Brevet FR3132951A1 — publié le 20230825

L’invention propose un tribomètre (1) comportant : - un bâti (10) ; - une mâchoire fixe (3b) par rapport au bâti (10) ; - une mâchoire mobile (3a) par rapport au bâti (10) ; - une première matrice (19b) montée sur la mâchoire fixe (3b) ; - une seconde matrice (19a) montée sur à la mâchoire mobile (3a) et positionnée en vis-à-vis et à distance de la première matrice (19b); - un échantillon (6) positionné entre les deux matrices (19a, 19b) et présentant deux extrémités latérales, chaque extrémité étant au contact d’une matrice (19a, 19b) ; - un piston (2) entraînant l’échantillon (6) en glissement le long des matrices (19a, 19b), Ce tribomètre comporte également un porte-échantillon (11) portant l’échantillon (6) et étant poussé par le piston (2), le porte-échantillon (11) et le piston (2) présentant des formes complémentaires pour le calage du porte-échantillon (11). Figure pour l'abrégé : Figure 3 Tribomètre et procédé de mesure de propriétés tribologiques Domaine technique de l'invention L'invention concerne un tribomètre. Il s’agit d’un appareil utilisé pour étudier le contact entre deux matériaux, en mesurant les frottements et l’usure. Par exemple, l’appareil mesure le coefficient de frottement µ entre deux surfaces en contact sec, donc sans lubrifiant. Ce coefficient de frottement au sens de la loi de Coulomb-Amontons dépend de la force normale apparente exercée entre deux surfaces en contact, et de la force de traction/pression nécessaire pour faire glisser une surface par rapport à l’autre, pour qu’il y ait frottement. Après l’essai, l’état des surfaces en contact est analysé. L’objectif est de comprendre la variation du coefficient de frottement sur une distance de glissement donnée, en établissant une relation entre les conditions de frottement imposées entre les deux surfaces et les endommagements post-frottement observés sur elles. On peut ainsi effectuer des tests d’usure accélérée. L’invention concerne également un procédé de mesure de propriétés tribologiques d’un matériau à l’aide d’un tribomètre. Arrière-plan technique Pour ces essais tribologiques, il est d’usage d’utiliser un échantillon d’un matériau à tester, et de l’insérer dans un tribomètre du type Pougis et al, permettant la réalisation de frottements à haute pression. Cet échantillon est soumis à des déformations plastiques sévères sous une faible vitesse d’avance, à travers un cisaillement simple, et sans changement de ses dimensions transversales. Pour cela, l’échantillon est confiné. En l’espèce, il est inséré dans un logement d’un piston, de préférence un canal, d’où seules dépassent légèrement ses extrémités latérales, le corps de l’échantillon étant maintenu fermement dans le canal pour que ses dimensions transversales ne changent pas. Les extrémités latérales de l’échantillon correspondent ainsi à des surfaces de contact. Ces extrémités latérales sont en prise entre deux matrices qui viennent se serrer jusqu’à atteindre la force normale désirée. Puis on applique un chargement sur l’échantillon. Pour cela, le piston est actionné pour faire glisser l’échantillon le long des matrices, pour mesurer le coefficient de frottement, et ensuite pour analyser l’état de surface des extrémités latérales de l’échantillon. Les inconvénients avec ce tribomètre du type Pougis et al., sont que le glissement reste limité à 1mm, et que l’échantillon reste bloqué dans le piston post-frottement, après l’avoir dégagé des matrices. En effet, suite chargement, l’échantillon confiné s’est déformé plastiquement, conduisant à des déformations radiales résiduelles de son corps et/ou de ses extrémités latérales. Par exemple, ses extrémités latérales ont flué dans le sens inverse du sens de glissement. A cause de ces déformations, le retrait de l’échantillon hors du piston est difficile à réaliser, car il a tendance à rester coincé. Il faut donc le débloquer en appliquant un effort sur l’échantillon pour le faire sortir de l’orifice, ce qui a pour conséquence d’altérer de manière irréversible les surfaces des extrémités latérales sur lesquelles on applique l’effort. L’analyse de l’échantillon post-frottement est ainsi compliquée, voire impossible. La présente invention a pour objectif de pallier les différents inconvénients énoncés ci-dessus, au moyen d’un tribomètre permettant de caractériser le frottement entre un échantillon et des matrices, sur une grande distance de frottement de l’ordre de plusieurs millimètres, tout en préservant le confinement de l’échantillon malgré une importante force normale apparente, et offrant la possibilité d’analyser aisément cet échantillon post-frottement. Le tribomètre selon l’invention comporte: - un bâti ; - une mâchoire fixe par rapport au bâti ; - une mâchoire mobile par rapport au bâti ; - une première matrice montée sur la mâchoire fixe ; - une seconde matrice montée sur la mâchoire mobile et positionnée en vis-à-vis et à distance de la première matrice; - un échantillon positionné entre les deux matrices et présentant deux extrémités