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Effets De Diffusion Dans Des Conditions Severes De Frottement Sec Entre Antagonistes Metalliques.
569
EFFETS DE DIFFUSION DANS DES CONDITIONS SEVERES DE FROTTEMENT SEC ENTRE ANTAGONISTES METALLIQUES. S. FAYEULLE, D.
TREHEUX, P. GUIRALDENQ
Dpt Mdtallurgie-Physique-Matgriaux Ecole C e n t r a l e de Lyon BP 163
-
(ERA
- CNRS no 732)
69130 ECULLY
- France.
ABSTRACT
During d r y f r i c t i o n under s e v e r e c o n d i t i o n s ( s t r e s s e s , speed, e t c ...) t r a n s p o r t phenomena between t h e two a n t a g o n i s t s is observed and modify t h e n a t u r e of t h e contact. This e f f e c t i s p r e s e n t , not o n l y a t t h e s u r f a c e b u t , f o r very c l a s s i c a l systems, over a t h i c k l a y e r corresponding t o a new m a t e r i a l , having d i f f e r e n t t r i b o l o g i c a l properties. This t r a n s p o r t has been analyzed w i t h two t y p i c a l c a s e s :
- between -
two pure metals (copper and n i c k e l )
between two a l l o y s (carbon s t e e l and bronze)
After f r i c t i o n , t r a n s p o r t of elements i s d e t e c t e d by e l e c t r o n microanalysis and observed over a wide t h i c k n e s s ( 1 0 t o 50 pm). A conclusion i s t h a t t h i s process cannot be explained only by t h e s o l u b i l i t y r u l e and t h e thermal d i f f u s i o n . The model of Ruoff and B a l u f f i , based on t h e "mechanical d i f f u s i o n ' ' process,
i s a b e s t way t o explay t h e experimental r e s u l t s .
INTRODUCTION L e s couches s u p e r f i c i e l l e s d e matdriaux en c o n t a c t l o r s d'un f r o t t e m e n t sec
sont l e
s i e g e d e c o n t r a i n t e s dlevdes e t d e f o r t e s d l d v a t i o n s de tempBratures.
Ces deux phdnomhnes provoquent une m u l t i p l i c a t i o n d e s d d f a u t s d'dcrouissage,
aug-
mentent l a p l a s t i c i t d d e s couches s u p e r f i c i e l l e s e t l a i s s e supposer l ' e x i s t e n c e d'un Pcoulement d e matiere important conduisant B l ' e x i s t e n c e de processus d i f f u s i o n n e l s . C e r t a i n s r d s u l t a t s o n t dBja dtd i n t e r p r d t B s dans c e sen6 ( r e f s 1-2-3). Nous avons pour n o t r e p a r t t e n t 6 de m e t t r e en gvidence de t e l s e f f e t s en u t i l i s a n t
l a microsonde de Castaing sur des couples de f r o t t e m e n t p r d c i s : 1) f r o t t e m e n t e n t r e deux mdtaux purs : Cuivre e t Nickel 2) f r o t t e m e n t e n t r e deux a l l i a g e s : un a c i e r A60 r e c u i t e t un bronze Bcroui
t y p e UE 12 2 1
570 Le choix d e c e s matdriaux rdpond 1 l a f o i s 1 un s o u c i s d ' d t u d e d e s mdcanismes dl6mentaires s u r d e s s t r u c t u r e s c r i s t a l l i n e s simples e t a u s s i 1 un c a s c o n c r e t u t i l i s d en p r a t i q u e courante. De p l u s , l ' e f f e t de s o l u b i l i t d 1 l ' b t a t s o l i d e , paramstre t r i b o l o g i q u e important, q u i e s t t o t a l pour l e systsme Cu-Ni,
est faible
sur l e couple acier-bronze. TECHNIQUES EXPERIMENTALES CHOISIES
:
Les e s s a i s de f r o t t e m e n t o n t dtd r d a l i s d s 1 l ' a i r s u r une machine F a v i l l e q u i permet une approche simple du comportement d e s matdriaux, f a c e au grippage e t
B l ' u s u r e ( r d f . 4 ) . L e c o n t a c t e s t a s s u r e e n t r e un c y l i n d r e t o u r n a n t sur lui-mlme e t deux mors plans, symdtriques par r a p p o r t a u c y l i n d r e . Cew-ci o n t dtd c h o i s i s
