У статті зроблено аналіз і узагальнення такого явища, як зношення поверхонь, а також описані технологічні методи і правила щодо зменшення зношення

   Généralités

   L'usure ne varie généralement pas de manière progressive en fonction de paramètres comme la vitesse, la température ou le temps. Si certaines formes d'usure sont relativement régulières, d'autres au contraire connaissent des sauts très brutaux, dans des rapports pouvant aller parfois de 1 à 100 000 ou plus, lorsque certaines valeurs critiques sont franchies.
   La plupart du temps, l'usure globale d'un mécanisme est due à plusieurs processus qui agissent simultanément, plus rarement à un processus bien défini et identifiable. L'effet de ces actions simultanées est souvent plus important que la somme des effets que l'on produirait en faisant agir séparément les divers processus, on parle parfois de « suradditivité ». À l'opposé, certaines formes d'usure s'excluent mutuellement : par exemple, les dents s'usent principalement par carie et par abrasion, mais ces deux processus ne coexistent absolument pas, les zones abrasées ne sont jamais cariées.

   Phases de la vie d'un mécanisme

   Figure 1. Perte de matière par unité de temps

   Un mécanisme passe normalement par trois phases d'usure successives :
   L'ultime finition des surfaces lors du rodage : les actions sur les grosses aspérités diminuent avec le temps, les pics sont arasés progressivement tandis que les vallées restent intactes. Le taux d'usure et le facteur de frottement baissent, les portées s'améliorent, les films d'huile s'amincissent. Une nouvelle topographie remplace la rugosité originale de la pièce. Si l'usure se ralentit lors de la mise en fonctionnement, on constate une amélioration de l'état de surface, et réciproquement.
   La vie utile correspond au régime d'usure douce : la couche superficielle très dure qui semble se former est éliminée peu à peu sous forme de petites écailles. L'usure douce diminue la rugosité, tandis que l'usure sévère l'accroît.
   Enfin, la vieillesse se caractérise par une usure sévère qui aboutit à la mise hors d'usage.
   Les débris d'usure portent en eux l'histoire de leur formation et l'examen des particules de fer dans les lubrifiants. Les processus d'avarie produisent des particules atteignant 0,1 mm, mais les débris d'usure douce ont moins de 15 micromètres. Même après une vidange, il y a vite équilibre dans un lubrifiant entre la production des particules et leur élimination par décantation, filtration, rétention par un bouchon magnétique ...

   Règles fondamentales pour diminuer l’usure

   Ces règles ont été données par Jean-Jacques CAUBET dans son livre «Théorie et pratique industrielle du frottement».

Eviter le contact des pièces en mouvement relatif tout en conditionnant leur surface pour résister à un contact accidentel. Eviter le défoncement en profondeur par surpressions hertziennes, les fractures et écaillages par excès d'écrouissage. Ventiler rationnellement les calories. Eviter les accidents connexes tels que la corrosion, la cavitation, l'érosion, Définir au bureau d'études les protocoles de rodage. Imposer en fabrication les contrôles de métallurgie, géométrie, macro- et microtopologie spécifiques du frottement. Respecter l'homogénéité du projet : un bon couple de frottement doit durer exactement l'âge de la machine, toutes les pièces s'usant ou vieillissant ensemble.

   Eviter le contact des pièces en mouvement relatif tout en conditionnant leur surface pour résister à un contact accidentel

   Séparer les pièces par un lubrifiant en couche épaisse, un lubrifiant solide (le graphite est trop peu connu, le bisulfure de molybdène mal connu comme la panacée qu'il n'est pas), créer des plots de graisse, réaliser des rainures d'alimentation en huile, des facettes, des bassins relais, en évitant les « pattes d'araignée », particulièrement des rainures de réserve de lubrifiant pour les guidages plans hydrodynamiques, prévoir le démarrage onctueux.
   Choisir des métaux qui soient compatibles, ainsi éventuellement que leurs oxydes. Le polissage mécanique, qui la conserve, est acceptable avec des couples de matériaux présentant des risques de filiation cristalline (acier et fonte), sinon la superfinition ou le polissage électrolytique, qui l'enlèvent, peuvent être meilleurs (chrome et argent).
   Choisir la rugosité des pièces. La perfection des surfaces diminue les pressions, accélère le rodage, rend les films d'oxydes plus homogènes et plus solides, mais trop de poli nuit à l'alimentation des films lubrifiants. Les traits d'outils seront perpendiculaires au mouvement, sauf pour les corps convexes qui seront polis. Le brochage est bien meilleur que le tournage pour les portées courtes mais il ne faut jamais brocher ou mandriner un cylindre pour un déplacement axial. Polir au maximum les surfaces des tourillons et coussinets en régime hydrodynamique.
   Introduire dans l'acier un métalloïde ou un métal de transition : carbone, soufre, azote, phosphore, étain. Pour les structures de surface, éviter la ferrite et l'austénite, créer des contraintes résiduelles de compression, ne pas toiler les pièces ferritiques ou austénitiques qui retiennent les grains et deviennent ainsi abrasives, incliner les traits d'usinage par rapport à la direction du mouvement, cémenter, nitrurer ou sulfinuser.

