Contribution à la compréhension des mécanismes d'action des additifs modificateurs de frottement et du couplage additif/surface dans tous les régimes de lubrification PDF Download
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Book Description
Le moteur à combustion, utilisé dans l’automobile est en perpétuelle évolution pour des raisons économiques et écologiques. Pour parvenir à de faibles consommations de carburant et émissions polluantes, l’un des axes étudiés est la réduction des pertes mécaniques par frottement du moteur qui constituent 15 à 20% de la consommation totale d’énergie du moteur. 50% de ces frottements proviennent des contacts Segment-Piston- Chemise et de la liaison Maneton-Bielle-Coussinet. De ce fait la compréhension de la tribologie de ce contact, l’optimisation de la lubrification et le vieillissement des lubrifiants deviennent primordiaux. L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes de lubrification de ces contacts segment/chemise et maneton/coussinet, et en particulier de comprendre l’influence du couplage additif, surface et matériau dans les différentes régimes de lubrification. Il s’agira de répondre à la question : comment maîtriser le frottement et l’usure en contrôlant la chimie du lubrifiant, la topographie et le matériau ? La démarche expérimentale choisie s’appuie sur l’analyse du comportement tribologique de deux additifs modificateurs de frottement sans cendres d’une part, puis sur l’impact du matériau et enfin sur l’influence de la topographie d’autre part. L’analyse de la cinétique d’évolution du coefficient de frottement et des traces d’usure en régime limite ont notamment permis d’identifier les mécanismes de réduction de frottement induits par les deux modificateurs étudiés.
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Le moteur à combustion, utilisé dans l’automobile est en perpétuelle évolution pour des raisons économiques et écologiques. Pour parvenir à de faibles consommations de carburant et émissions polluantes, l’un des axes étudiés est la réduction des pertes mécaniques par frottement du moteur qui constituent 15 à 20% de la consommation totale d’énergie du moteur. 50% de ces frottements proviennent des contacts Segment-Piston- Chemise et de la liaison Maneton-Bielle-Coussinet. De ce fait la compréhension de la tribologie de ce contact, l’optimisation de la lubrification et le vieillissement des lubrifiants deviennent primordiaux. L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes de lubrification de ces contacts segment/chemise et maneton/coussinet, et en particulier de comprendre l’influence du couplage additif, surface et matériau dans les différentes régimes de lubrification. Il s’agira de répondre à la question : comment maîtriser le frottement et l’usure en contrôlant la chimie du lubrifiant, la topographie et le matériau ? La démarche expérimentale choisie s’appuie sur l’analyse du comportement tribologique de deux additifs modificateurs de frottement sans cendres d’une part, puis sur l’impact du matériau et enfin sur l’influence de la topographie d’autre part. L’analyse de la cinétique d’évolution du coefficient de frottement et des traces d’usure en régime limite ont notamment permis d’identifier les mécanismes de réduction de frottement induits par les deux modificateurs étudiés.
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La bonne maîtrise de l'opération de laminage passe par le contrôle du frottement d'origine limite ce qui nécessite une meilleure compréhension de la rhéologie des films interfaciaux et donc des mécanismes d'action des additifs de lubrification. La grande complexité des phénomènes physico-chimiques contrôlant le régime limite nous a amenés à développer une démarche originale visant à modéliser expérimentalement la lubrification limite par un tribomètre analytique sous ultra-vide. Cette méthode permet de simplifier le système tribologique et d'étudier in situ les mécanismes de formation de tribofilms au moyen de technique d'analyse de surface (XPS, AES). Nous avons utilisé des conditions mécaniques sévères pour former de la surface métallique nouvelle qui serait fortement impliquée dans la génération des tribofilms. Pour lubrifier le contact, nous avons introduit des molécules de petit poids moléculaire modélisant les différents constituants du lubrifiant par leur fonction chimique. Le contrôle de la pession de ces molécules dans l'enceinte (de 10-9 à 10 mbar) permet d'évaluer la cinétique de formation/destruction des tribofilms et de quantifier l'efficacité de ces molécules en régime de frottement limite. L'ensemble de ces résultats et leur rapprochement avec des expériences conduites avec les mêmes molécules en phase liquide valident la démarche expérimentale. En effet, les comportements tribologiques observés sont très proches des comportements usuels. Cette méthode pourrait donc être utilisée pour prédire le comportement tribologique de nouvelles molécules. Par ailleurs, les techniques d'analyse de surface ont permis de déterminer, pour de nombreuses molécules, les chemins réactionnels conduisant à la formation de tribofilms. Ces résultats nous ont conduit à diviser la formation d'un film protecteur en trois étapes clés (adsorption de la molécule, réactions chimiques et propriétés mécaniques du tribofilm) qui permettent de mieux comprendre la formation des tribofilms et de clarifier les effets des nombreux paramètres influençant leur formation, en particulier l'effet complexe de la température.
