Tribologie/Généralités
Bibliographie.
La liste des ouvrages de référence est très longue, vous la trouverez ici et l'on vous expliquera aussi pourquoi il est de plus en plus difficile d'obtenir des informations fiables dans ce domaine.
Introduction.
Un peu d'histoire et de vocabulaire.
« "Frote ses dois, frote ses mains" », écrit (avec l'orthographe de l'époque) le poète Gautier d'Arras au . L'origine du verbe frotter se perd dans la nuit des temps.
Il est étrange que les mots frotter, frottement, frotteur, friction, soient utilisés dans le langage courant aussi souvent et avec des sens aussi divers, dans des expressions comme :
Les phénomènes de frottement, d'usure, et tous ceux qui leur sont liés, ont été de tous temps mis à profit et étudiés à diverses fins. Le vocabulaire a beaucoup évolué au fil des époques, faisant écho aux évolutions des techniques industrielles et des théories scientifiques. Lydie Mariac, auteur du gros livre "Introduction à l'étude du frottement", a fait sur ce sujet une étude lexicographique particulièrement intéressante.
Le mot tribologie, construit à partir des racines grecques "tribo" ("τριβειν", "tribein", frotter) et "logos" ("λογος", "logos", discours, étude), a été proposé en 1968 par G. Salomon pour désigner la science qui étudie les phénomènes susceptibles de se produire lorsque deux corps en contact sont animés de mouvements relatifs. Il recouvre, entre autres, tous les domaines du frottement proprement dit, de l'usure et de la lubrification.
Les problèmes tribologiques ne sont pas nouveaux et de tous temps les hommes ont cherché et trouvé des solutions pour les résoudre. Les civilisations antiques ont mis au point des mécanismes élaborés pour réaliser des tours de potiers, des gonds de portes ou des roues de chars. Les gravures des tombes de Saqqara montrent un « tribologue » égyptien en train de lubrifier la piste sur laquelle on fait glisser une statue. 
Les ingénieurs militaires romains ont largement utilisé les principes de la tribologie pour construire des machines de guerre et des fortifications. Dans des bateaux de guerre trouvés dans le lac Nemi, près de Rome, on a découvert des billes de bronze et des rouleaux utilisés pour faciliter le mouvement de plateformes tournantes.
Pendant la Renaissance, Léonard de Vinci (1452-1519), qui fut tout à la fois peintre, sculpteur, ingénieur et bien d'autres choses encore, découvrit que la force tangentielle due au frottement est proportionnelle à la charge normale qui s'exerce sur les contacts. Ses carnets de notes montrent un grand nombre de dessins d'éléments de machines très semblables à ceux qui sont en usage aujourd'hui.
Dans son "Thresor de la langue francoyse", publié à Paris en 1616, J. Nicot rapproche le mot frottement du latin "affrictus" et le verbe frotter de "fricare". Le "Dictionnaire de l'Académie françoise", en 1694, définit le frottement comme "la collision de deux choses qui se frottent". Plus tard, en 1878, la notion de collision disparaît au profit d'"action de frotter", "action de deux choses qui se frottent". En 1932, les références à la mécanique se font beaucoup plus précises et l'on parle de "frottement doux", de "frottement de pivotement", etc.
Les inventions de John Harrison (1693-1776) dans le domaine des chronomètres de marine montrent une très bonne compréhension des phénomènes tribologiques. Il savait très bien que les huiles utilisées à son époque ne pouvaient pas garder très longtemps leurs propriétés, et que celles-ci variaient également en fonction des conditions climatiques. La meilleure manière de résoudre un problème étant finalement de le supprimer, il construisit ainsi des horloges capables de fonctionner sans aucune lubrification.
Vue d'ensemble.
