Apport des techniques sclérométriques à la caractérisation des propriétés mécaniques des surfaces

• Auteur / Autrice : Vincent Jardret
• Direction : Thomas Mathia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des solides (Ecully, Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Usure (mécanique)

Déformations (mécanique)

Résistance des matériaux

Résumé

La compréhension des mécanismes d'abrasion et des déformations des surfaces qui en résultent représente un grand intérêt pour l'élaboration des matériaux et la conception des systèmes industriels modernes vis à vis de l'usure et de l'abrasion. Le test de ravage ou test sclérométrique, constitue un outil intéressant pour caractériser la résistance à l'abrasion des matériaux. Un travail fondamental sur le développement d'une machine de test de rayage, nous a permis d'étudier deux types de comportements : les déformations élasto-plastiques d'une part, et les mécanismes de fracturation d'autre part. La plupart des études sur la résistance à l'abrasion se sont limitées au cas de matériaux purement plastiques, alors que de nombreuses expériences sur des métaux et des polymères ont montré que la mécanique des contacts et le comportement en indentation étaient largement influencés par les déformations élastiques de ces matériaux. Dans ce travail, les forces normale et tangentielle, la profondeur de pénétration de l'indenteur sous la surface initiale du matériau pendant le rayage, et le relevé topographique tridimensionnel de la surface rayée ont été mesurés. Ils nous ont permis d'estimer précisément la surface réelle de contact entre l'indenteur et le matériau, en prenant en considération à la fois les déformations élastiques et la formation des bourrelets autour du contact. Cette surface de contact permet alors de calculer la pression moyenne de contact pendant le rayage. Cette pression a été comparée à la dureté statique des matériaux ainsi qu'aux définitions classiques de dureté de rayage. Les proportions de déformation élastique et plastique pendant un test de rayage avec un indenteur Berkovich, ont été reliées au rapport entre le module d'élasticité et la dureté des matériaux massifs que nous avons testés. Cette étude a été réalisée sur une large gamme de matériaux ductiles allant des polymères aux métaux, et montre l'importance de la prise en compte des déformations élastiques et de la formation des bourrelets pour comprendre et caractériser précisément la résistance à l'abrasion des matériaux par un test sclérométrique. Les matériaux céramiques sont utilisés dans de nombreux systèmes mécaniques et électroniques. Mais leur utilisation est toujours limitée par leur comportement fragile. En particulier, l'endommagement en surface des composants en céramiques peut réduire considérablement leur durée de vie. La compréhension des mécanismes de déformation en surface et de la résistance à l'abrasion des matériaux en céramique est donc un élément clé dans leur utilisation et leur usinage. Dans ce travail, l'étude des fluctuations des forces normale et tangentielle pendant un test de rayage à été menée pour décrire le comportement à l'abrasion et les mécanismes de fracturation des matériaux céramiques à base d'alumine. La mesure des forces normale et tangentielle de rayage a été effectuée à une vitesse d'acquisition de 20 000 Hz. Des variations brutales de la force normale, correspondant à l'intervention de mécanismes de fracturation, ont été reliées au volume d'usure, estimé par une mesure topographique tridimensionelle de la surface rayée. L'énergie d'abrasion, égale à l'énergie totale de rayage divisée par le volume d'usure, à été étudiée en fonction de la profondeur de pénétration et de la vitesse de rayage. La méthode de caractérisation développée lors de ce travail, a servi pour analyser l'influence de la ténacité sur le comportement à l'usure de deux céramiques à base d'alumine. Ces deux céramiques ont été frittées avec différents additifs, ce qui leur procurent une différence de ténacité d'environ 30 %. L'effet physico-chimique d'un environnement liquide sur la résistance à l'abrasion d'une céramique à base d'alumine à clairement été montré, et relié aux propriétés de mouillabilité d'une grande série de fluides.

An understanding of abrasion resistance and the associated surface deformation mechanisms is of primary importance in the materials engineering and design of many important industrial components undergoing wear and abrasion. Instrumented scratch testing has been shown to be a useful tool for characterization of the abrasion resistance of materials. Our fundamental work on the scratch tester development found two main applications, focused on elasto-plastic deformation and fracture mechanisms during a scratch test. Although most studies on scratch resistance have been limited to the theoretical case of purely plastic materials, experiments on metals and polymers have shown that the contact mechanics and indentation behavior are strongly influenced by the elastic behavior. In this work, the measurement of the normal and tangential scratch forces, the penetration depth relative to the initial surface and the three-dimensional topographic relief of the scratched surface are done. They have allowed us to acurately calculate the actual contact area between the indenter and the material, taking into account both elastic deformation and pile up phenomena. This contact surface was used to estimate the real mean contact pressure during scratch testing. This pressure was compared to the static hardness of the studied materials, as well as to the classical definitions of the scratch hardness. The ratio between the plastic and elastic deformation during a scratch test with a Berkovich indenter was then related to the ratio of the elastic modulus over the hardness for the tested bulk materials. This study was performed on a wide range of ductile materials from polymers to metals and demonstrates the importance of taking both elastic and pile-up phenomena into account in order to accurately understand and characterize the scratch resistance of materials. Ceramic materials are used in a large range of mechanical and electronic devices. But these materials are still limited in their application by their brittle behavior. In particular, surface damage of ceramic components may considerably decrease their lifetime. An understanding of abrasion resistance and the associated deformation mechanisms is then of primary importance in the use and machining of ceramic materials. In this work, the analysis of both the normal and tangential force fluctuations during a scratch test was done to describe the wear behavior and fracture processes of ceramic materials. The measurement of both normal and tangential scratch forces was done at the acquisition rate of 20 000 Hz. The fluctuations of the normal force was related to the worn volume estimated with the help of the three-dimensional topographic relief of the scratched surface. The abrasion energy is equal to the total scratch energy over the worn volume. It was studied as a function of penetration depth and scratch speed. The characterization method developed in this work is then used to investigate the effect of the fracture toughness on the wear behavior of two different sintered alumina. These alumina was sintered with different chemical additives which leads to a 30 % difference of their fracture toughness. The physico-chemical action of a large serie of fluids on the abrasion energy of alumina was clearly emphasized and related to their wetting properties.