Tribologie - Chapitre 5

Chapitre 5 : Usure
L’usure d’un solide est généralement définie comme une perte de matière, un
mouvement de matière ou une transformation de matière en surface du solide sous l’effet
d’une interaction avec un autre milieu (solide dans notre cas, mais également être un fluide).
1. Mécanismes d’usure
La figure ci-dessous donne la répartition des mécanismes d’usure dans l’industrie. La
corrosion résulte d’une interaction chimique de la surface avec le milieu environnant. L’érosion
est provoquée par l’écoulement d’un fluide, généralement chargé de particules, contre la
surface.
Répartition des mécanismes d’usure dans l’industrie

La fatigue superficielle est provoquée par le passage répété d’un contact localisé, des
contraintes de cisaillement élevées se développent sous la surface et conduisent
progressivement à l’écaillage de la surface (figure ci-dessous). Ce type d’usure concerne
essentiellement les roulements et engrenages. Nous nous limiterons aux deux principaux
mécanismes qui sont l’abrasion et l’adhésion. Ils apparaissent dans les contacts où les surfaces
sont en glissement relatif. Nous noterons que ces deux mécanismes contribuent également au
frottement. Enfin, un dernier type d’usure peut être observé. Il s’agit d’une usure thermique liée
à une fusion locale d’un des matériaux.
2. Usure adhésive
Les forces d’adhésion se développent entre les surfaces mises en contact. La rupture de ces
liaisons adhésives nécessite d’exercer une contrainte de cisaillement τa, à l’origine du
frottement. Elle peut s’exprimer :
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Adhésion Abrasion
Fatigue superficielle Corrosion

Surfaces usées par différents mécanismes
Dans le cas du contact sphère plan, l’application d’une pression conduit à la création
d’une contrainte de cisaillement sous la surface. Elle s’exprime :
0.31 0.2
Ces deux contraintes sont du même ordre de grandeur. On comprend alors qu’il est
parfois plus facile de rompre le matériau (le moins résistant) sous sa surface plutôt que de
rompre la liaison adhésive. C’est le mécanisme à l’origine de l’usure adhésive (figure ci-
dessous). L’usure adhésive se caractérise donc par des arrachements de matière irréguliers sur
les surfaces. Les particules d’usure arrachées du matériau le plus tendre vont adhérer sur
l’antagoniste. Le matériau le plus tendre va donc se retrouver à frotter contre lui-même.
Mécanisme d’usure adhésive
2/5
L’adhésion dépend de l’énergie de surface des matériaux et plus particulièrement de leur
travail d’adhésion wad. Lorsque les pressions de contact sont élevées et que les matériaux ont
un travail d’adhésion élevée, il possible d’atteindre un régime sévère d’adhésion où les surfaces
sont soudées. Le mécanisme est alors complètement bloqué, on parle de grippage (figure ci-
dessous).
Grippage de deux solides en acier inoxydable

3. Usure abrasive :
Dans le mécanisme de l’usure abrasive (figure ci-dessous), un solide rigide vient
indenter et labourer un matériau qui se déforme plastiquement. Le solide rigide peut être une
particule dure qui s’est introduit dans le contact, on parle alors d’abrasion à trois corps. Le
solide rigide peut être un des deux protagonistes du contact, on parle alors d’abrasion à deux
corps.
Mécanisme d’usure abrasive

L’usure abrasive est généralement limitée en augmentant la dureté du matériau le plus
tendre. Dans le cas d’abrasion à deux corps, il est souhaitable de réduire l’index de plasticité
afin de rester en régime élastique et limiter le labourage d’une des surfaces. Comme suggéré
par l’index de plasticité, il est préférable que le matériau dur soit le plus lisse possible. Notons
que l’abrasion est un moyen de production de surfaces (rodage, polissage).
4. Modèle d’usure
L’usure est un phénomène complexe qui fait intervenir plusieurs mécanismes.
Toutefois, on trouve, pour l’usure adhésive et l’abrasion, un modèle d’usure assez simple qui a
été largement utilisé. Le volume de matière usée est proportionnel à la distance de glissement
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d. D’autre part, plus la charge appliquée F sera élevée et plus l’aire de contact et donc l’usure
seront élevées. Le volume de matière usée w s’exprime alors :
Où K est un coefficient d’usure (en mm3/N.m). En divisant, cette équation par l’aire apparente
de contact A , on fait apparaître la hauteur usée u et la pression nominale de contact Pn :
En se fixant une hauteur maximale d’usure , il est possible de calculer une durée de vie :
Notons qu’il existe plusieurs phases d’usure (figure ci-dessous). Dans les premières
heures de fonctionnement d’un mécanisme, il existe une phase d’adaptation des surfaces qu’on
appelle couramment rodage. Puis, le contact entre dans une phase d’usure normale pour laquelle
le modèle peut être utilisé. Enfin, on trouve une phase rapide d’usure en fin de vie.
Phases d’usure d’un contact frottant
5. Mesure de l’usure :
L’usure est généralement mesurée au cours d’un test de frottement sur un tribomètre.
Des techniques simples de mesure d’usure permettent d’évaluer la quantité de matière enlevée :
- Pesée : pesée de l’échantillon avant et après le test de frottement au moyen d’une balance de
précision ;
- Mesure de cote : Mesure de la variation de longueur d’un échantillon avant et après le test de
frottement, dans le cas d’une usure uniformément répartie ;
- Mesure du volume usé : Mesure de topographie avant et après test pour évaluer le volume
enlevé pour créer la piste d’usure.
En mesurant le volume de matière usée à différents instants au cours d’un test
tribologique, il est possible d’évaluer le coefficient d’usure K. Le tableau ci-dessous donne des
valeurs indicatives pour des couples de matériaux usuels. Ces valeurs peuvent varier de façon
notable suivant les conditions de fonctionnement.
4/5
Matériaux K (mm3/N.m)
Métal / Métal 10-3 – 10-4

Polymère / Métal 10-4 – 10-5
Composites + Lubrifiant solide / Métal 10-5 – 10-7
Garniture de frein / Métal 10-4 – 10-5
Coefficient d’usure K de matériaux usuels frottant à sec
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Fatigue superficielle Corrosion

Mécanisme d’usure adhésive

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Mécanisme d’usure abrasive

Phases d’usure d’un contact frottant

Métal / Métal 10-3 – 10-4

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