de prdfdrence aux t r a d i t i o n n e l s mors t a i l l d s en V car i l s permettent de r d a l i s e r d e s e s s a i s p l u s longs t o u t en Bvitant une accumulation p a r a s i t e d e s d d b r i s . Les e f f o r t s appliquds par l ' i n t e r m b d i a i r e d e s mors o n t v a r i d e n t r e 400 e t 2000 N , l a v i t e s s e l i n d a i r e d e r o t a t i o n du c y l i n d r e d t a n t comprise e n t r e 0,06 m / s e t 0,24 m f s . Rappelons a u s s i que t o u s c e s e s s a i s o n t d t d e f f e c t u d s sans l u b r i f i c a t i o n . COMPORTEMENT MECANIQUE DES DIFFERENTS MATERIAUX LORS DES ESSAIS
Couple a c i e r ( c y l i n d r e l - bronze (mors) Par f r o t t e m e n t , on observe un Bchauffement r a p i d e car l e c y l i n d r e se recouvre d'une couche d'abord rouge, b l e u t d e , e n f i n b l m o s e . I1 a p p a r a i t e n s u i t e au bout de quelques minutes une couche n o i r e de p a r t i c u l e s tres f i n e s , q u i sont magn6tiques e t qui correspondent, par d i f f r a c t i o n X,
B un melange Feg03, Feg04. Le f r o t -
tement s e p o u r s u i t e n s u i t e dans d e s c o n d i t i o n s s t a b l e s , avec une f a i b l e usure. L'analyse p o n c t u e l l e e t l a c a r a c t h r i s a t i o n des.mors en bronze o n t b t d e f f e c t u d e s a p r s s c e t t e phase de f r o t t e m e n t s t a b l e ( t = 30 minutes). Couple Cuivre (mors)
-
nickel (cylindre)
Le ddroulement d e s e s s a i s e s t t r S s semblable au c a s prdcddent avec cuivrage du c y l i n d r e en n i c k e l e t a p p a r i t i o n d'oxydes de c u i v r e . L ' e s s a i , p o u r s u i v i pend a n t 15 mn, permet e n s u i t e de r e c u e i l l i r sur l e s mors d e s amas importants d e frottement analysds s u i v a n t d e s coupes p e r p e n d i c u l a i r e s a u c o n t a c t . ETUDE DU TROISIEME CORPS FORME
Couple acier-bronze La f i g u r e I montre un mors de bronze a p r s s f r o t t e m e n t recouvert d'une couche n o i r e fortement perturbde. L'analyse amas d'oxyde complexe (Cu
-
Sn
-
Fe
B l a microsonde, o u t r e l a presence d'un
-
0) dans l e s zones l e s p l u s s u p e r f i c i e l l e s ,
montre l ' e x i s t e n c e en sous-couche de deux zones : 1 ) une couche de t r a n s f e r t correspondant
B l'acier
671 2) une deuxiSme couche d ' d p a i s s e u r moyenne 10 Fe = 52,6 % at.
Cu
9
44,7% a t
Sn
vm,
d e composition moyenne :
2,7% a t .
F i g . 1 . Vue en coupe (XSOO) d'un mors en bronze a p r h essai montrant les d d b r i s d'oxyde (A) s u p e r f i c i e l s , une couche d e t r a n s f e r t d e l ' a c i e r ( B ) , une sous-couche Fe-Cu-Sn (C).
Cette deuxisme couche r d s u l t e trss nettement d'un double phdnomhe d e d i f f u s i o n :
d i f f u s i o n du f e r d e l ' a c i e r A 60 dans l e bronze, appauvrissement en S t a i n de l a couche s u p e r f i c i e l l e du bronze i n i t i a l . A i n s i l ' d t a i n , q u i e s t l'dldment l e p l u s f d s i b k e s t dlimind d e l a s o l u t i o n s o l i d e par e f f e t t h e m i q u e t a n d i s qu'un transp o r t i n v e r s e du f e r s e p r o d u i t sous l ' e f f e t d e s c o n t r a i n t e s ddveloppdes par l e f r o t t e m e n t . Ndanmoins, l e s f o r t e s c o n c e n t r a t i o n s trouvges pour Fe e t Cu en couche
ne peuvent correspondre
SOUS-
B l ' e x i s t e n c e d'un nouvel a l l i a g e formant une
s e u l e s o l u t i o n s o l i d e , comme l e montre l e diagramme d ' d q u i l i b r e Fe-Cu. Ces conc e n t r a t i o n s moyennes ne peuvent Str,e que l ' e x p r e s s i o n de couches composites f o r mdes d e d e w s o l u t i o n s s o l i d e s , l ' u n e r i c h e en c u i v r e , l ' a u t r e r i c h e en f e r
(5 l ' d t a i n e t au carbone p r s s ) . Couple Cuivre-Nickel La f i g u r e 2 montre un mors en c u i v r e surmontd d'une couche de t r a n s f e r t a p r e s un e s s a i d e 15 minutes. L'analyse
B l a microsonde montre une premiere zone r i c h e
en n i c k e l , p u i s une succession d e couches p l u s ou moins e n r i c h i e s en N i .
