Partie 2. Matériaux ...................................................................... 87 Squeal analysis on a pin on disc set-up: Influence of contact geometry and material behavior.........................................................................................89 M.Duboc, J.F Brunel, V. Magnier, P. Dufrénoy Comparison of the wear behavior of high speed steel grades obtained from conventional casting and Laser cladding .................................................101 N. Hashemi, O. Dedry, J. Lecomte-Beckers, H-M Montrieux, G. Walmag, R. Carrus, J-T. Tchuindjang Cycles de charge-décharge de surfaces pileuses : influence des frottements poil-poil et poil-indenteur ............................................................... 109 B. Camillieri, M-A. Bueno Eléments de compréhension du rôle du laiton dans les garnitures de frein .....117 M. Baklouti, A.L. Cristol, R. Elleuch, Y. Desplanques Frottement et usure entre fils de carbone ........................................................125 M. Tourlonias, M.-A. Bueno Comportement au frottement de tissus en carbone recouverts de nanotubes de carbone (NTC) ...........................................................................135 C. Guignier, B. Camillieri, M. Tourlonias, B. Durand, M-A. Bueno Comportement mécanique et tribologique d’un élastomère chargé de lubrifiant solide .................................................................................................143 I. Smaoui, M. Kharrat, M. Dammak, G. Monteil Influence du courant électrique sur le frottement des couples cuivregraphite, bronze-graphite et graphite-graphite .................................................153 Y. Mouadji, A. Bouchoucha, M. A. Bradai, H. Zaidi Partie 3. Tribologie et sensoriel ............................................... 161 Apport de la nanotribologie à la caractérisation de produits laitiers frais fermentés .........................................................................................................163 D. Huc, C. Michon, C. Bedoussac , V. Bosc Le frottement des caoutchoucs des semelles de chaussures : influence de la couche superficielle .................................................................................171 J. Bodillard, C. Combeaud, P. Montmitonnet, A. Derrier, N. Billon Analyse des modulations de frottement par effet squeeze film et électrovibration : validité de la complémentarité...............................................179 W. Ben Messaoud, E. Vezzoli, M.-A. Bueno, B. Lemaire-Semail Partie 4. Lubrification ............................................................... 187 Influence de l’énergie d’adhésion des huiles de démoulage sur le frottement du béton ..........................................................................................189 L. Libessart, C. Djelal, P. De Caro, Y. Vanhove Effets synergiques des lubrifiants solides et liquides dans des composites thermoplastiques .............................................................................................. 199 Ym Chen, K. Leclerc, J. Loigerot, H. Cartier, A. Chopin Réponse mécanique et tribologique du PA 6-6 suite à l’incorporation des lubrifiants sous forme de poudre ......................................................................209 B. Ben Difallah, M. Kharrat, M. Dammak, G. Monteil 11 Matériaux et Tribologie – Mulhouse 2014 Etude de l’influence de l’air ambiant sur l’évolution du coefficient de frottement du MoS2 et développement d'un tribomètre pour cette étude .........217 H.S Bui, D.T.Bui, D.A. Nguyen, H. Zaidi, J. Frêne Partie 5. Modélisation ............................................................... 225 Etude de l’interface béton/paroi : Modélisation à l’échelle des grains ..............227 K. El Cheikh, C. Djelal, Y. Vanhove, P. Pizette, S. Remond Mise en évidence de la triboélectricité avec un fluide non conducteur de courant .............................................................................................................237 B. Ravelo, B. Nsom, R. Cozien, N. Latrache, B. Durand, C.E. Eyanga Partie 6. Revêtements ............................................................... 245 Développement de revêtements composites issus de la voie sol-gel permettant d’améliorer le comportement tribologique d’un acier ......................247 A. Marsal, F. Ansart, V. Turq, J.P. Bonino, J.M. Sobrino, Y.M. Chen, J. Garcia Comportement tribologique de revêtements nanostructurés de Ti 1-xAlxN ........257 Y. Pinot, P. Henry, M.-J. Pac, C. Rousselot, M.-H. Tuilier Fluoropolymer coating for food moulds: thermal aging and polymer transfer induced by friction ...............................................................................265 E. Privas, S. Bistac, M. Brogly Etude du comportement à la rayure de revêtements acryliques déposés sur verre sablé .................................................................................................273 S. Giljean, H. Laouamri, M. Kolli, G. Arnold, M.