latérales, chaque extrémité étant au contact d’une matrice après serrage des mâchoires; - un piston entraînant l’échantillon en glissement le long des matrices. Ce tribomètre se caractérise à titre principal en ce qu’il comporte également un porte-échantillon portant l’échantillon et étant poussé par le piston, le porte-échantillon et le piston présentant des formes complémentaires pour le calage du porte-échantillon dans le piston. L’idée principale de cette invention consiste à introduire une pièce intermédiaire entre le piston et l’échantillon, en l’espèce un porte-échantillon, qui porte l’échantillon et qui coopère avec le piston. Ainsi, le confinement de l’échantillon a lieu dans le porte-échantillon, et non plus dans le piston. Le porte-échantillon est un consommable. Il va de pair avec l’échantillon. Il y a un porte-échantillon par essai. Après l’essai, une fois que les mâchoires sont desserrées, le piston reprend sa position initiale et l’ensemble porte-échantillon / échantillon est simplement récupéré. Après l’essai, l’échantillon est complètement contraint dans le porte-échantillon. Pour analyser l’échantillon post-frottement, il suffit de découper l’ensemble porte-échantillon et échantillon, dans un plan de coupe axial (passant par l’axe central de l’échantillon), pour récupérer l’échantillon en deux parties, sans avoir altéré les deux extrémités latérales (hormis au niveau de la zone de coupe). L’analyse des tranches de l’échantillon post-frottement peut alors être réalisée, à savoir le polissage, l’analyse au microscope électronique à balayage, la nano-indentation, etc. Le porte-échantillon s’apparente ainsi à un consommable. Le porte-échantillon s’imbrique dans le piston. Ils ont des formes complémentaires, afin que le porte-échantillon soit bien calé dans le piston, et qu’il effectue le même déplacement que le piston entre les matrices, c’est-à-dire qu’il soit correctement entraîné par le piston. Le porte-échantillon est calé dans le piston grâce aux formes correspondantes. Selon les différents modes de réalisation de l’invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : ledit porte-échantillon est centré par rapport au piston, et a fortiori par rapport aux matrices. Ce centrage est réalisé manuellement grâce à un dispositif optique, du type loupe. Ce centrage permet d’éviter un contact entre les côtés latéraux du porte-échantillon et les matrices. En effet, il faut que les côtés latéraux du porte-échantillon soient légèrement en retrait par rapport aux matrices, pour que les deux extrémités latérales de l’échantillon soient correctement en appui contre les matrices et coulissent le long des matrices. ledit porte-échantillon est conçu dans un matériau dont la limite élastique est supérieure à la limite élastique du matériau constituant l’échantillon : le porte-échantillon est réalisé en matériau à haute limite élastique afin d’assurer le confinement de l’échantillon. le piston comporte une partie inférieure présentant un dégagement d’accueil du porte-échantillon : ce dégagement correspond à l’une des formes complémentaires permettant le centrage et le calage du porte-échantillon, l’autre forme complémentaire correspondant à une partie du porte-échantillon en contact avec une paroi du dégagement. l’échantillon est monté glissant dans le porte-échantillon. Le jeu entre l’échantillon et son logement est réduit. Après l’essai, c’est-à-dire en post-frottement, l’échantillon est contraint dans le porte-échantillon. le porte-échantillon consiste en une pièce volumique présentant un orifice central dans lequel est inséré l’échantillon. l’orifice central est cylindrique, l’échantillon étant cylindrique. la longueur de l’échantillon est supérieure à la longueur de l’orifice de manière à ce que les deux extrémités latérales de l’échantillon dépassent de façon égale de part et d’autre du porte-échantillon : ces deux extrémités latérales sont en contact avec les matrices, dont il faut qu’elles soient dégagées. Le porte-échantillon ne doit pas frotter contre les matrices. porte-échantillon est parallélépipédique, l’orifice étant centré dans le parallélépipède, le porte-échantillon présentant deux faces de contact avec le piston, lesdites faces étant adjacentes et reliées par une arête supérieure. le dégagement du piston présente une forme en V dont l’angle correspond à celui entre lesdites deux faces de contact du porte-échantillon : les deux faces de contact du porte-échantillon viennent donc au contact des parois du dégagement. L’angle étant le même, le porte-échantillon est bien coincé dans le dégagement du piston. ledit angle est droit. le tribomètre comporte un système hydraulique de déplacement de la mâchoire mobile. le tribomètre comporte un capteur de force mesurant la force de compression entre les matrices et l’échantillon. L’invention concerne également un procédé de mesure de propriétés tribologiques d’un matériau à l’aide d’un tribomètre tel que décrit ci-dessus, comportant les étapes consistant à : introduire l’échantillon dans le porte-échantillon ; positionner le porte-échantillon dans le piston ; déplacer la mâchoire mobile de façon à ce que les matrices soient pressées contre l’échantillon ; déplacer le piston pour faire coulisser l’échantillon entre les matrices. De préférence, la pression appliquée entre les deux matrices est de l’ordre de 500MPa à 2GPa. De façon avantageuse, l’échantillon est déplacé sur une distance de frottement comprise entre 1mm et 30mm. Le tribomètre selon l’invention est plus rigide que dans l’art antérieur, ce qui autorise ces déplacements plus significatifs. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : la est une vue en perspective du tribomètre selon l’invention ; la est une vue du piston de l’art antérieur, portant l’échantillon ; la est une vue éclatée en perspective de l’ensemble piston, porte-échantillon et échantillon, selon l’invention ; la est une vue en coupe selon la coupe A-A de la de la zone de frottement du tribomètre ; la est une vue du dessus de la du tribomètre avec les mâchoires serrées ; la est une vue schématique de la zone de frottement du tribomètre avec les mâchoires desserrées, selon une première étape ; la est une vue schématique de la zone de frottement du tribomètre avec les mâchoires serrées, selon une seconde étape ; la est une vue schématique de la zone de frottement du tribomètre avec le piston actionné, selon une troisième étape. Tribomètre (1) comportant : - un bâti (10) ; - une mâchoire fixe (3b) par rapport au bâti (10) ; - une mâchoire mobile (3a) par rapport au bâti (10) ; - une première matrice (19b) montée sur la mâchoire fixe (3b) ; - une seconde matrice (19a) montée sur la mâchoire mobile (3a) et positionnée en vis-à-vis et à distance de la première matrice (19b); - un échantillon (6) positionné entre les deux matrices (19a, 19b) et présentant deux extrémités latérales, chaque extrémité étant au contact d’une matrice (19a, 19b) après serrage des mâchoires (3, 3b) ; - un piston (2) entraînant l’échantillon (6) en glissement le long des matrices (19a, 19b), caractérisé en ce qu’il comporte également un porte-échantillon (11) portant l’échantillon (6) et étant poussé par le piston (2), le porte-échantillon (11) et le piston (2) présentant des formes complémentaires pour le calage du porte-échantillon (11) dans le piston (2). Tribomètre (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le porte-échantillon (11) est centré par rapport au piston (2). Tribomètre (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit porte-échantillon (11) est conçu dans un matériau dont la limite élastique est supérieure à la limite élastique du matériau constituant l’échantillon (6). Tribomètre (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le piston (2) comporte une partie inférieure (9) présentant un dégagement (18) d’accueil du porte-échantillon (11). Tribomètre (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’échantillon (6) est monté glissant dans le porte-échantillon (11). Tribomètre (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le porte-échantillon (11) consiste en une pièce volumique présentant un orifice (12) central dans lequel est inséré l’échantillon (6). Tribomètre (1) selon l’une des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que la longueur de l’échantillon (6) est supérieure à la longueur de l’orifice (12) de manière à ce que les deux extrémités latérales de l’échantillon (6) dépassent de façon égale de part et d’autre du porte-échantillon (11). Tribomètre (1) selon l’une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le porte-échantillon (11) est parallélépipédique, l’orifice (12) étant centré dans le parallélépipède, le porte-échantillon (11) présentant deux faces de contact (13, 14) avec le piston (2), lesdites faces (13, 14) étant adjacentes et reliées par une arête (15) supérieure. Tribomètre (1) selon la revendication précédente, lorsqu’elle dépend de la revendication 3, caractérisé en ce que le dégagement (18) du piston (2) présente une forme en V dont l’angle correspond à celui entre lesdites deux faces de contact (13, 14) du porte-échantillon (11). Tribomètre (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un capteur de force (5) mesurant la force de compression entre les matrices (19a, 19b) et l’échantillon (6). Procédé de mesure de propriétés tribologiques d’un matériau à l’aide d’un tribomètre (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant les étapes consistant à : - introduire l’échantillon (6) dans le porte-échantillon (11) ; - positionner le porte-échantillon (11) dans le piston (2) ; - déplacer la mâchoire mobile (3a) de façon à ce que les matrices (19a, 19b) soient pressées contre l’échantillon (6) ; - déplacer le piston (2) pour faire coulisser l’échantillon (6) entre les matrices (19a, 19b). Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la pression appliquée entre les deux matrices (19a, 19b) est de l’ordre de 500 MPa à 2GPa. Procédé selon l’une des revendications 11 à 12, caractérisé en ce que l’échantillon (6) est déplacé sur une distance de frottement comprise entre 1mm et 30mm.