672
Fig. 2 . Vue en coupe (X800) d'un mors e n c u i v r e recouvert d'une couche d e t r a n s f e r t d e N i (A') e t d'une souscouche d e composition h l t l r o g h e (B').
Enfin, dans l e s couches profondes, B l ' i n t l r i e u r du c u i v r e , l a c o n c e n t r a t i o n en n i c k e l d l c r o i t r l g u l i e r e m e n t 1 d e s niveaux beaucoup p l u s f a i b l e s . (Fig. 3 ) .
cu
F i g . 3. Evolution d e la c o n c e n t r a t i o n en Nickel d e p u i s l a couche d e t r a n s f e r t v e r s l e c u i v r e .
573 L ' a l l u r e g d n d r a l e d ' u n t e l p r o f i l d e p d n d t r a t i o n n ' a t o u t d ' a b o r d r i e n de compar a b l e avec c e l u i que l ' o n o b t i e n t h a b i t u e l l e m e n t d a n s un c o u p l e d e d i f f u s i o n c l a s s i q u e pour deux mdtaux t o t a l e m e n t s o l u b l e s , c o m e l e s o n t l e c u i v r e e t l e n i c k e l . De p l u s , un c a l c u l approchd du c o e f f i c i e n t d e d i f f u s i o n du n i c k e l d a n s l e c u i v r e correspondant a u g r a d i e n t monotone obtenu d a n s l e s couches profondes d e c u i v r e -9 2 -1 (par l a mdthode d e HALL ( r e f . 5) donne une v a l e u r d g a l e 1 D = 3.10 cm s Un
.
t e l c o e f f i c i e n t de d i f f u s i o n Cquivaudrait, d'aprhs l a l i t t d r a t u r e ( r e f . 6 ) , un t r a n s p o r t s ' e f f e c t u a n t b une t e m p s r a t u r e p a r t i c u l i h r e m e n t dlevde
( 2 1300"
2 C),
d d p a s s a n t d e l o i n l a t e m p e r a t u r e d e f u s i o n du c u i v r e , c e q u i n e s'est p a s p r o d u i t .
I1 e s t donc n e c e s s a i r e , c o m e pour l e c a s prdcddent, d e r e c h e r c h e r un ndcanisme d i f f 6r e n t
.
INTERPRETATION DES RESULTATS Nous venons d e v o i r l e c a r a c t h r e chimiquement anormal (au s e n s d e s diagrammes
d ' d q u i l i b r e ) d e l a couche d e t r a n s i t i o n pour l e s deux t y p e s d e c o u p l e s d e f r o t tement d t u d i d s : Dans l e c a s oii l a s o l u b i l i t d e s t f a i b l e , i l semble a p p a r a i t r e un a l l i a g e h o r s d ' d q u i l i b r e ; d a n s l e c a s oh l a s o l u b i l i t d e s t t o t a l e , il e x i s t e dans c e t t e zone d e s couches hdt8roghnes d e c o n c e n t r a t i o n v a r i a b l e . Ces r d s u l t a t s l a i s s e n t penser q u ' i l s s o n t l a consequence f i n a l e d ' u n e f f e t d e f a t i g u e s u p e r f i c i e l l e i n d u i s a n t d a n s l e s sous-couches d e s deux a n t a g o n i s t e s une accumulation d e d d f a u t s l o r s d e l a ddformation p l a s t i q u e , p u i s une f i s s u r a t i o n d e c e s couches. RUOFF e t BALUFFI ( 7 ) o n t montrd que l ' o n p e u t imaginer, p a r un e f f e t d e " d i f f u s i o n mdcanique" un mdlange p r o g r e s s i f d e c e s couches p l a s t i f i d e s qui a r r i v e n t b l a rupture e t qui adhhrent 2 l ' a n t a g o n i st e
(Fig. 4 ) .
Le mdcanisme e s t donc t o u t 3 f a i t semblable 3 un e f f e t d'extrusions-intrusions" b i e n connu en f a t i g u e ( s u r t o u t pour d e s mdtaux mous, comme l e c u i v r e ou l e n i c k e l ) e t 1 l ' e f f e t d e coupe d e c e s couches en r e l i e f , donnant a i n s i un mdlange a l t e r n d d e s deux c o r p s i n i t i a u x . Pendant l e f r o t t e m e n t , sous l ' e f f e t d e s d l d v a t i o n s l o c a l e s d e tempdratures, on p e u t a s s i s t e r 1 une r e d i s s o l u t i o n d e c e s "sandwiches'' p a r exemple pour l e n i c k e l dans l e c u i v r e ( q u i o n t une s o l u b i l i t d r d c i p r o q u e t o t a l e ) . C e t t e r e d i s s o l u t i o n d a n s les couches profondes n e p e u t t o u t e f o i s s ' i n t e r p r d t e r p a r un simple mdcanisme d e d i f f u s i o n thermique ( q u i d e v r a i t c o n d u i r e 2 l ' d t a t l i q u i d e , au vue d e l a v a l e u r t r o u v d e pour D) ; il f a u t donc d a n s c e c a s t e n i r compte d e s d d f a u t s d'dc r o u i s s a g e en profondeur l o r s du f r o t t e m e n t , b d e s e f f e t s d e c o u r t - c i r c u i t s d e t r a n s p o r t atomique par c e s d d f a u t s ( r e f . 8 , 9 , l o ) , t o u t en l e s a s s o c i a n t l ' e f f e t thermique p r o d u i t l o r s du f r o t t e m e n t .
