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

La comprehension des mecanismes d'abrasion et des deformations des surfaces qui en resultent represente un grand interet pour l'elaboration des materiaux et la conception des systemes industriels modernes vis a vis de l'usure et de l'abrasion. Le test de ravage ou test sclerometrique, constitue un outil interessant pour caracteriser la resistance a l'abrasion des materiaux. Un travail fondamental sur le developpement d'une machine de test de rayage, nous a permis d'etudier deux types de comportements : les deformations elasto-plastiques d'une part, et les mecanismes de fracturation d'autre part. La plupart des etudes sur la resistance a l'abrasion se sont limitees au cas de materiaux purement plastiques, alors que de nombreuses experiences sur des metaux et des polymeres ont montre que la mecanique des contacts et le comportement en indentation etaient largement influences par les deformations elastiques de ces materiaux. Dans ce travail, les forces normale et tangentielle, la profondeur de penetration de l'indenteur sous la surface initiale du materiau pendant le rayage, et le releve topographique tridimensionnel de la surface rayee ont ete mesures. Ils nous ont permis d'estimer precisement la surface reelle de contact entre l'indenteur et le materiau, en prenant en consideration a la fois les deformations elastiques 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 ete comparee a la durete statique des materiaux ainsi qu'aux definitions classiques de durete de rayage. Les proportions de deformation elastique et plastique pendant un test de rayage avec un indenteur Berkovich, ont ete reliees au rapport entre le module d'elasticite et la durete des materiaux massifs que nous avons testes. Cette etude a ete realisee sur une large gamme de materiaux ductiles allant des polymeres aux metaux, et montre l'importance de la prise en compte des deformations elastiques et de la formation des bourrelets pour comprendre et caracteriser precisement la resistance a l'abrasion des materiaux par un test sclerometrique. Les materiaux ceramiques sont utilises dans de nombreux systemes mecaniques et electroniques. Mais leur utilisation est toujours limitee par leur comportement fragile. En particulier, l'endommagement en surface des composants en ceramiques peut reduire considerablement leur duree de vie. La comprehension des mecanismes de deformation en surface et de la resistance a l'abrasion des materiaux en ceramique est donc un element cle dans leur utilisation et leur usinage. Dans ce travail, l'etude des fluctuations des forces normale et tangentielle pendant un test de rayage a ete menee pour decrire le comportement a l'abrasion et les mecanismes de fracturation des materiaux ceramiques a base d'alumine. La mesure des forces normale et tangentielle de rayage a ete effectuee a une vitesse d'acquisition de 20 000 Hz. Des variations brutales de la force normale, correspondant a l'intervention de mecanismes de fracturation, ont ete reliees au volume d'usure, estime par une mesure topographique tridimensionelle de la surface rayee. L'energie d'abrasion, egale a l'energie totale de rayage divisee par le volume d'usure, a ete etudiee en fonction de la profondeur de penetration et de la vitesse de rayage. La methode de caracterisation developpee lors de ce travail, a servi pour analyser l'influence de la tenacite sur le comportement a l'usure de deux ceramiques a base d'alumine. Ces deux ceramiques ont ete frittees avec differents additifs, ce qui leur procurent une difference de tenacite d'environ 30 %. L'effet physico-chimique d'un environnement liquide sur la resistance a l'abrasion d'une ceramique a base d'alumine a clairement ete montre, et relie aux proprietes de mouillabilite d'une grande serie de fluides.