La tribologie s'intéresse à l'étude et à l'interprétation scientifique des faits expérimentaux, mais elle a également un but très concret dans tous les domaines qui touchent à la technologie : rechercher et codifier les méthodes qui permettent de donner un « bon comportement » aux contacts mécaniques, sachant que les organes qui constituent les machines « lâchent » aujourd'hui bien plus souvent par leurs surfaces que par leur volume. La connaissance de la tribologie est devenue une nécessité pour de multiples raisons :
Ce sujet d'une rare universalité nous conduira à explorer de très nombreux aspects des sciences et des techniques, le frottement et l'adhérence, bien sûr, mais aussi :
La tribologie dans la vie et dans l'enseignement.
Tout être humain pratique le frottement comme pratiquait la prose. Il suffit, pour s'en convaincre, de considérer à quel point nos gestes les plus courants intègrent les s de frottement. Peu de gens en ont réellement conscience. Ces forces, techniciens et ingénieurs doivent apprendre à les utiliser autant qu'à les combattre. La maîtrise de l'usure et de la des machines est d'ailleurs, dans nos Sociétés où l'humanisme cède trop souvent la place à des « valeurs » d'une toute autre nature, une arme économique redoutable.
Que serait notre monde sans frottement ni adhérence ? Imaginons nos voitures et nos trains patinant sans espoir d'avancer, si ce n'est dans les pentes descendantes, quant aux vélos ... Impossible de lacer nos chaussures, d'ailleurs inutiles car nous ne pouvons plus marcher. Plus de nœuds de cravate, ni de tas de sable, ni d'assemblages cloués ou vissés, ni d'échelles appuyées aux murs. Un monde sans frottement serait encore plus invivable qu'un monde avec des frottements décuplés ... 
La tribologie est trop peu enseignée, pour de multiples raisons. Les responsables des programmes pédagogiques ignorent eux-mêmes à peu près tout de ce domaine et de ses aspects économiques. L'absence presque totale de lois physiques reconnues interdit les brillants exposés magistraux et les savants calculs qui « valorisent » leurs auteurs ; la masse considérable de connaissances encyclopédiques nécessaire à un enseignement sérieux ne peut être acquise qu'au fil des années. Ici, l'expert que l'on interroge doit bien souvent avouer son ignorance ; avançant lui-même à tâtons, avec d'autant plus de difficulté qu'il s'est aventuré plus loin, il n'a pas le beau rôle. En outre, les données vraiment utiles sont plus dispersées dans le flot des publications et la masse des idées reçues que les pépites dans le sable des torrents. 
N'est-il pas étonnant par exemple de constater que sur 100 roulements à billes ou à rouleaux détruits, 9 seulement l'ont été par le processus d'usure « naturel » qui sert de base à leur calcul ... En fait, les deux tiers des avaries sont dues à des défauts de lubrification et/ou de montage, au sens très large du terme, et ces questions-là ne sauraient être traitées à l'aide de quelques équations.
Partager ses connaissances, ouvrir des portes sur l'inconnu, offrir aux lecteurs l'occasion d'être curieux, est passionnant. Mais enseigner la technique n'est pas seulement faire un « arrêt sur l'image », c'est aussi réfléchir à son évolution. C'est pourquoi nous ne manquerons pas d'évoquer aussi les aspects historiques du sujet.
Petit lexique français-anglais.
La langue anglaise est à la fois plus précise et plus imprécise que la langue française pour tout ce qui concerne les notions tribologiques. Voici les correspondances de quelques termes que le lecteur trouvera couramment dans la littérature technique :
Des difficultés particulières ....
Le frottement est multiforme et ne se laisse pas découvrir facilement. Chacun de ses aspects, pour être compris, nécessite la compréhension de beaucoup d'autres.
« Cette question des frottements est une des plus complexes qu'ait à connaître le mécanicien : les phénomènes observés y sont fonction d'un nombre remarquablement élevé de facteurs ; eux-mêmes sont des notions fluctuantes dépendant de plusieurs variables et s'imbriquant les unes dans les autres », écrit Jean-Jacques Caubet (Théorie et pratique industrielle du frottement).