   Eviter le défoncement en profondeur par surpressions hertziennes, les fractures et écaillages par excès d'écrouissage

   Eviter à tout prix les surcharges et les appuis sur arête, donner du bombé aux pièces. Prévoir un couple de frottement, c'est avant tout fixer des tolérances, il faut donc étudier les déformations, les dilatations, ...
   Si un métal frotte sur lui-même à une température suffisamment faible pour ne pas relâcher l'écrouissage, c'est la surface la plus grande qui s'use le plus et le plus vite, la plus petite s'écrouit davantage et devient plus dure, en même temps le film adsorbé devient plus résistant. De même, un coussinet sulfinisé n'offre qu'une sécurité médiocre tandis que la sulfinisation de la portée de l'arbre est bien meilleure.
   La rigidité des surfaces est favorable en raison de l'augmentation de la solidité des films d'oxydes adsorbés et d'une moindre aptitude aux soudures froides, mais elle augmente les pressions hertziennes et la fatigue des couches profondes.
   Plutôt que de rechercher, face à une avarie, un matériau plus performant, il est souvent préférable de modifier les caractéristiques de la sollicitation.

   Ventiler rationnellement les calories

   La zone de frottement est toujours une source de chaleur.
   On appelle L est la conductivité thermique d'un matériau, c sa chaleur massique et d sa densité. Lorsque le frottement a lieu entre deux surfaces géométriquement et cinématiquement équivalentes, les calories se répartissent entre elles proportionnellement au facteur √Lcd. Le corps pour lequel ce facteur est le plus grand facteur doit être le mieux ventilé.

   Une surface d'antifriction ou de graphite frottant sur de l'acier reçoit beaucoup moins de calories que ce dernier.
   Généralement la pièce sur laquelle la zone de frottement parcourt la plus grande distance est aussi la plus facile à ventiler (par exemple, un disque de frein). C'est elle qui doit recevoir le maximum de calories.
   On doit éviter tout régime onctueux s'il y a le moindre risque d'élévation de température : l'échauffement favorise la désorption des couches adsorbées, il faut alors prévoir des couples de métaux totalement insolubles l'un dans l'autre.

   Eviter les accidents connexes tels que la corrosion, la cavitation, l'érosion

   Il faut éviter l'adhésion par des matériaux compatibles et en plus lutter contre l'oxydation par des revêtements de métaux mous et nobles (cuivre, argent, or, nickel, molybdène) ou des traitements (sulfinisation, nitruration, pour l'aluminium grenaillage et oxydation anodique). Pour les métaux ferreux on doit préférer les structures martensitiques.
   L'érosion est une usure abrasive particulière, causée par des impacts de particules solides contenues dans un fluide en mouvement ou par des particules liquides en milieu gazeux. Lors des chocs, il y a ébranlement du matériau de la surface et bris du système cristallin, les dégâts sont fonction de l'énergie cinétique, donc de la masse et du carré de la vitesse de la particule. L'enlèvement de matériau croît très vite avec la vitesse, comme la cinquième puissance pour les gouttes. On peut traiter les surfaces ou les revêtir de métaux ou alliages durs mais le mieux est d'empêcher les impacts par tous les moyens possibles. En érosion par impact comme en abrasion sous faibles contraintes, l'emploi de certaines matières plastiques ou élastomères est possible, par exemple des polyuréthannes spéciaux utilisés sous forme de revêtements.
   La cavitation exige un mouvement relatif entre un solide et un fluide. Elle concerne en premier les organes pour fluides, pompes, hélices de bateaux ... mais aussi certains mécanismes lubrifiés : coussinets de moteurs ou engrenages, par exemple. La première chose à faire est d'améliorer le tracé des pièces pour éviter autant que possible les dépressions. Il faut ensuite diminuer les « germes » : filtrer les huiles, améliorer l'état des surfaces et leur intégrité cristalline.
   On utilise aussi des rechargements au plasma avec des métaux résistants à la corrosion comme le molybdène ou les alliages à base de cobalt ou de nickel. On utilise aussi des rechargements au plasma avec des métaux résistants à la corrosion comme le molybdène ou les alliages à base de cobalt ou de nickel. Les contraintes résiduelles de compression, les traitements de surface de type nitruration, sulfinisation, sont favorables.