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L'objectif de ce travail est l'étude des propriétés tribologiques intrinsèques (réduction du frottement et de l'usure)d'additifs organominéraux appartyenant à la famille de savons d'acide de diméthyle-3,5-hexanoïque (noté acide cékanoïque CK8).Le comportement tribologique des additifs étudiés (frottement et usure ) est initialement caractérisé à l'échelle macroscopique à l'aide d'un tribomètre alternatif sphère/plan dans les conditions extrêmes de pression, de température et de cisaillement régnant dans le contact, afin de se placer en régimede lubrification limite.La réduction de l'usure est associée à la formation au cours du frottement d'un tribofilm, capable de protéger efficacement les matériaux. Le mécanisme d'action du diméthyle-3,5-hexanoate de strontium est précisément étudié. La microscopie électronique en transmission particulièrement adaptée à l'étude des nanoparticules est le moyen mis en oeuvre pour caractériser l'additif initial ainsi que le film formé au cours des essais tribologiques. Le couplage des différentes techniques d'analyse:la diffraction électronique, l'imagerie filtrée en énergie, la spectroscopie de perte d'énergie d'électrons transmis(EELS)et d'émission des rayons X (EDXS) contribue à déterminer la composition chimique, la structure physique et moléculaire des phases avant et après frottement. La comparaison des microstructures permet de mettre en évidence les modifications physico-chimiques subies par l'additif sous les conditions physiques régnant dans le contact. Afin de compléter l'étude des propriétés tribologiques intrinsèques de l'additif et du film tribologique, des investigations à l'échelle moléculaire sont mises en oeuvre.
Author: Jean-Marie Georges Publisher: ISBN: 9782212058239 Category : Languages : fr Pages : 424
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Les phénomènes de frottement, d'usure et de lubrification, de même que les propriétés d'adhérence des matériaux entrent en jeu dans de nombreux domaines industriels, en particulier dans les secteurs où les enjeux de conservation d'énergie ou de fiabilité des systèmes et des équipements interviennent de façon cruciale. La tribologie, discipline qui traite de ces phénomènes, est une science pluridisciplinaire s'appuyant à la fois sur les bases fondamentales de la mécanique et sur les acquis récents de la science des matériaux. Elle s'intéresse à des phénomènes dont l'échelle varie de la dimension d'une machine à celle des liaisons atomiques et qui relèvent tant de la physique des solides que de la physico-chimie des surfaces. Destiné aux étudiants de deuxième et troisième cycles universitaires, aux élèves des écoles d'ingénieurs, à la formation par la recherche ainsi qu'aux praticiens chargés de la fabrication et de la maintenance des équipements, l'ouvrage de Jean-Marie Georges propose une méthode globale d'étude des problèmes de tribologie. Celle-ci passe par l'analyse mécanique macroscopique des systèmes et l'identification du type de déformation qui affecte les corps en contact. Un important développement est également consacré à l'apport de la physico-chimie des interfaces ainsi qu'aux notions d'énergie de surface, de mouillage et d'adhésion. Finalement, des modèles moléculaires sont présentés, qui rendent compte de l'origine des forces de frottement et de l'usure chimique des matériaux.