Savoir comment une craie écrit sur un tableau, ou un crayon sur du papier, ne permet pas de pronostiquer qu'un objet A écrira sur un objet B. À cause des phénomènes de frottement, les calculs théoriques ne suffisent pas pour garantir que les machines que l'on projette de réaliser fonctionneront à coup sûr. Les techniciens et les ingénieurs doivent disposer d'une panoplie de solutions éprouvées et connaître les erreurs à éviter. Bien que l'expérience de l'humanité soit relativement riche, maints problèmes apparemment anodins n'ont reçu à ce jour aucune solution vraiment satisfaisante : par exemple, on ne sait pas très bien fixer les tuyaux ... et celui qui trouvera LA solution sera à l'abri de la misère pour plusieurs siècles.
Les manifestations du frottement.
Elles ne sont pas toutes évidentes !
Diverses approches de la tribologie.
La tribologie peut être approchée de diverses manières :
Modélisation des actions de contact.
Il est important de savoir comment représenter les actions mécaniques, et spécialement celles qui sont liées aux résistances passives, avant de se lancer dans de savants calculs ...
Genèse des frottements.
Les causes du frottement, telles qu'on les imagine de nos jours, sont multiples et interdépendantes. De tous temps on a cherché à comprendre ce phénomène, avec plus ou moins de succès, par la spéculation intellectuelle et par l'expérience.
C'est aux Anglais Bowden et Tabor que l'on doit d'avoir énoncé pour la première fois des idées claires sur le sujet, mais il est intéressant de considérer les divers cheminements intellectuels qui ont été suivis au cours des siècles.
Une étude complète du problème ne saurait se limiter aux seules surfaces d'objets réputés secs et propres, puisqu'une partie au moins des résistances passives a son origine à l'intérieur même des matériaux et dans les films lubrifiants solides, liquides et gazeux dont on fait largement usage dans les machines. Le frottement immédiat entre deux pièces mécaniques, c'est-à-dire celui qui a lieu sans interposition du moindre produit, lubrifiant ou autre, est l'exception. Le frottement médiat, qui met en jeu d'autres éléments que les deux pièces dont on veut assurer le contact, est la règle.
Nature et comportement des surfaces.
Le frottement et l'usure mettent en jeu les surfaces de contact ou plus précisément les interfaces, où se produisent des transformations irréversibles qu'il faut considérer de plusieurs points de vue :
On en tire des conclusions essentielles pour les processus industriels de fabrication des surfaces frottantes.
Les différentes formes d'usure.
La vie d'un mécanisme comporte normalement trois phases : rodage, vie utile, vieillesse. L'usure est rapide en début de rodage et pendant la vieillesse.
L'abrasion est due à une des pièces qui lime l'autre ou à un troisième corps plus dur que les deux pièces. Ici plus encore qu'ailleurs il faut éliminer les débris d'usure.
L'adhésion vient de la solubilité mutuelle des matériaux des pièces. La rupture adhésive des jonctions donne lieu à une usure douce, la rupture cohésive à une usure sévère pouvant aboutir au grippage.
La corrosion est due à des phénomènes chimiques et non au frottement, mais elle interagit avec ce dernier.
La corrosion de contact ronge les surfaces soumises à de petits déplacements tangentiels, à une vitesse exponentielle si le milieu est oxydant.
Les surcontraintes sont dues au passage d'un frotteur trop chargé ou à des efforts de frottement trop élevés. On peut trouver des fissures de tension derrière le frotteur, un fluage par compression devant ce dernier ou des déformations profondes par cisaillement.
La fatigue provoque des piqûres superficielles ou un écaillage par endommagement progressif en profondeur.
L'érosion est une perte de matière par des impacts de particules en suspension dans un fluide.