B
574
\ \
Ni
\ \'Ni
--aFig. 4
. a) modPle de RUOFF pour une zone sollicitse plastiquement en surface. b) effet d'extrusion sur le nickel et usure abrasive du cuivre par effet de coupe.
c) stade ultdrieur montrant une fissuration de la zone extrudde du Ni par fatigue puis adhdsion par pression et translation de cette zone sur le cuhre, le phdnomhe pouvant se rdpster alternativement. CONCLUSION L'dtude du troisiPme corps form6 dans des conditions sdvPres de frottement sec pour des antagonistes ayant une faible ou une forte solubilitd totale B 1'6tat solide a montrd qu'il se forme ici, outre une couche de debris complexe d'oxyde favorisant le frottement, des sous-couches intermdtalliques dont la composition et l'dvolution des gradients chimiques ne refldtent pas un simple effet de diffusion thermique conformes aux diagrammes d'dquilibre. Tant sur un couple B faible solubilitd (acier-bronze) que sur un couple 3
so-
lubilitd totale (Cu-Ni), ces couches de transition semblent correspondre B une accumulation de bandes alternees des deux antagonistes ; On observe en plus une redissolution partielle de cette couche du cat6 du substrat par effet thermique lorsque la solubilitd est importante. Le modele de RUOFF et BALUFFI nous semble tout 3 fait adapts aux exemples de frottement que nous avons ddcrits.
575 REFERENCES 1 C. Amsallem, J.J. Caubet, Wear
12. (1968)
257
- 276.
D. Michalon, F. GEbert, A. G o n h , J.J. Caub'et, Mem. T e c h . CET'IM no 4 (1970) p. 71
-
95.
2 A. H e u r t e l , T G s e Docteur-Ingdnieur Lyon I (1973) n* 121 3 M. Aucouturier, P. Guiraldenq,XIXB Colloque d e M d t a l l u r g i e S p d c i a l e Saclay j u i n 1976, "La D i f f u s i o n dans les m i l i e u x condensds" Ed. CEN Saclay Vol. 11, p. 1099. 4 Machine F a v i l l e c o n s t r u i t e par HydromScanique e t Frottement-Bouthdon-Andrdzieux
42160 France. 5 Y. Adda, J. P h i l i b e r t , " L a D i f f u s i o n d a n s les Solides:' P r e s s e s Univ. d e France, P a r i s , 1966, p. 151
-
152.
6 M.S. Anand, S.P. Murarka, R.P. Agarwala, 2, J. of Appl. Phys. 3860. 7 A.L. Ruoff, J. of Appl. Phys. 2 (1967) 3999 4003. 8 R.W. B a l l u f f i , A.L. Ruoff, J. of Appl. Phys. 2 (1963) 1634 1647. 34 (1963) 1848 1853. 9
-
10
-
-
-
-
34 (1963) 2862 - 2872. -
576 DISCUSSION
-
Tixier 1. Comment imaginez-vous l a structure de l a couche form& dans le cas d u u p l e acier/bronze correspondant B l a Composition anormale pour une solution solide (52 % Fe 45 % Cu) ? 2. Avez-vous dose I'oxyghne ?