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LE MECANISME DE FORMATION DU FILM LIMITE OBTENU A PARTIR DES SULFONATES DE CALCIUM HYPERBASIQUES, A ETE ETUDIE. DANS UN PREMIER TEMPS, UNE ETUDE PHYSICO-CHIMIQUE DES SULFONATES DE CALCIUM HYPERBASIQUES A ETE REALISEE. LA STRUCTURE, LA TAILLE ET LA POLYDISPERSITE DES MICELLES QUE FORMENT CET ADDITIF DANS L'HUILE AINSI QUE LA NATURE DES INTERACTIONS EXISTANT ENTRE ELLES ONT ETE ETUDIEES PRINCIPALEMENT A L'AIDE DE LA SPECTROSCOPIE DE DIFFUSION DES RAYONS X AUX PETITS ANGLES (SAXS). CERTAINS PARAMETRES: LA PRESSION, LA TEMPERATURE, LA PRESENCE D'EAU, SUSCEPTIBLES D'INFLUENCER LA STRUCTURE MICELLAIRE EN FROTTEMENT, ONT EGALEMENT ETE ETUDIES. DANS UN DEUXIEME TEMPS, LA FORMATION DU FILM LIMITE OBTENU A PARTIR D'ESSAIS REALISES SUR UN TRIBOMETRE ALTERNATIF A ETE ETUDIEE A L'AIDE DE LA SPECTROSCOPIE INFRAROUGE PAR MODULATION DE POLARISATION (PM ARRAS), DE LA MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE (MEB) ET DE LA MICROSCOPIE A FORCE ATOMIQUE (AFM). L'ADDITIF ETUDIE FORME DANS L'HUILE DES MICELLES CONSTITUEES D'UN CUR DE CARBONATE DE CALCIUM AMORPHE DONT LE RAYON MOYEN EST 2,0 NM, ENTOURE DE CHAINES DE SULFONATE DONT LA LONGUEUR, COMPRISE ENTRE 0,9 ET 2,2 NM, DEPEND DE LA CONCENTRATION EN ADDITIF. EN REGIME CONCENTRE, LES MICELLES SONT SOUMISES A DES REPULSIONS STERIQUES CAUSEES PAR L'ENCOMBREMENT DES CHAINES DE SULFONATE ALORS QU'EN REGIME DILUE, DES FORCES ATTRACTIVES DE L'ORDRE DE 1 KT SONT RESSENTIES ENTRE LES MICELLES ET LES MAINTIENNENT AGREGEES. EN PRESENCE D'EAU, CETTE ENERGIE D'INTERACTION EST AUGMENTEE D'UN FACTEUR 10. LORSQUE L'ADDITIF EST SOUMIS AUX CONTRAINTES DU FROTTEMENT, SA STRUCTURE MICELLAIRE EST DETRUITE. LA FORMATION DU FILM LIMITE DEPEND DE L'ADSORPTION DU CARBONATE DE CALCIUM A LA SURFACE ET DE L'EXPULSION DES CHAINES DE SULFONATE OCCASIONNEE ESSENTIELLEMENT PAR LE CISAILLEMENT. LE FILM SE FORME DES LES PREMIERES SECONDES DE FROTTEMENT ET SA CROISSANCE S'OPERE PAR L'AGGLOMERATION ET LA CRISTALLISATION DES CURS DE CARBONATE DENUDES DE LEUR COUCHE DE SULFONATE ADSORBEE. LE FILM COUVRE PARTIELLEMENT LA SURFACE DE FROTTEMENT ET SON EPAISSEUR AUGMENTE TOUT AU COURS DE LA PREMIERE HEURE DE FROTTEMENT POUR ATTEINDRE, A CERTAINS ENDROITS, JUSQU'A 1 M. LA CRISTALLISATION S'EFFECTUE PRINCIPALEMENT SUR LES PARTIES PROEMINENTES DU FILM POUR FORMER DES CRISTAUX DE CALCITE DONT LA TAILLE TRES VARIABLE, EST COMPRISE ENTRE QUELQUES DIZAINES ET QUELQUES CENTAINES DE NANOMETRES. EN PRESENCE D'EAU, LA CINETIQUE DE FORMATION DU FILM EST RALENTIE ET LA CRISTALLISATION N'EST QUE PARTIELLE