-H. Tuilier, N. Bouaouadja Etude de l’adhérence de films minces organiques submicroniques sur substrat flexible par le test de la rayure ............................................................281 G. Covarel, X. Boddaert, B. Bensaid, M. Matteï, P. Benaben, J. Bois Evolution morphologique de la microstructure d’aciers inoxydables hautes performances sous sollicitation de roulement avec glissement ........................289 T. Santos, T. Da Silva Botelho, D. Chaubet, F. Robbe-Valloire, G. Inglebert, B. Bacroix 12 CONFERENCES INVITEES 13 14 Matériaux et Tribologie 26-28 mai 2014 Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles, ENSISA, Mulhouse, France CALCUL DE LA DUREE DE VIE DES ROULEMENTS : DEFIS ET TENDANCES Luc Houpert TIMKEN Europe, Colmar, France [email protected], +33 3 89 21 44 61 Mots-clés : Fatigue de roulement, calculs dynamiques de cage, grippage Résumé Le choix d’un roulement est souvent effectué à partir d’un calcul de sa durée de vie correspondant à une fatigue en roulement et l’apparition d’écailles sur la piste. Plusieurs modèles sont décrits en commençant par les modèles nommés « Factor Based » en anglais, nécessitant l’utilisation d’une capacité dynamique pour obtenir une durée de vie de référence, corrigée ensuite par des facteurs correctifs prenant en compte l’influence de la lubrification, des rugosités, contaminations, profils des pistes, des oscillations, etc. Des modèles plus avancés, nommés « stress based » ont aussi été développés à partir de calcul précis des pressions en surface incluant la prise en compte des profils, rugosités, indentations, etc. Ces pressions de surface définissent les contraintes dans le volume (sous la surface) et la probabilité de survie de chaque volume élémentaire. La prise en compte des inclusions et concentration de contraintes autour des inclusions constitue l’étape la plus avancée de ce type de calcul. Plusieurs critères de fatigue peuvent être proposés incluant ou non par exemple un concept de limite d’endurance (correspondant à une durée de vie infinie). Ces trois types de calculs seront décrits ainsi que les essais d’endurance validant ces modèles. Il est cependant difficile, voire impossible de tester des roulements de très grandes tailles (application éolienne) où les volumes sous contraintes sont très importants. Le concept de limite d’endurance, utilisé dans la norme ISO, est alors remis en question car le nombre d’inclusions augmente linéairement avec le volume sous contrainte, donc taille du roulement à la puissance trois. La défaillance d’un roulement peut aussi être due à une rupture de cage qui se calcule à partir des forces d’impact rouleau – barrette obtenues en résolvant les équations de la dynamique de chaque rouleau et de la cage. Un calcul précis des forces tangentielles (élastohydrodynamiques en roulement et glissement) et des raideurs de barrette de cage est nécessaire pour obtenir l’accélération de chaque élément considéré (rouleau et cage). Le même outil de calcul dynamique est utilisé pour prévoir le risque de grippage, autre cause de défaillance dans un roulement. Un critère de grippage incluant le produit μ.P.V est utilisé, où μ est le coefficient de frottement rouleau- piste, P la pression de contact et V la vitesse de glissement rouleau- piste, calculés à chaque incrément de temps, pour chaque contact rouleau–piste. Ce type de calcul ainsi que des résultats d’essai, montrent que le risque de défaillance de cage et risque de grippage augmente lorsque les charges appliquées sont faibles, que les vitesses de rotation sont grandes, alors que l’inverse est trouvé concernant la fatigue de roulement. Un niveau vibratoire élevé aggrave aussi le risque de rupture de cage et grippage. 15 Matériaux et Tribologie – Mulhouse 2014 Les figures suivantes sont extraites de la présentation proposée. Références [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] 16 L. Houpert, F. Chevalier, “Rolling Bearing Stress based Life, Part I: Calculation Model”, ASME J. Tribology, Vol. 134, pp. 1- 13, April 2012. J. Gnagy, L. Houpert, F. Chevalier, “Rolling Bearing Stress based Life, Part II: Experimental Calibration and Validation”, ASME J. Tribology, Vol. 134, pp. 1 – 8, April 2012. X. Ai, “A Comprehensive Model for Assessing the Impact of Steel Cleanness on Bearing Performance”, submitted to ASME J. Trib., 2014 L. Houpert, “CAGEDYN: a contribution to roller bearing dynamic calculations; Part I: Basic Tribology concepts”,STLE Tribology Transactions, Vol. 53, p. 1-9, 2010 L. Houpert, “CAGEDYN: a contribution to roller bearing dynamic calculations; Part II: Description of the numerical tool and its outputs”, STLE Tribology Transactions, Vol. 53, p. 10-21, 2010 L. Houpert, “CAGEDYN: a contribution to roller bearing dynamic calculations; Part III: Experimental Validation”, STLE Tribology Transactions, Volume 53, Issue 6, November 2010 pages 848 - 859 R. D. Evans, T. A. Barr, L. Houpert, and S. V. Boyd, ‘Prevention of Smearing Damage in Cylindrical Roller Bearings’, presented at the 2011 STLE/ASME IJTC annual meeting, Tribology Transactions, DOI:10.1080/10402004.2013.788236, 2013 Matériaux et Tribologie 26-28 mai 2014 Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles, ENSISA, Mulhouse, France FRICTION MECHANISMS OF THE FINGER PAD 1 Siegfried Derler * 1 Empa – Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Laboratory for Protection and