Dégradation des aciers frittés sous impact-glissement

• Auteur / Autrice : Maha Messaadi
• Direction : Philippe Kapsa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 17/04/2014
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Kermouche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Fridrici, Christine Boher, Khaled Elleuch
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Amílcar Ramalho, Michel Jeandin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Usure (mécanique)

Acier inoxydable

Mots clés libres

Impact-glissement

Acier fritté

Mécanismes d’usure

Simulation par éléments finis

Contact lubrifié

Température

Impact-sliding

Sintered steel

Wear mechanisms

Finite Element simulation

Lubrication

Temperature

Résumé

Le sujet de ce travail concerne une partie précise des moteurs à explosion : le système soupape /siège de soupape. Les conditions de contact sont sévères : température élevée, choc, glissement, atmosphère agressive, … Le but a été d’évaluer la résistance à l’usure sous différents environnements des aciers obtenus par la métallurgie des poudres pour les sièges de soupape. Une expérimentation sur un dispositif d'essai spécifique d’impact-glissement a permis d’exploiter la dynamique instantanée du contact et la perte de matière en fonction de l’angle de contact (les angles testés sont 30°, 45° et 60°). L’étude s’est appuyée sur : - Une modélisation numérique par éléments finis d’un contact de configuration bille/plan. La reprise du modèle mécanique du simulateur expérimental a mis en avant une évolution de la dynamique du contact d’un glissement alternatif à 30° à une succession de multi-impact à 45° et 60°. Ce résultat a été validé à l’aide des observations par caméra rapide et des mesures de la résistance électrique du contact. Les résultats numériques montrent que les contraintes de cisaillement diminuent pour les grands angles. En revanche, une déformation plastique importante a été induite par les multi-impacts. Ces paramètres sont sensibles à l’augmentation du frottement aux faibles angles. La modélisation numérique a amené des réponses complémentaires aux résultats expérimentaux. - Une analyse tribologique du couple acier fritté/ acier de roulement, modélisé par une configuration bille/plan en mouvement alternatif et sous impact-glissement. Chaque chargement entraine des processus d’endommagement spécifiques. Dans le cas d’impact-glissement à sec, la perte de matière des aciers frittés augmente avec l’angle de contact. L’examen des traces d’usure indique l’importance de l’adhésion, de l’abrasion et de la déformation plastique. L’introduction d’un lubrifiant à l’interface entraine des modifications sur la dynamique du contact et les mécanismes d’usure. La viscosité et la composition chimique du lubrifiant influent différemment sur la détérioration de la surface. Dans ces conditions, cette dernière est associée à la croissance des pores à la surface, la propagation des fissures à la surface et en sous-couche et l’abrasion. Le suivi du volume d’usure en température indique une usure importante à 180°C. Ceci est dû à la cinétique d’oxydation de l’acier fritté. A plus haute température, la surface est protégée contre l’abrasion et l’adhésion grâce à la présence d’une couche de tribo-oxydation dite ‘phase glacée’. Ce travail montre l’importance de la compréhension de la relation entre la microstructure des aciers frittés destinés au siège de soupape et leur comportement. Ces matériaux ont montré une adaptabilité parfaite entre la perte de matière et les conditions de sollicitation. Les mécanismes d’usure montrent une totale dépendance à la fois à l’angle de contact et à l’environnement.

Sintered steel is used as a material for valve seat insert in automotive engines. During operation, a dynamic contact occurs between the valve and its seat. To investigate the wear behavior of sintered steel for this application, we have developed an impact-sliding tester using a ball on flat configuration. Impact-sliding experiments have been conducted at different impact angles (30°, 45°, 60°) with and without lubrication to investigate the surface damage of the sintered steel under this contact loading and to understand the effect of lubrication. As a first step, we investigated numerically the evolution of the contact pressure, stress and strain as a function of time. In fact, owning the experimental bench test, a finite element model was developed. Numerical results show an evolution from of dynamic behavior from permanent reciprocating sliding at low angles to an intermittent motion called multi-impacts at higher angles. Experimental electric resistance measurements seem to confirm these evolutions. As a consequence, shearing stress is reduced when plastic deformation increased with multi-impacts. Wear track observations are in good agreement with these findings. Our results have shown an important variation of the wear rate in relation to impact-sliding angle. In dry condition, a low wear regime is observed for low angles; whereas maximum wear is observed at 60° angle for lubricated contacts. The wear scar in the dry contact is deeper than in the lubricated one. The damaged surface of sintered steel is examined by a Scanning Electron Microscopy (SEM). In dry conditions, the contact area wears out quickly due to an adhesive-abrasive process. Under lubricated conditions, a fatigue crack opening is associated to a lower wear rate. The lubricated impact-sliding condition modifies the main surface damage phenomena. In addition, a comparison of wear volumes produced using pure mineral base oil and the same base oil containing an anti-wear, anti-friction additive (ZDDP), shows that this additive has only a weak effect on wear reduction under squeeze–sliding lubrication. A discussion of basic wear mechanisms is presented to explain the observations. The present research was carried out to study the combined aspects of impact and sliding failure mechanism at different contact temperatures. The tribological behavior was investigated both under reciprocating motion and with a dynamic impact-sliding loading. The measured friction coefficient decreases as the contact temperature increases. The presence of oxides seems to be the key factor of this evolution. When the loading changes to a combined impact with slides, wear rate and mechanisms of the sintered steel vary with temperatures. Scanning electron microscopy observations coupled with EDX analysis were investigated inside and outside of the wear track in order to understand the surface accommodation with temperatures.