Thèse soutenue

Mise en glissement des interfaces élastomères : apports fondamentaux issus d’expériences de contacts modèles sphère/plan
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Auteur / Autrice : Mariana De Souza
Direction : Davy DalmasJulien Scheibert
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique
Date : Soutenance le 22/07/2021
Etablissement(s) : Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Lyon)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
Jury : Président / Présidente : Valérie Vidal
Examinateurs / Examinatrices : Davy Dalmas, Julien Scheibert
Rapporteurs / Rapporteuses : Etienne Barthel, Christophe Poulard

Mots clés

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Résumé

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L’objectif principal de cette thèse était d’obtenir une meilleure compréhension de la mise en glissement des contacts secs en élastomère. Lors de la mise en contact de deux surfaces réelles, généralement rugueuses, l’interface crée est bien souvent constituée d’une myriade de micro-contacts individuels entre des aspérités antagonistes. Ainsi, le comportement macroscopique d’une telle interface multi-contact est la somme complexe des réponses individuelles de tous les micro-contacts. Dans cette étude, nous avons cherché à mieux caractériser le comportement des micro-contacts grâce à une étude systématique basée sur des expériences modèle de cisaillement d’une sphère en PDMS sur une plaque de verre. En plus des mesures de force macroscopique lors des expériences de cisaillement, le travail s’est principalement appuyé sur l’analyse in-operando de l’évolution de de l’interface de contact par une méthode optique. Nous avons d’abord revisité les expériences récentes de la littérature sur la réduction de la zone de contact réelle induite par le cisaillement dans les interfaces élastomériques, dont l’origine a été très débattue. À l’aide d’échantillons d’élastomères ensemencés de particules, d’une technique de suivi des particules et d’analyses de trajectoire originales, nous avons démontré la coexistence de plusieurs mécanismes élémentaires de réduction d’aire réelle de contact agissant simultanément et quantifié leur contribution relative à la réduction d’aire globale. Nous avons identifié le soulèvement comme mécanisme principal et avons également prouvé l’existence d’une zone de glissement de type annulaire qui remplace progressivement la zone centrale initialement collée au sein de l’interface. Par comparaison avec un modèle de mécanique des milieux continus, nous avons montré que, à des charges normales importantes, la réduction de surface provient des grandes déformations mise en jeu et des non-linéarités qui y sont associées, plutôt que des effets adhésifs mis en avant dans la littérature. La réduction de l’aire réelle de contact induite par le cisaillement avait déjà été étudiée, dans la littérature, principalement pour deux gammes de charges normales distinctes : soit dans le millinewton, soit dans la gamme du newton. Nous avons ainsi réalisé les premières expériences qui comblent l’écart entre ces deux gammes avec le même échantillon et la même configuration expérimentale. Les résultats indiquent que le comportement observé aux charges normales élevées se maintient jusqu’à environ 0.1 N, en dessous de cette limite les effets adhésifs deviennent vraisemblablement non négligeables. Aux faibles charges normales, nous montrons également que la réduction d’aire se poursuit après le pic en force tangentielle, ce qui remet en question la définition du moment exact de la transition vers le glissement. La plupart des études de la littérature considèrent des expériences de cisaillement à charge normale constante, alors que, dans une interface glissante rugueuse, les micro-contacts subissent vraisemblablement d’importantes variations de charge normale lors du cisaillement. Pour traiter l’effet de ces variations, nous avons introduit des inclinaisons contrôlées dans notre expérience. Après avoir soigneusement corrigé les mesures de force brutes par l’effet de telles inclinaisons pour extraire la force réellement en jeu à l’interface, nous avons pu proposer la première loi de comportement empirique pour l’évolution de la surface de contact due aux variations simultanées des forces normales et de cisaillement. Tous ces résultats sur le comportement en frottement des contacts élastomériques modèles fournissent la base nécessaire pour mieux comprendre et/ou concevoir des interfaces multi-aspérités fonctionnelles plus complexes.