Physiology, Lerchenfeldstrasse 5, CH-9014 St. Gallen *Auteur correspondant : [email protected], +41 58 765 77 66 Mots-clés : Finger pad, friction mechanisms, skin tribology Résumé The friction of the human finger pad plays an important role in connection with the sense of touch and the gripping and manipulation of objects. Recent research [1,2] indicated that the friction behaviour of the finger pad strongly depends on the anatomical structure and the shape of the finger, the specific surface properties of the finger skin, and physiological responses such as sweating. In addition to these factors related to the finger itself, system parameters such as contact forces, sliding velocity and finger position, as well as interfacial parameters and the surface properties of the contacted material are important factors for the friction behaviour. Due to the variety of influencing factors, the results obtained in friction experiments with fingers are typically characterised by considerable variations. Nevertheless, it has been found that the friction of the human finger pad shows the same systematics as human skin in general [2]. The macroscopic friction behaviour of human skin is commonly described by the two-term model of friction, implying a component due to adhesion and another component due to deformation contributing to the total friction. The deformation component is usually much smaller than the adhesion component, but under specific conditions the deformation component has been found to be significant (e.g. for wet skin in contact with rough surfaces). In these cases, however, it is unclear whether the deformation component is primarily due to viscoelastic hysteresis and interlocking, ploughing or abrasion/cohesion or due to a combination of these friction mechanisms. Here, an overview of recent studies on the friction of the human finger pad is given in order to discuss the relative importance of different friction mechanisms. The investigated cases comprise the friction of the finger pad on smooth and rough glass [3,4], on smooth polymer material [5], as well as on aluminium and abrasive papers [6]. Références [1] Adams, M. J., et al., Finger pad friction and its role in grip and touch. Journal of The Royal Society Interface 10(2013)20120467 17 Matériaux et Tribologie – Mulhouse 2014 [2] [3] [4] [5] [6] 18 Derler, S. and L.-C. Gerhardt, Tribology of Skin: Review and Analysis of Experimental Results for the Friction Coefficient of Human Skin. Tribology Letters 45(2012)1-27. Derler, S., et al., Friction of human skin against smooth and rough glass as a function of the contact pressure. Tribology International 42(2009)1565-1574. Derler, S. and G.-M. Rotaru, Stick–slip phenomena in the friction of human skin. Wear 301(2013)324-329. Derler, S., et al., Influence of variations in the pressure distribution on the friction of the finger pad. Tribology International 63(2013)14-20. Preiswerk, M., et al., Friction, wear and deformation mechanisms of the skin of the human finger pad, ICoBT 2014. Matériaux et Tribologie 26-28 mai 2014 Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles, ENSISA, Mulhouse, France TRIBOLOGIE NUMERIQUE : DE LA PHENOMENOLOGIE AU BILAN ENERGETIQUE D’UN CONTACT (FRICTION, FICTION, REALITE !) NUMERICAL TRIBOLOGY: FROM PHENOMENOLOGY TO ENERGY BALANCE OF A CONTACT (FRICTION, FICTION, REALITY!) 1 Yves Berthier avec au fil du temps la participation directe ou indirecte de Samuel 1 1 1 1 Simon , Ana-Maria Sfarghiu , Aurélien Saulot , Mathieu Renouf , Claire 1 1 1 1 Vayssière , Francesco Massi , Hong-Phong Cao , Mariano di Bartolomeo , 1 1 1 1 Rudy Charléry , Matthieu Champagne , Guillaume Colas , Jérôme Rivière , 2 2 1 2 Jean-Pierre Bertrand , Camille Dayot , Sylvie Descartes , David Clair , Eric 2 1 2 1 2 Niccolini , Magali Busquet , Vanina Linck , Ivan Iordanoff , Laurent Baillet , 1 1 1 1 1 David Richard , Nicolas Fillot , Xavier Quost , Livia Cueru , Viet-Hung Nhu , 1 2 1 1 Maurice Bouvier , Monique Cassard , Claude Godeau , Edouard Régis , 1 1 2 2 2 Mathieu Lambert , John Tichy , H G Elrod , John Lancaster , Maurice Godet , 2 2 2 2 2 Daniel Play , Alain Perrot , Isaac Cohen , Bernard Villechaise , Alain Floquet , 2 2 2 2 Léo Vincent , Thierry Dupasquier , Pascale Jacquemard , Robert Rigolier , 2 2 1 Roger Mertens , Jean-Pierre Dalle , David Philippon 1 2 LaMCoS LMC - INSA de Lyon Résumé L’instrumentation numérique des contacts a permis de les investiguer sans les perturber ce qui a conduit à valider des comportements pressentis expérimentalement, telle que la dynamique locale de contact ; ce qui repose le problème de la tribométrie et donc celui des modèles de frottement qui devenant alors de plus en plus prédictifs ont conduit à la tribologie numérique pour laquelle le frottement n’est plus un paramètre d’entrée des modèles, mais un paramètre de sortie. Abstract The numerical instrumentation of contacts allows investigating the latter without disturbance. This makes it possible to validate behaviours observed experimentally, such as the local dynamics of the contact. This resituates the problem of tribometry and thus that of friction models which, since they have become increasingly predictive, leads to numerical tribometry for which friction is no longer an input value of the models, but an output parameter. 