-
Guiraldenq
-
1. C e t t e composition est effectivement, comme nous I'avons dit, sans aucun rapport avec l a possibilite de solubilite B I't5tat solide que I'on connait par le diagramme d'bquilibre Fe-Cu. I1 faut donc admettre que l a composition que nous avons identifiee 3
ne correspond qu'B une moyenne d'analyse (sur quelques m ) obtenue sur un agglomerat de debris qui se sont soudes entre eux sous I'effet de l a pression e t de l a temperature. Nous pensons que c e t agglomerat est comparable B un materiau f r i t t 6 issu d'une poudre formbe de debris venant des deux antagonistes. I1 serait interessant de verifier cette hypothese par des observations sur lames minces au microscope klectronique. 2. Oui, des images X correspondant A I'oxygene ont Bt6 obtenues sur le Carebax dans les zones analysees. En particulier pour les couches concernant l e bronze, I'oxygene apparait l e plus accumule au niveau des fissures, Figure 1, entre A e t B. L a zone C s'est Bgalement legerement enrichie en oxyghne mais ceci n'est que qualitatif. Les essais &ant effectues B Pair, il est normal que les couches de transfert aient accumule e t emprisonne de I'oxyghne. Vonstebut - Avez-vous une id6e des temperatures atteintes ? Quelles sont les pressions locales exercees ? Guiraldenq - Par des mesures semi-quantitatives 21 I'aide dindicateurs colores, nous avons not6 des temperatures pouvant aller en surface jusqu'B 700° C. I1 est evident que, pour chaque aiitagoniste, il existera avant l a formation du debris un mode de deformation plastique qui l u i est propre e t qui depend de son comportement L chaud vis B vis du fluage. Ainsi, les effets de deformation doivent &re differents entre l e cuivre e t l e nickel (T/Tf) n'Btant pas dans le m@merapport, T &ant l a temperature f de fusion, T l a temperature dessai). Nous pensons que les pressions locales s'exercant ainsi dans l e materiau, au voisinage de l a surface, doivent &re d i f f iciles Bcalculer, compte tenu de I'h6t6rog6n6it6 de l a structure e t de son Bvolution B tout instant). De plus, au meme t i t r e que pour le fluage, l e rapport T/Tf est important B considerer pour les effets de diffusion A I'btat solide :ainsi, alors que des couches de cuivre portees B 700° C seront essentiellement I'objet de phenomhnes de diffusion en volume (Bulk), l a m@metemperature ne sera capable, pour des couches Bquivalentes de nickel, que de declancher des phenomhnes de diffusion aux joints de grains (grains boundaries) ou dans les defauts align& (T/Tf plus petit). L e s processus de diffusion seront donc trhs differents entre antagonistes. Georges - 1. Pourriez-vous donner plus de details sur le modele de Ruoff e t sur son application au cas que vous avez t r a i t 6 ? 2. Avez-vous observe que les surfaces prennent un p r o f i l ondul6 ? Guiraldenq
-
1. Comm- nous I'avons signale, le schema de Ruoff est tout B f a i t comparable
A celui que I'm utilise en fatigue pour expliquer I'amorcage des premieres fissures superfi-
cielles par l a formation dl'intrusions-extrusions". C e schema, quoique simpliste, a I'avantage
d e montrer qu'il est possible d e declancher par des e f f e t s d e "rugosit6 superficielle" associee aux premiers glissements (les bandes d e deformation ayant dans le cas du cuivre d e s largeurs d e quelques micrombtres) un e f f e t d e coupe que nous avons s c h e m a t i s e sur la figure 4b (I'outil &ant 1"'extrusion" d e nickel et le copeau &ant form6 du c b t 6 d e I'antagoniste le plus plastique, B savoir le cuivre). Ce processus peut ensuite a u niveau des lamelles extrudees d e nickel e n t r a i n e r un e f f e t d e fatigue et une fissuration d e ces lamelles (marquee en pointill& sur le schema), qui viennent B leur tour, aprbs rupture, et sous I'effet d e la pression, "beurrer" la surface du cuivre. On peut imaginer w e l e processus peut ensuite s'inverser, des llcopeauxll t r h s Bcrouis d e cuivre venant a t t a q u e r la surface du nickel dans d e s zones non encore sevhrement plastifiees, etc On aurait ainsi dans l e temps des "beurrages" alternes et une "s6dimentation" d e debris d e nickel et d e cuivre, conduisant A d e s evolutions d e concentrations comparables A celle que nous avons pr6sentee figure 3. En ce qui concerne le modble de Ruoff (figure 4a), dvidemment trbs simple, il s e r a i t important d e tenir c o m p t e des e f f e t s d e t e m p e r a t u r e s sur la deformation plastique. Ainsi, en t o u t e rigueur, l e schema devrait plutbt m e t t r e e n Bvidence des bandes decrouissage courbes et des reseaux possibles d e polygonisation. 2. Effectivement, dans cet essai d e f r o t t e m e n t et dusure, et pour des materiaux metalliques t r b s plastifiables, on observe a p r h f r o t t e m e n t une ondulation periodique d e l a surface, t r b s caracteristique. Nous avons note t o u t particulibrement cet e f f e t sur les aciers inoxydables austenitiques et austenoferritiques (MBtaux et Consti. no 649 (1979) Sept. p. 291). NOUS pensons que cette ondulation est A r a t t a c h e r au processus d u s u r e correspondant B d e s alternance's d e plastification et d e durcissement d e s 2 antagonistes dans la formation des debris. L'Bvolution periodique du profil d e l a s u r f a c e est Me, suivant les conditions mecaniques (vitesse, pression) aux modes d e deformation aux zones Bcrouies et fissurees et B l a taille des debris.