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L'OPERATION DE LAMINAGE NECESSITE UN CONTROLE AIGU DU FROTTEMENT. INDUSTRIELLEMENT, LE LAMINAGE A FROID EST CONDUIT SOUS UN REGIME DE LUBRIFICATION MIXTE POUR LEQUEL LES EFFORTS SE REPARTISSENT ENTRE LE FLUIDE PRESSURISE DANS LES VALLEES ET LES PLATEAUX RESULTANT DE L'ECRASEMENT DES ASPERITES DE LA TOLE PAR LE CYLINDRE. DANS CES CONTACTS, CE SONT LES PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES DU LUBRIFIANT, ET PLUS SPECIFIQUEMENT DES ADDITIFS, QUI DETERMINENT LE NIVEAU DE FROTTEMENT. LA COUCHE D'OXYDES INITIALEMENT PRESENTE A LA SURFACE DES TOLES ETANT COMPLETEMENT OU PARTIELLEMENT DETRUITE DURANT LA PASSE, LES ADDITIFS SONT DONC AMENES A INTERAGIR TANT AVEC LES OXYDES QU'AVEC LE METAL AINSI MIS A NU. CE TRAVAIL PORTE SUR LA COMPREHENSION DES MECANISMES D'ACTION DES ADDITIFS UTILISES EN LAMINAGE A FROID DES ACIERS BAS CARBONE ET DES ALLIAGES D'ALUMINIUM. AFIN D'ETUDIER L'ADSORPTION DES ADDITIFS SUR CES SURFACES, NOUS AVONS EU RECOURS A LA TECHNIQUE TOF-SIMS. ETUDIANT L'INFLUENCE DE LA TEMPERATURE SUR LE COMPORTEMENT DES COUCHES ADSORBEES, NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE LES SEUILS THERMIQUES AU-DELA DESQUELS LES COUCHES D'ADDITIFS POLAIRES SE DESORGANISENT ET SE DESORBENT. DANS LE CAS DES ADDITIFS ANTI-GRIPPAGE, NOUS CONFIRMONS LES CHEMINS DE DECOMPOSITION ET DE REACTION PROPOSES DANS LA LITTERATURE. NOUS NOUS SOMMES ALORS ASSURES QUE L'ADSORPTION DES ADDITIFS MODIFIE BIEN LE FROTTEMENT EN CONDUISANT DES ESSAIS DE BIPOINCONNEMENT. LES RESULTATS OBTENUS PERMETTENT DE DISTINGUER CLAIREMENT LE ROLE DES ADDITIFS D'ONCTUOSITE ET ANTI-GRIPPAGE : LES PREMIERS REDUISENT LE FROTTEMENT, LES SECONDS LIMITENT LE TRANSFERT METALLIQUE SUR LES OUTILS. CONTROLANT LA TEMPERATURE DES OUTILS, NOUS AVONS PU CORRELER LES RESULTATS DE L'ETUDE D'ADSORPTION A L'EVOLUTION DU COEFFICIENT DE FROTTEMENT. ENFIN, NOUS AVONS CONFRONTE AVEC SUCCES CES RESULTATS ET LES MODELES D'ACTION DES ADDITIFS QUI EN DECOULENT A DES ESSAIS SUR LAMINOIR PILOTE POUR LESQUELS LES CONDITIONS THERMOMECANIQUES SONT IMPOSEES PAR LE FROTTEMENT DANS L'EMPRISE.
Author: Mohamadou Bocar Diew
Author: Mohamadou Bocar Diew
Author: Matthieu Boehm
Author: Vanyna Golabkan
Author: Jean-Marie Georges
Author: Jean-Michel Martin
Author: Suzanne Giasson
Author: GILLES.. DAUCHOT