19 Matériaux et Tribologie – Mulhouse 2014 1. BANALITES ET INTRIGUES TRIBOLOGIQUES C’est un lieu commun d’écrire que la tribologie et plus particulièrement le frottement et l’usure rythment la vie de tous les jours, alors que ce sont des paramètres négligés dans les cours de physique ou au mieux pris en compte par les lois de Coulomb et d’Archard qui sont des fourre-tout astucieux, cependant remis en cause par leurs propres auteurs, car non prédictifs. Cette situation qui perdure, peut s’expliquer par des doubles jeux. Le double jeu économique, jusqu’en 2005 (développement durable), l’usure est une source de revenus via les pièces de rechange, donc à étudier avec modération ! Le double jeu des matériaux qui jouent un rôle direct, via leur réponse locale aux sollicitations tribologiques (Transformations Tribologiques Superficielles, fissuration…), et un rôle indirect, via les effets géométriques de structure. Les deux rôles sont amalgamés en effets matériaux faussement intrinsèques. Le double jeu « des » mécaniques : la mécanique des contacts a pour condition aux limites la mécanique des structures et vice versa, si l’une d’elles pilote, laquelle et quand ? Le double jeu des physiciens : les spécialistes du volume tentent d’adapter leurs connaissances aux surfaces et vice-versa, ce qui conduit à des hypothèses pas toujours très réalistes pour écrire l’équilibre qui traduit que « le volume porte la surface qui le sollicite». Cette transition volume / surface et vice versa, conduit souvent à des résultats contre – intuitifs qui handicapent la compréhension du fonctionnement d’un contact. 2. LES REALITÉS Le juge de paix serait l’observation in situ, mais, cette observation est difficile, car un contact est un milieu confiné, visible après arrêt et démontage donc perturbé, à moins d’utiliser des premiers corps transparents (photons X, visibles…). Quant aux mesures in situ non seulement elles le perturbent, mais peuvent orienter son fonctionnement (effet papillon). La vie d’un contact doit donc être reconstituée ce qui vu la complexité du travail ouvre encore aujourd’hui la porte à l’imagination d’autant plus dogmatique que les enchaînements causes - conséquences sont complexes et difficiles à établir car multi échelle, multi physique et donc souvent incomplets. Très souvent une action mécanique peut induire une action physico-chimique qui à son tour induira une action mécanique… De plus, cette reconstitution doit tenir compte que deux corps mis en contact puis en mouvement (déformations relatives, mouvements relatifs) tentent d’éviter ce contact en cherchant à se séparer par un troisième. Elle doit aussi tenir compte que la mise en contact suppose un système mécanique qui intervient dans les recherches d’équilibres. C’est donc l’équilibre mécanique et bio-physico-chimique de l’ensemble : « d’un système mécanique, de deux corps (dits en contact) et d’un troisième (dit séparateur) » qui devrait être systématiquement étudié. Cet ensemble constitue un « triplet tribologique » notion applicable aussi bien aux articulations humaines qu’industrielles. Dans les systèmes réels opèrent simultanément en parallèle et, ou en série plusieurs triplets. Par conséquent, c’est au minimum l’équilibre des triplets amont et aval du triplet étudié qui doit être écrit faute de pouvoir isolés ces triplets, le principe de la coupe de St Venant, restant à écrire en tribologie ! 3. APPORTS DE LA TRIBOLOGIE NUMÉRIQUE Dans ce contexte, les solutions pour prédire le fonctionnement tribologique d’un triplet, proviennent du double jeu : tribologie numérique, tribologie expérimentale 20 Tribologie Numérique : de la phénoménologie au bilan énergétique d’un contact appliquées à des cas modèles et réels, sachant que la tribologie numérique, initialement dénommée « instrumentation numérique d’un contact » a montré que le lien entre mesure globale, loin du contact, et mesure locale dans le contact, n’était pas univoque. Ecrit en d’autres termes : la réalité expérimentale est déconnectée des mesures actuellement pratiquées qui sont donc difficilement exploitables, même relativement. C’est donc à la tribologie numérique de définir les grandeurs utiles à mesurer pour définir la rhéologie des troisièmes corps solides. C’est une différence forte vis-à-vis des troisièmes corps fluides dont la rhéologie se mesure hors d’un contact depuis plus d’un siècle. Quant à la différence entre mesures locales in situ et globales mesurées par un tribomètre, elle s’explique entre autre, par l’existence à l’échelle du micromètre de zones en contact glissant ou adhérant et de zones décollées (non contact) qui ne participent donc pas à un instant donné à la transmission des sollicitations dans le contact. L’existence de ces zones, pressenties expérimentalement a été validée par la tribologie numérique ce qui conduit entre autre, à une vue dynamique de la rugosité dans laquelle la rugosité classique (statique) est portée par la rugosité dynamique (contact, non contact). Pour ce qui est des enchainements causes conséquences il faut les « décortiquer » pour comprendre comment des enchainements différents peuvent conduire d’un même état initial à un même état final. Pour cela, une attention particulière doit être portée aux équivalences des effets de la pression et de la température qui souvent interviennent de manière couplée. Là encore, la tribologie numérique est utile car elle permet de ne faire varier qu’un paramètre à la fois, ce qui facilite la compréhension alors qu’expérimentalement il est presque impossible de ne faire varier qu’un paramètre. La tribologie numérique commence aussi à permettre de comprendre les échanges d’énergies dans un triplet, (propagation d’ondes, actions mécanique et bio-physico-chimique) ce qui relativise la notion « pression x vitesse » et plus généralement l’utilisation de l’équation de la chaleur de Fourier pour écrire l’équilibre thermique d’un contact. 4. CHANCE ET INTUITION Pour progresser plus rapidement vers des modèles prédictifs, il faudrait avoir la chance de trouver à l’instar de Champollion : - des hypothèses simplificatrices pouvant mettre en évidence pour un problème donné les bonnes échelles d’intérêts, - des conditions tribologiques pour lesquelles des mesures globales facilement mesurables loin du contact, seraient égales aux mesures locales, ce qui permettrait d’en déduire la valeur, alors… le bilan énergétique d’un triplet tribologique pourrait être établi, ce qui suppose d’écrire des équilibres conditionnels à différentes échelles de temps et d’espace, de phénomènes différents, de formes d’équations différentes, de temps caractéristiques différents… sans oublier qu’un contact peut être le siège de réactions endo- et exothermiques. Cette complexité peut être réduite et contrôlée en concevant des matériaux ayant par exemple sur le plan : - physico-chimique des constituants réagissant préférentiellement entre eux de manière contrôlée, au lieu de réagir avec le milieu ambiant variable, - mécanique, une architecture contrôlant le transfert de sollicitations surface / volume. Sans oublier qu’un même constituant ajouté dans l’un des premiers corps agit sur plusieurs paramètres (premiers corps : propriétés thermo-mécaniques 21 Matériaux et Tribologie – Mulhouse 2014 volumiques et réponse locale, troisième corps : débit source et rhéologie ...). De tels matériaux sont en cours de conception à la fois pour des applications industrielles et pour la réalisation de matériaux modèles de validation de la tribologie numérique. Enfin, bien que ce soit une évidence, rappelons qu’il convient de réaliser des essais expérimentaux réalistes. C'est à-dire, qui en plus des conditions classiques de similitude (pression, vitesse, température, milieu ambiant….) respectent les débits de troisièmes corps (circuit tribologique) activés dans l’application étudiée. 5. NOUVELLE INTRIGUE Et si le frottement n’était que l’énergie minimale nécessaire pour maintenir un troisième corps dans un triplet tribologique mobilisant un circuit tribologique? Alors le contact, et plus particulièrement le troisième corps ne serait qu’un convertisseur de formes d’énergie utilisées pour la portance (normale au contact) et l’accommodation de vitesse (tangentielle au contact). Quoi qu’il en soit, au quotidien, la tribologie numérique avec ses algorithmes de plus en plus robustes et continuellement enrichis est une aide à l’analyse phénoménologique expérimentale car elle précise des tendances, exacerbe le rôle de certains paramètres, ce qui permet de définir les mesures associées (morphologie, rhéologie premiers et troisième corps) et donc de passer progressivement du qualitatif au quantitatif prédictif. 22 Partie 1. USURE ET PROCEDES 23 24 Matériaux et Tribologie 26-28 mai 2014 Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles, ENSISA, Mulhouse, France LA TRIBOELECTRICITE DANS LES CONTACTS DYNAMIQUES TRIBOELECTRICITY IN DYNAMIC CONTACTS 1 2 H. Zaïdi , C. Richard , J. Frêne 1. 1 Université de Poitiers - Institut P’- Département de génie mécanique et systèmes complexes, IUT de Poitiers - GMP, UMR 6610, SP2MI - 86962 Futuroscope Chasseneuil Cedex France 2 Université de Tours - Laboratoire de Mécanique et Rhéologie (LMR) E 2640 37000 Tours- France Résumé La triboélectricité est la génération de l’électricité dans les surfaces de contact de deux solides en frottement. Le phénomène se caractérise par la charge électrique créée entre les deux matériaux. Ces charges électriques peuvent conduire par arc électrique à des incendies ou à un endommagement du mécanisme. La triboélectricité est présente dans notre vie quotidienne : décharge électrique, par temps humide, lors du toucher d’un métal, triboluminescence lors de l’enlèvement d’un pull en nylon, etc… Le but de cette étude est de quantifier les charges électriques ou les différences de potentiels induits entre deux matériaux en friction et de discuter les effets de la triboélectricité dans différents mécanismes industriels. Abstract Triboelectricity is the electricity generation in contact surfaces of two solids in friction. The phenomenon consists in electrical field generated between two materials which can generate fire due to electric arc or damage like pitting in ball bearings or in journal bearings. Triboelectricity is also present in domestic life: electric discharge in wet weather when touching metal, triboluminescence when removing nylon sweater, etc… This study deals with the generation of electric charge or electric potential between two materials in friction and also to present triboelectricity effects in different industrial mechanisms. 