L'érosion par cavitation correspond à un arrachement de matière engendré par l'effet cumulatif des ondes de choc provoquées par l'implosion brutale de bulles de vapeur sur une paroi ou à son voisinage immédiat. Elle ne se produit que dans les zones où se trouve un liquide en dépression (col Venturi, sur-vitesse locale due au contournement d'un aubage, ...).
La fatigue thermique est due à des échauffements et refroidissements brutaux et répétés.
Il est généralement admis que les pertes économiques par usure représentent de 6 à 10 % du Produit National Brut des pays industrialisés.
L'usure représente 30 % des causes d'avarie dans les applications mécaniques. L'importance relative des différents modes d'usure est la suivante :
Jean-Jacques Caubet a énoncé 7 règles fondamentales pour le constructeur, mettant l'accent sur l'importance du rodage et la nécessité de bien définir les protocoles de fabrication.
Matériaux utilisables pour le frottement.
Le choix d'un matériau de frottement est un problème d'optimisation entre des qualités souvent contradictoires :
Traitements et revêtements de surfaces.
L'ère des traitements et revêtements de surfaces commença à la fin du XIXe siècle. Les débuts furent timides : quelques dépôts électrolytiques et la cémentation. Bien d'autres traitements suivirent : nitruration, phosphatation, Sulfinuz, Tenifer, carbonitruration, etc.
Depuis 1950 c'est l'essor de l'aéronautique, de l'espace, de l'atome, du génie chimique. Les mécanismes doivent fonctionner dans le vide, l'eau lourde, le sodium fondu, l'hydrogène, les acides... et il ne faut ni polluer ni consommer trop de matières ou d'énergie. Si le mécanicien est en général assez bien armé dans les premières phases de l'étude d'une machine, il l'est en revanche beaucoup moins pour la mécanique des surfaces : les innombrables résultats fondamentaux et expérimentaux accumulés depuis des décennies n'ont pas encore trouvé leur place dans un ensemble cohérent et efficace.
Empêcher les contacts inter métalliques revient à améliorer la lubrification, ou à renforcer le manteau protecteur naturel d'oxydes, ou à créer un manteau protecteur artificiel. Ce dernier peut être sécrété par le métal lui-même, comme le graphite des fontes, ou apporté de l'extérieur, comme le sulfure de fer engendré par le Sulfinuz.
Il n'existe pas de loi générale ni de méthode cohérente de choix, si ce n'est la règle des trois couches :
Les divers traitements ou revêtements peuvent être classés dans l'une des catégories suivantes :
Les deux buts essentiels des traitements et revêtements de surface sont la lutte contre le frottement et la limitation de l'usure.
Cette dernière varie de façon complexe avec les matériaux et leurs traitements. Par exemple, avec un coussinet en bronze au plomb, l'usure est plus forte en présence d'un arbre en acier cémenté qu'avec un arbre chromé. C'est exactement l'inverse avec un coussinet en alliage aluminium-étain. Il faudrait connaître les résultats donnés par toutes les combinaisons possibles de matériaux, de traitements, dans toutes les ambiances imaginables. La nature chimique de l'atmosphère, la présence ou l'absence de vapeur d'eau, la pression et la température... peuvent influer considérablement sur les résultats.
Une couche protectrice anti-usure n'est intéressante que si son épaisseur est au moins égale à la perte de matière admissible pendant la durée de vie du mécanisme.
Lubrifiants.
De nos jours il ne suffit plus de « mettre un peu de gras » pour faire fonctionner les machines. Le graissage est devenu une science, pas toujours exacte certes, mais dont tout mécanicien se doit de connaître au moins les rudiments.
Applications concrètes.
Il a paru intéressant de faire un point, non exhaustif, sur des solutions ou des tendances actuelles dans un grand nombre de domaines : c'est ce que l'on trouvera dans l'article détaillé, où les différents sujets traités sont classés par ordre alphabétique.
Guidage par roulement.
Des informations se trouvent dans le chapitre Tribologie - Applications pratiques