   Définir au bureau d'études les protocoles à respecter pour le rodage

   Le rodage est l'ensemble des processus chimiques et métallurgiques qui améliorent l'ajustage, la topographie de surface et la compatibilité de frottement des organes d'une machine neuve. Dans le langage courant, le mot évoque les précautions à prendre lors des premières heures de fonctionnement. C'est en fait une première usure, d'abord très rapide puis ralentie, à conduire avec soin pour ne pas compromettre le fonctionnement ultérieur.
   Pendant les premiers instants, les plus délicats, il faut éliminer les aspérités prêtes à se détacher et améliorer la rugosité pour mieux répartir les charges. Un paradoxe est que les nouvelles structures engendrées dans les couches superficielles doivent protéger contre l'usure, de ce fait elles nuisent à l'abaissement de la rugosité, qui n'est autre qu'une usure ...
   L'échauffement doit être surveillé : il facilite la répartition des contraintes par accommodement mais engendre un risque de grippage ou de collage épidermique. Il faut augmenter lentement les charges et les vitesses pour produire un accommodement par rotation des grains, préférable à l'écrouissage des grains eux-mêmes. Ne pas introduire de contraintes résiduelles par labourage juste après les avoir éliminées !
   Les traitements de surface peuvent beaucoup faciliter les choses. Sur une surface non traitée, en cours de rodage. Le métal flue de part et d'autre des aspérités, en formant des bourrelets qui vont être éliminés en cours de fonctionnement. La période de rodage sera dangereuse à franchir et le fonctionnement ultérieur peu sûr. Au contraire, une pièce protégée par une couche à la fois dure et ductile fluera en profondeur sans notable émission de particules d'usure. Le rodage se passera bien et renforcera la surface dont le comportement ultérieur sera amélioré.
   L'amélioration de la géométrie se fait avant la disparition totale des stries d'usinage. La somme arithmétique des rugosités des deux pièces doit être supérieure à celle des tolérances de forme, sinon le rodage n'a jamais de fin.
   Les abrasifs doivent être proscrits, sauf pour roder ou polir des pièces très dures sans ferrite ni austénite, ou pour des pièces dont le traitement ultérieur, par exemple une sulfinisation, détachera ou enrobera les fragments abrasifs incrustés.
   Les pressions doivent se répartir sur des surfaces suffisantes, qui justement croissent lors du rodage. Les débris amorphes bourrent le fond des sillons et y contribuent, mais ils sont très grossiers en cas d'augmentation trop rapide des charges et dans ce cas ils favorisent l'usure.
   Les lubrifiants dont la viscosité croît avec la pression, comme les dérivés pétroliers, répartissent mieux les charges. Il faut un lubrifiant propre et abondamment renouvelé, éventuellement avec un dope approprié. Une bonne pâte à roder comporte :

un support : graisse ou autre lubrifiant tiré du pétrole, un abrasif léger : le soufre, que les Anciens utilisaient déjà pour les paliers chauffant trop en période de rodage, est abrasif à basse vitesse seulement mais devient actif par légère agressivité chimique si la température éclair augmente. un élément consommable : acide gras ou autre, qui se combine chimiquement aux particules émises par rodage.

   Lorsque la pièce est destinée à un frottement sous fortes charges, elle doit être soumise en fin de rodage à des efforts de surface plus importants que ceux qui la solliciteront ensuite, pour augmenter l'épaisseur de la couche écrouie. La vitesse doit en revanche rester inférieure aux vitesses normales prévues ultérieurement.

   Beaucoup d'expériences et d'études ont permis de préciser les paramètres du rodage et de l'usure douce des mécanismes durant leur vie utile.

   Imposer en fabrication les contrôles de métallurgie, géométrie, macro- et microtopologie spécifiques du frottement

   Voici quelques exemples :

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