1. INTRODUCTION : LA TRIBOÉLECTRICITÉ Il est bien établi actuellement que l’électricité et le magnétisme s’induisent mutuellement. La découverte du magnétisme a été faite bien avant la découverte de l’électricité. Le magnétisme est connu depuis l'Antiquité par différentes civilisations car il existe sous forme de pierres naturelles, la magnétite, que l’on trouve en abondance dans la région de Magnésie. La magnétite est l’oxyde de fer (Fe3O4). Elle 25 Matériaux et Tribologie – Mulhouse 2014 a la faculté d'attirer les objets contenant du fer. Cependant, l’histoire de l’électricité commence tardivement avec l’utilisation de l’ambre appelé « elektron » par les grecs comme le montre une vieille romance persane « Elle était comme l'ambre et moi comme la paille, elle me touchait et je restais accroché à elle ». L’électricité peut être créée par différentes méthodes, mais le frottement reste le premier phénomène qui a mis l’homme sur le chemin de la découverte de l’électricité. En effet, l’électricité a été observée et identifiée par l’homme par frottement entre deux matériaux vers 600 ans av. JC avec le frottement de l’ambre. Thales avait remarqué que l’ambre frottée par un tissu requière la propriété d’attraction de plumes, de bouts de pailles etc. Le « frottement d’ambre » ou en langue grecque « triben êlektron » a conduit à la triboélectricité des matériaux [1-6]. On frottait l'ambre naturelle qui est une résine dure, cassante, jaunâtre fossile de pin ou de sapin, avec un chiffon de laine pour dégager une odeur camphrée et se parfumer ainsi. Depuis cette période, il a été constaté que l’ambre naturelle a un pouvoir attractif. L'ambre naturelle est très électrostatique, elle attire les cheveux, les bouts de paille, le papier, etc... Certaines résines, ou mélange de résines et l’ambre de contrefaçons ne provoquent qu'une faible attraction électrostatique, ce qui permet de garantir qu'il ne s'agit pas d'ambre naturelle. C. Dufay (1698-1739) postula le premier, vers 1733, les deux principes suivants: les corps électrisés par frottement attirent ceux qui ne le sont pas, puis après ils repoussent ceux qui sont venus s'électriser à leur contact. Le second principe qu’il qualifie d’universel porte sur la matière de l'électricité. Il distingue deux sortes d'électricité l’une qu’il appelle l’électricité vitrée (frottement du verre, de pierres précieuses, du poil des animaux, de la laine, etc..., et l'autre l’électricité résineuse (frottement de l'ambre, de la soie, du tissu, etc...). Ainsi, un corps de l'électricité vitrée repousse tous les autres corps qui ont l'électricité vitrée, et il attire tous ceux de l'électricité résineuse. Les résineux repoussent les résineux, et attirent les vitrés. Les deux principes de Dufay ont permis, quelques années après, à B. Franklin (1706-1790) d’appeler les deux électricités positive et négative, choisissant arbitrairement d’appeler positive l’électricité portée par une tige de verre frottée avec un morceau de soie. On note que le choix de l'électricité positive et négative a été fait bien avant la découverte du proton et de l'électron. W. Watson et Franklin ont interprété le phénomène triboélectrique par le principe de conservation de la charge électrique d’un système isolé. Par frottement, on ne crée pas de charge, on déplace des électrons d’un corps frotté vers le corps frottant. On retrouve l'idée de B. Franklin : excès et déficience de "fluide électrique". Au départ, la matière est neutre (nombre de protons = nombre d'électrons) et, par frottement, on déplace quelques électrons d'un objet à l'autre. La tribologie et l’électricité ont évolué toujours en paires à travers le temps. On peut souligner l’intérêt que portaient plusieurs savants à la tribologie et à l’électricité simultanément : on cite principalement Coulomb, Maxwell et Hertz. Ils ont marqué l’histoire de la tribologie et celle de l’électricité. La quantification des charges triboélectriques a commencé avec Priestley et 2 Bernoulli qui ont vérifié la compatibilité avec une loi de force en 1/r . Cependant, c’est C. Coulomb (1736-1806), tribologue, qui à l’aide d’une balance de torsion a établi l’expression de la loi de la force électrique (1785). Son dispositif expérimental utilise un fil de torsion sur lequel on fixe un petit miroir permettant de réfléchir un rayon lumineux pour mesurer de très faibles angles de réflexion en s’éloignant du miroir. Il permet ainsi de mesurer des forces très faibles. C. Coulomb a eu le génie de charger une tige isolante d’une quantité d’électricité non connue, puis de couper cette tige en deux morceaux égaux ou dans un rapport donné, puis d’éloigner les deux morceaux de tige d’une distance r connue pour mesurer la force électrique de Coulomb [1]. Le dispositif de la balance de Coulomb a ensuite été repris