EFFETS DE DIFFUSION DANS DES CONDITIONS SEVERES DE FROTTEMENT SEC ENTRE ANTAGONISTES METALLIQUES. S. FAYEULLE, D.
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During d r y f r i c t i o n under s e v e r e c o n d i t i o n s ( s t r e s s e s , speed, e t c ...) t r a n s p o r t phenomena between t h e two a n t a g o n i s t s is observed and modify t h e n a t u r e of t h e contact. This e f f e c t i s p r e s e n t , not o n l y a t t h e s u r f a c e b u t , f o r very c l a s s i c a l systems, over a t h i c k l a y e r corresponding t o a new m a t e r i a l , having d i f f e r e n t t r i b o l o g i c a l properties. This t r a n s p o r t has been analyzed w i t h two t y p i c a l c a s e s :
- between -
two pure metals (copper and n i c k e l )
between two a l l o y s (carbon s t e e l and bronze)
After f r i c t i o n , t r a n s p o r t of elements i s d e t e c t e d by e l e c t r o n microanalysis and observed over a wide t h i c k n e s s ( 1 0 t o 50 pm). A conclusion i s t h a t t h i s process cannot be explained only by t h e s o l u b i l i t y r u l e and t h e thermal d i f f u s i o n . The model of Ruoff and B a l u f f i , based on t h e "mechanical d i f f u s i o n ' ' process,
i s a b e s t way t o explay t h e experimental r e s u l t s .
INTRODUCTION L e s couches s u p e r f i c i e l l e s d e matdriaux en c o n t a c t l o r s d'un f r o t t e m e n t sec
sont l e
s i e g e d e c o n t r a i n t e s dlevdes e t d e f o r t e s d l d v a t i o n s de tempBratures.
Ces deux phdnomhnes provoquent une m u l t i p l i c a t i o n d e s d d f a u t s d'dcrouissage,
aug-
mentent l a p l a s t i c i t d d e s couches s u p e r f i c i e l l e s e t l a i s s e supposer l ' e x i s t e n c e d'un Pcoulement d e matiere important conduisant B l ' e x i s t e n c e de processus d i f f u s i o n n e l s . C e r t a i n s r d s u l t a t s o n t dBja dtd i n t e r p r d t B s dans c e sen6 ( r e f s 1-2-3). Nous avons pour n o t r e p a r t t e n t 6 de m e t t r e en gvidence de t e l s e f f e t s en u t i l i s a n t
l a microsonde de Castaing sur des couples de f r o t t e m e n t p r d c i s : 1) f r o t t e m e n t e n t r e deux mdtaux purs : Cuivre e t Nickel 2) f r o t t e m e n t e n t r e deux a l l i a g e s : un a c i e r A60 r e c u i t e t un bronze Bcroui
t y p e UE 12 2 1
570 Le choix d e c e s matdriaux rdpond 1 l a f o i s 1 un s o u c i s d ' d t u d e d e s mdcanismes dl6mentaires s u r d e s s t r u c t u r e s c r i s t a l l i n e s simples e t a u s s i 1 un c a s c o n c r e t u t i l i s d en p r a t i q u e courante. De p l u s , l ' e f f e t de s o l u b i l i t d 1 l ' b t a t s o l i d e , paramstre t r i b o l o g i q u e important, q u i e s t t o t a l pour l e systsme Cu-Ni,
est faible
sur l e couple acier-bronze. TECHNIQUES EXPERIMENTALES CHOISIES
:
Les e s s a i s de f r o t t e m e n t o n t dtd r d a l i s d s 1 l ' a i r s u r une machine F a v i l l e q u i permet une approche simple du comportement d e s matdriaux, f a c e au grippage e t
B l ' u s u r e ( r d f . 4 ) . L e c o n t a c t e s t a s s u r e e n t r e un c y l i n d r e t o u r n a n t sur lui-mlme e t deux mors plans, symdtriques par r a p p o r t a u c y l i n d r e . Cew-ci o n t dtd c h o i s i s
de prdfdrence aux t r a d i t i o n n e l s mors t a i l l d s en V car i l s permettent de r d a l i s e r d e s e s s a i s p l u s longs t o u t en Bvitant une accumulation p a r a s i t e d e s d d b r i s . Les e f f o r t s appliquds par l ' i n t e r m b d i a i r e d e s mors o n t v a r i d e n t r e 400 e t 2000 N , l a v i t e s s e l i n d a i r e d e r o t a t i o n du c y l i n d r e d t a n t comprise e n t r e 0,06 m / s e t 0,24 m f s . Rappelons a u s s i que t o u s c e s e s s a i s o n t d t d e f f e c t u d s sans l u b r i f i c a t i o n . COMPORTEMENT MECANIQUE DES DIFFERENTS MATERIAUX LORS DES ESSAIS
