Analyse physico chimique des mécanismes de lubrification électrochimique des aciers inoxydables : développement d'une approche expérimentale et numérique pour l'estimation de la durée de vie

Physico-chemical analysis of electrochemical lubrication mechanisms of stainless steels : development of an experimental and numerical approach for lifespan estimation

• Auteur / Autrice : Kaouthar Bouguerra
• Direction : Caroline Richard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique et productique
• Date : Soutenance le 30/04/2025
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en Matériaux, Microélectronique, Acoustique et Nanotechnologies
• Jury : Président / Présidente : François Tran-Van
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yan-Ming Chen, Nadège Ducommun, Alexandre Romaine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Normand, Mohamed El Mansori
• DOI : 10.70675/4b1e85a0za3f3z4874z9541za1966ee2ca6a

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bicarbonate de soude

Apprentissage automatique

Couches minces métalliques

Corrosion électrochimique

Détérioration

Acier inoxydable

Modèles mathématiques

Acier inoxydable -- Fatigue

Machines-outils -- Lubrification

Tribologie (technologie)

Mots clés libres

Tribocorrosion

Acier inoxydable

Lubrification électrochimique

Films passifs

NaHCO3

Machine Learning

Tribocorrosion

Stainless steels

Electrochemical lubrication

Passive films

NaHCO3

Machine Learning

Résumé

La tribocorrosion des aciers inoxydables en milieu alcalin représente un enjeu majeur pour la durabilité des équipements industriels, notamment dans l'industrie agroalimentaire. Cette thèse a mis en évidence un mécanisme de lubrification électrochimique pour un couple de frottement AISI 316L / AISI 316L. cette lubrification induite par la formation d'un tribo-film protecteur composé d'oxydes et d'hydroxydes de chrome et de fer. Ce film suit un cycle de dépassivation-repassivation, réduisant significativement le frottement et l'usure. L'étude des paramètres tribologiques montre que ce comportement est stable avec une fréquence comprise entre 2 et 5 Hz (sur une amplitude de ±5 mm sous 0.5 MPa) avec une concentration optimale de 5 % en NaHCO₃. Tandis qu'une fréquence plus élevée (8-10 Hz) entraîne sa déstabilisation. Ce processus n'est pas perturbé par des arrêts intermédiaires jusqu'à 24h, ce qui montre un fort potentiel d'application. L'étude comparative a révélé que ce phénomène est partiellement reproductible sur certains aciers inoxydables (AISI 304, Uranus 45), mais limité sur d'autres aciers (Nitronic 60, 42CrMo4). L'approche par Machine Learning a confirmé la capacité des modèles Random Forest et Gradient Boosting à prédire le coefficient de frottement et le potentiel électrochimique avec un coefficient de détermination R² > 0,98.

The tribocorrosion of stainless steels in alkaline environments is a major challenge for the durability of industrial equipment, particularly in the food industry. This thesis highlights an electrochemical lubrication mechanism for an AISI 316L/AISI 316L friction pair. This lubrication is induced by the formation of a protective tribo-film composed of chromium and iron oxides and hydroxides. This film follows a depassivation-repassivation cycle, significantly reducing friction and wear. The study of tribological parameters shows that this behavior remains stable at a frequency between 2 and 5 Hz (with an amplitude of ±5 mm under 0.5 MPa) and an optimal NaHCO₃ concentration of 5%, whereas a higher frequency (8-10 Hz) leads to its destabilization. This process is not disrupted by intermittent stops of up to 24 hours, demonstrating strong application potential. A comparative study revealed that this phenomenon is partially reproducible on certain stainless steels (AISI 304, Uranus 45) but limited on others (Nitronic 60, 42CrMo4). The Machine Learning approach confirmed the ability of Random Forest and Gradient Boosting models to predict the coefficient of friction and electrochemical potential with a coefficient of determination R² > 0.98.