par Cavendish (1731-1810), pour déterminer la constante de gravitation G. 26 La triboélectricité dans les contacts dynamiques En 1891, Maxwell [1] a établi la relation entre la résistance électrique R C, le rayon de contact a et la conductivité ρ du matériau RC= ρ/2a. Cette relation explique la rapidité de la décharge électrostatique d’un corps dans un autre qui lui vient en contact. Finalement, on peut se poser plusieurs questions pour expliquer le phénomène triboélectrique. Lors de l’électrisation, est ce qu’elle a lieu instantanément et à partir de quelle distance minimale entre les deux surfaces ? Tous les corps s’électrisent-ils par frottement et sous quelles conditions ? Car aucune étude bibliographique de la triboélectricité ne met en évidence une expérience montrant un lien entre la quantité d’électrisation d’un corps par frottement et les paramètres tribologiques, charge normale, vitesse relative de glissement, temps de glissement, etc… Lorsque l'on met en contact deux matériaux de natures différentes et que l’on provoque un frottement de glissement relatif entre les deux corps, l'effet triboélectrique est activé par l'énergie mécanique de frottement et par la rupture des particules du troisième corps ou particules d’usure du contact. On sait que les températures flash aux aspérités d’un contact frottant sont très élevées localement, est ce que l’émission thermoïonique participe également à la triboélectrisation des surfaces ? 2. L'ÉLECTRICITÉ STATIQUE L’électricité statique est produite par accumulation de charges électriques dans un corps électriquement isolé de l’extérieur. La charge s’accumule uniquement sur la surface du matériau et non pas à l'intérieur. La charge électrostatique sur un isolant reste dans la zone dans laquelle elle est produite, elle ne se répartie pas sur toute la surface. Un conducteur chargé perdra sa charge dès qu’il est mis à la terre. Peclet avait montré que la charge électrique d’un couple de matériaux en friction ne dépend ni de la pression normale de contact ni de la vitesse relative de glissement. Wilcke, Darmois, Volta, Faraday et autres ont établi un classement triboélectrique des matériaux suivant leur affinité ou électronégativité. Suivant ces classements, chaque corps acquiert une charge positive par friction contre tout autre corps classé après lui. Cependant, ce classement triboélectrique change légèrement d’un auteur à un autre. Il dépend également des conditions environnementales de la friction du couple. La différence de potentiel entre les deux matériaux, en contact sans frottement, est celle de Volta ou de Peltier qui correspond à la différence des travaux de sortie des électrons des deux métaux. Le frottement sert essentiellement à augmenter la surface réelle de contact. Pour interpréter ce phénomène, Helmholtz [1-2] a admis qu’il se développe, de part et d’autre de la surface de contact, une couche double. Elle est formée par deux couches d’électricité de densité superficielle et - , séparées par une distance e de l’ordre des dimensions de la molécule. Le champ électrique créé par cette couche double est donné par l’équation (1) : E= où 0 0 (1) est la perméabilité électrique du vide. Cohen [2] a établi la règle suivante : lorsque deux matériaux sont frottés l’un contre l’autre, celui qui a la constante diélectrique la plus élevée se charge positivement. La règle de Cohen a été mise en équation expérimentalement par Beach [2] qui donne la densité de charge superficielle, en Coulomb par mètre carré, par la relation (2) : 27 Matériaux et Tribologie – Mulhouse 2014 = 15.10-6 ( r1 - r2) (2) où r1 et r2 sont respectivement les permittivités électriques relatives des deux corps en friction. La triboélectricité est présente dans notre vie quotidienne : décharge électrique, par temps humide, lors du toucher d’un métal, triboluminescence lors de l’enlèvement d’un pull en nylon, etc… Elle est présente dans plusieurs mécanismes industriels, décharge électrique dans les roulements, forte électrisation lors de l’écoulement des granulés. Les nuisances électrostatiques dues à la triboélectricité sont hautement surveillées ou contournées dans plusieurs industries. En particulier, l’industrie des textiles subit fortement les effets néfastes de l’électrostatique et respecte des normes internationales assez strictes dans le domaine. Ces charges électriques peuvent conduire par arc électrique à des incendies ou à un endommagement du mécanisme comme les piqûres dans les paliers ou les roulements à billes. 