Tribologie

Les premières études empiriques sur les forces de friction sont attribuées à Léonard de Vinci.

La tribologie (du grec ancien τρίβος, « frottement » et λόγος, « science, étude ») est la science qui étudie les phénomènes susceptibles de se produire entre deux systèmes matériels en contact, immobiles ou animés de mouvements relatifs. Ce terme recouvre, entre autres, tous les domaines du frottement, de l’usure, de l'étude des interfaces et de la lubrification.

C'est une branche du génie mécanique et de la science des matériaux qui a des applications concrètes en archéologie, dermatologie, cosmétique, dans l'industrie, les transports.

Ce terme désigne aussi la discipline psycho-physiologique qui étudie comment les êtres vivants perçoivent les frottements dont ils sont le siège et les vibrations qui en résultent.

Types d'usure

Courbe de Stribeck.

On distingue plusieurs types d’usure, auxquels la tribologie s'intéresse :

• usure par adhésion (arrachement de matériaux adhérents l'un à l'autre) ;
• usure par abrasion ou érosion, où des particules extérieures, par frottements ou chocs, ôtent de la matière en surface ;
• usure par fatigue, due à l’action répétée de contraintes à la surface, typiquement des pressions ou chocs ;
• usure par tribocorrosion.

Quelques aspects

Les manifestations du frottement sont intégrées à nos comportements quotidiens. Dans un monde qui ne connaîtrait ni frottement ni adhérence, nos gestes les plus simples deviendraient pour la plupart inopérants : tenir un crayon, lacer ses chaussures, serrer une vis, appuyer une échelle au mur ou tout simplement marcher. Nous n'aurions ni bicyclettes, ni automobiles, ni trains (excepté les trains à sustentation), du moins sous la forme qui nous est familière…

À l'inverse, nous sommes en général conscients des inconvénients du frottement, source d'usure ou d'efforts supplémentaires à fournir pour un même travail, donc de gaspillage d'énergie et de matières premières.

Voici quelques exemples :

• À masse roulante égale, pour vaincre les frottements, « par tonne de marchandises sur une distance similaire, le transport routier consomme quinze fois plus d'énergie que le train. »^{[réf. à confirmer]}
• Il est admis de façon empirique que l'usure des revêtements routiers souples varie comme la quatrième puissance de la charge à l'essieu. Ainsi le passage d'un camion de 13 tonnes à l'essieu dégraderait autant la route que le passage de 160 000 véhicules légers d'une charge à l'essieu moyenne de 0,65 tonne ((13/0.65)⁴=160 000). En pratique, un véhicule de 40 tonnes sur 5 essieux dégrade donc autant le revêtement routier que 100 000 véhicules légers ; un véhicule de 44 tonnes sur 5 essieux autant que 145 000 véhicules légers environ (10% de hausse du tonnage à l'essieu correspond à une hausse de 46% de l'usure : 1,1⁴ = 1,46). Le calcul des revêtements autoroutiers tient compte presque uniquement des poids lourds, les automobiles intervenant très peu ou pas du tout. Au Canada, conscient de ce fait, le gouvernement a récemment modifié la répartition du produit des taxes sur les carburants en considérant que « le gazole est utilisé principalement par les véhicules lourds responsables de la majeure partie de l'usure des routes ». Il est à noter que l'usure des revêtements routiers rigides varie selon un facteur supérieur (de l'ordre de 12).
• Les composants des machines et des équipements sont beaucoup plus souvent détruits par l'endommagement de leur surface que par la dislocation de leur volume. D'un côté, c'est heureux, car la rupture d'une pièce peut provoquer de graves accidents, alors que la dégradation lente provoquée par l'usure laisse le temps d'intervenir. La maîtrise de l'usure est une arme économique redoutable : dans un objet technique, toutes les composantes ne s'usent pas au même rythme et il est important d'éviter les « sur-qualités » (composants en parfait état alors que le reste est très usé, voire à remplacer).

L'incommensurabilité désigne la non-coïncidence de la quasi-totalité des sites atomiques de deux réseaux cristallins frottant l'un sur l'autre. Par exemple pour deux réseaux cubiques, cette configuration est obtenue au mieux lorsque les surfaces sont décalées de 45 degrés l'une par rapport à l'autre. Elle est une condition de possibilité de la suprafriction (en) au cours de laquelle les frottements deviennent extrêmement faibles.

Bibliographie

• Francois Robbe-Valloire et René Gras, Tribologie et conception mécanique, PPUR presses polytechniques, 2007, 283 p. (ISBN 978-2-880-74670-4, lire en ligne)
• Jean-Marie Georges, Frottement, usure et lubrification, Paris, Eyrolles, 2000, 424 p. (ISBN 2-212-05823-3).
• (en) Persson, Bo N.J., Sliding Friction : Physical Principles and Applications, 2nd edition. Springer, 2002, ISBN 3-540-67192-7. (In diesem Buch werden viele Reibungsinstabilitäten in geschmierten und trockenen Reipaarungen untersucht).
• (en) Rabinowicz, Ernest, Friction and Wear of Materials 2nd ed. Wiley-Interscience, 1995, XV-315p., (ISBN 0-471-83084-4).
• (de) Valentin L. Popov, Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation , Springer, Berlin ; New York, 2009, 328 S., (ISBN 978-3-540-88836-9).
• (en) Valentin L. Popov, Contact mechanics and friction : Physical principles and applications, Berlin ; Heidelberg, Springer, 2010, XV, 362 (ISBN 978-3-642-10802-0)
• (en) George E Totten et Hong Liang, Mechanical Tribology: Materials, Characterization, and Applications, New York, Marcel Dekker, 2004, IX-496 p. (ISBN 978-0824748739) : Compilation.

Voir aussi

Articles connexes

• Frottement
• Usure des surfaces
• Lubrification
• Guidage
• Tribomètre
• Triboélectricité
• Tribologie - Contacts localisés

Liens externes

• Noël Brunetière, « Introduction à la tribologie » [PDF], sur Université de Poitiers, 2015 (consulté le 4 juillet 2016)