Couple a c i e r ( c y l i n d r e l - bronze (mors) Par f r o t t e m e n t , on observe un Bchauffement r a p i d e car l e c y l i n d r e se recouvre d'une couche d'abord rouge, b l e u t d e , e n f i n b l m o s e . I1 a p p a r a i t e n s u i t e au bout de quelques minutes une couche n o i r e de p a r t i c u l e s tres f i n e s , q u i sont magn6tiques e t qui correspondent, par d i f f r a c t i o n X,
B un melange Feg03, Feg04. Le f r o t -
tement s e p o u r s u i t e n s u i t e dans d e s c o n d i t i o n s s t a b l e s , avec une f a i b l e usure. L'analyse p o n c t u e l l e e t l a c a r a c t h r i s a t i o n des.mors en bronze o n t b t d e f f e c t u d e s a p r s s c e t t e phase de f r o t t e m e n t s t a b l e ( t = 30 minutes). Couple Cuivre (mors)
-
nickel (cylindre)
Le ddroulement d e s e s s a i s e s t t r S s semblable au c a s prdcddent avec cuivrage du c y l i n d r e en n i c k e l e t a p p a r i t i o n d'oxydes de c u i v r e . L ' e s s a i , p o u r s u i v i pend a n t 15 mn, permet e n s u i t e de r e c u e i l l i r sur l e s mors d e s amas importants d e frottement analysds s u i v a n t d e s coupes p e r p e n d i c u l a i r e s a u c o n t a c t . ETUDE DU TROISIEME CORPS FORME
Couple acier-bronze La f i g u r e I montre un mors de bronze a p r s s f r o t t e m e n t recouvert d'une couche n o i r e fortement perturbde. L'analyse amas d'oxyde complexe (Cu
-
Sn
-
Fe
B l a microsonde, o u t r e l a presence d'un
-
0) dans l e s zones l e s p l u s s u p e r f i c i e l l e s ,
montre l ' e x i s t e n c e en sous-couche de deux zones : 1 ) une couche de t r a n s f e r t correspondant
B l'acier
671 2) une deuxiSme couche d ' d p a i s s e u r moyenne 10 Fe = 52,6 % at.
Cu
9
44,7% a t
Sn
vm,
d e composition moyenne :
2,7% a t .
F i g . 1 . Vue en coupe (XSOO) d'un mors en bronze a p r h essai montrant les d d b r i s d'oxyde (A) s u p e r f i c i e l s , une couche d e t r a n s f e r t d e l ' a c i e r ( B ) , une sous-couche Fe-Cu-Sn (C).
Cette deuxisme couche r d s u l t e trss nettement d'un double phdnomhe d e d i f f u s i o n :
d i f f u s i o n du f e r d e l ' a c i e r A 60 dans l e bronze, appauvrissement en S t a i n de l a couche s u p e r f i c i e l l e du bronze i n i t i a l . A i n s i l ' d t a i n , q u i e s t l'dldment l e p l u s f d s i b k e s t dlimind d e l a s o l u t i o n s o l i d e par e f f e t t h e m i q u e t a n d i s qu'un transp o r t i n v e r s e du f e r s e p r o d u i t sous l ' e f f e t d e s c o n t r a i n t e s ddveloppdes par l e f r o t t e m e n t . Ndanmoins, l e s f o r t e s c o n c e n t r a t i o n s trouvges pour Fe e t Cu en couche
ne peuvent correspondre
SOUS-
B l ' e x i s t e n c e d'un nouvel a l l i a g e formant une
s e u l e s o l u t i o n s o l i d e , comme l e montre l e diagramme d ' d q u i l i b r e Fe-Cu. Ces conc e n t r a t i o n s moyennes ne peuvent Str,e que l ' e x p r e s s i o n de couches composites f o r mdes d e d e w s o l u t i o n s s o l i d e s , l ' u n e r i c h e en c u i v r e , l ' a u t r e r i c h e en f e r
(5 l ' d t a i n e t au carbone p r s s ) . Couple Cuivre-Nickel La f i g u r e 2 montre un mors en c u i v r e surmontd d'une couche de t r a n s f e r t a p r e s un e s s a i d e 15 minutes. L'analyse
B l a microsonde montre une premiere zone r i c h e
en n i c k e l , p u i s une succession d e couches p l u s ou moins e n r i c h i e s en N i .
672
Fig. 2 . Vue en coupe (X800) d'un mors e n c u i v r e recouvert d'une couche d e t r a n s f e r t d e N i (A') e t d'une souscouche d e composition h l t l r o g h e (B').
Enfin, dans l e s couches profondes, B l ' i n t l r i e u r du c u i v r e , l a c o n c e n t r a t i o n en n i c k e l d l c r o i t r l g u l i e r e m e n t 1 d e s niveaux beaucoup p l u s f a i b l e s . (Fig. 3 ) .
cu
F i g . 3. Evolution d e la c o n c e n t r a t i o n en Nickel d e p u i s l a couche d e t r a n s f e r t v e r s l e c u i v r e .