3. ELECTRISATION PAR INFLUENCE Quand on frotte une règle contre une chevelure, la règle devient capable d’attirer par influence, sans toucher, des bouts de papiers neutres de petite taille. En effet, si l’on rapproche un corps chargé électriquement, qui porte par exemple une charge positive, d’un conducteur allongé isolé et neutre, on voit apparaître aux deux extrémités de ce conducteur des charges électriques, de quantités égales et opposées entre elles. L’extrémité du conducteur la plus rapprochée de l’inducteur se charge négativement. De même, si le conducteur influencé était initialement chargé, sa charge sous influence, ne change pas, seule la répartition des charges change. L’influence électrostatique est réciproque. En effet, sous l’action du champ électrique créé par l’inducteur, les charges électriques mobiles (électrons dans le conducteur influencé) se déplacent jusqu’à créer un champ électrique qui compensera le champ influençant et donnera un champ total nul dans le conducteur influencé pour obtenir un nouvel état d’équilibre. Le corps chargé électriquement, attire d’autres corps sans rentrer en contact avec eux, à cause des charges qu’il y développe à une distance de quelques millimètres. La distribution des charges électriques dans le corps influencé dépend de l’isolation électrique de ce dernier. Si le conducteur influencé est isolé, il y apparait autant de charges positives que de charges négatives, séparées par une ligne neutre. La région du corps influencé proche du corps d’influence se charge de signe contraire à la charge de ce dernier. Cette charge est toujours plus petite en valeur absolue que celle du corps d’influence car certaines lignes de force qui partent du corps d’influence n’aboutissent pas sur le corps influencé. Cependant, si le corps influencé est relié au sol, donc non isolé, sa charge générée par influence sera de signe unique, signe contraire à celui du corps influençant et de quantité plus petite. 4. ELECTRISATION PAR CONTACT En général, si on met en contact deux matériaux non chargés électriquement, il se produit un déplacement des charges électriques dans la surface de contact. L’électrisation par contact se fait par un simple contact, sans frottement, entre deux matériaux soit par transfert de charge d’un matériau à l’autre soit par polarisation des deux matériaux. Une partie des électrons de la surface de contact d'un des deux matériaux est transférée à l'autre, et ce transfert peut subsister lors de la séparation. Quand un isolant est séparé d'un conducteur, chaque matériau garde sa charge. 28 La triboélectricité dans les contacts dynamiques Lorsqu’un corps chargé négativement touche un corps neutre, des électrons peuvent passer sur le corps neutre qui devient ainsi négatif. Le transfert a lieu dès que l’on met en contact deux matériaux dont l’un est préalablement chargé. La charge se répartie entre les deux matériaux mis en contact. En effet, en touchant une poignée métallique ou en serrant la main à quelqu’un, on reçoit une décharge électrique de l’autre personne isolée électriquement et qui notamment par temps humide, est chargée par la triboélectricité. Car, par temps humide, la conductivité électrique de la peau augmente et le transfert d’électron ou la décharge se fait plus rapidement. Quand un conducteur rentre en contact avec un autre, la frontière électronique du gaz d’électrons libres disparait, les jonctions de contact établissent un pont entre les deux volumes. Les deux volumes deviennent l’espace d’agitation thermique de l’ensemble des électrons des deux conducteurs. Cependant, un étranglement, induit par la résistance électrique de constriction Rc aux aspérités de contact demeure. Pour un contact circulaire de rayon a entre deux solides infinis constitués d’un même matériau conducteur, de résistivité électrique ρ, Maxwell avait donné en 1891 la résistance de contact : Rc = ρ/2a. On note bien que cette résistance de constriction de contact est inversement proportionnelle au périmètre de contact de la jonction et non pas à la surface de contact de la jonction. 5. DIFFERENTS TYPES D’ELECTRISATION D’UN MATERIAU Par ailleurs, on sait que l’électrisation d’un matériau peut se faire de différentes manières par ionisation lorsqu’il est soumis à haute tension, par effet photoélectrique, sous l’effet d’un rayonnement électromagnétique à fréquence suffisante, par piézoélectricité ou magnétostriction sous l’effet d’un champ de contraintes ou par clivage. Il peut se faire aussi par émission thermoélectronique par influence, par contact ou par friction ou triboélectrisation. 6. TRIBOELECTRICITE DU TROISIEME CORPS TRIBOLOGIQUE Que le troisième corps soit conducteur ou isolant, lors d’un contact dynamique glissant, le troisième corps tribologique du contact se trouve porté au même potentiel électrique que le premier ou le second corps du contact. Ce troisième corps chargé sera attiré par le corps à charge opposée et sera soumis aux contraintes de contact. Une aspérité ou jonction de contact à faible rayon de courbure a une forte densité de charge avant contact. Son cisaillement ou sa rupture de l’un des deux premiers corps, l’entraîne en troisième corps, avec sa densité de charge électrique. Lors du détachement d’une particule troisième corps des premiers corps, sa température flash est élevée et sa charge électrique qui dépend de sa forme, peut aussi être très élevée (effet de pointes). Ces deux effets combinés conduisent à un micro plasma de jonction. 7. POTENTIEL DE CONTACT DE DEUX CONDUCTEURS Lorsque deux métaux rentrent en contact à quelques Angströms, les niveaux de Fermi s’égalisent par effet tunnel. Les électrons passent du métal à niveau de Fermi le plus élevé vers l’autre. Si φ 1 et φ2 représentent les travaux de sortie des deux métaux alors la différence de potentielle de contact ΔV vérifie [1] : e.V 2 1 29