573 L ' a l l u r e g d n d r a l e d ' u n t e l p r o f i l d e p d n d t r a t i o n n ' a t o u t d ' a b o r d r i e n de compar a b l e avec c e l u i que l ' o n o b t i e n t h a b i t u e l l e m e n t d a n s un c o u p l e d e d i f f u s i o n c l a s s i q u e pour deux mdtaux t o t a l e m e n t s o l u b l e s , c o m e l e s o n t l e c u i v r e e t l e n i c k e l . De p l u s , un c a l c u l approchd du c o e f f i c i e n t d e d i f f u s i o n du n i c k e l d a n s l e c u i v r e correspondant a u g r a d i e n t monotone obtenu d a n s l e s couches profondes d e c u i v r e -9 2 -1 (par l a mdthode d e HALL ( r e f . 5) donne une v a l e u r d g a l e 1 D = 3.10 cm s Un
.
t e l c o e f f i c i e n t de d i f f u s i o n Cquivaudrait, d'aprhs l a l i t t d r a t u r e ( r e f . 6 ) , un t r a n s p o r t s ' e f f e c t u a n t b une t e m p s r a t u r e p a r t i c u l i h r e m e n t dlevde
( 2 1300"
2 C),
d d p a s s a n t d e l o i n l a t e m p e r a t u r e d e f u s i o n du c u i v r e , c e q u i n e s'est p a s p r o d u i t .
I1 e s t donc n e c e s s a i r e , c o m e pour l e c a s prdcddent, d e r e c h e r c h e r un ndcanisme d i f f 6r e n t
.
INTERPRETATION DES RESULTATS Nous venons d e v o i r l e c a r a c t h r e chimiquement anormal (au s e n s d e s diagrammes
d ' d q u i l i b r e ) d e l a couche d e t r a n s i t i o n pour l e s deux t y p e s d e c o u p l e s d e f r o t tement d t u d i d s : Dans l e c a s oii l a s o l u b i l i t d e s t f a i b l e , i l semble a p p a r a i t r e un a l l i a g e h o r s d ' d q u i l i b r e ; d a n s l e c a s oh l a s o l u b i l i t d e s t t o t a l e , il e x i s t e dans c e t t e zone d e s couches hdt8roghnes d e c o n c e n t r a t i o n v a r i a b l e . Ces r d s u l t a t s l a i s s e n t penser q u ' i l s s o n t l a consequence f i n a l e d ' u n e f f e t d e f a t i g u e s u p e r f i c i e l l e i n d u i s a n t d a n s l e s sous-couches d e s deux a n t a g o n i s t e s une accumulation d e d d f a u t s l o r s d e l a ddformation p l a s t i q u e , p u i s une f i s s u r a t i o n d e c e s couches. RUOFF e t BALUFFI ( 7 ) o n t montrd que l ' o n p e u t imaginer, p a r un e f f e t d e " d i f f u s i o n mdcanique" un mdlange p r o g r e s s i f d e c e s couches p l a s t i f i d e s qui a r r i v e n t b l a rupture e t qui adhhrent 2 l ' a n t a g o n i st e
(Fig. 4 ) .
Le mdcanisme e s t donc t o u t 3 f a i t semblable 3 un e f f e t d'extrusions-intrusions" b i e n connu en f a t i g u e ( s u r t o u t pour d e s mdtaux mous, comme l e c u i v r e ou l e n i c k e l ) e t 1 l ' e f f e t d e coupe d e c e s couches en r e l i e f , donnant a i n s i un mdlange a l t e r n d d e s deux c o r p s i n i t i a u x . Pendant l e f r o t t e m e n t , sous l ' e f f e t d e s d l d v a t i o n s l o c a l e s d e tempdratures, on p e u t a s s i s t e r 1 une r e d i s s o l u t i o n d e c e s "sandwiches'' p a r exemple pour l e n i c k e l dans l e c u i v r e ( q u i o n t une s o l u b i l i t d r d c i p r o q u e t o t a l e ) . C e t t e r e d i s s o l u t i o n d a n s les couches profondes n e p e u t t o u t e f o i s s ' i n t e r p r d t e r p a r un simple mdcanisme d e d i f f u s i o n thermique ( q u i d e v r a i t c o n d u i r e 2 l ' d t a t l i q u i d e , au vue d e l a v a l e u r t r o u v d e pour D) ; il f a u t donc d a n s c e c a s t e n i r compte d e s d d f a u t s d'dc r o u i s s a g e en profondeur l o r s du f r o t t e m e n t , b d e s e f f e t s d e c o u r t - c i r c u i t s d e t r a n s p o r t atomique par c e s d d f a u t s ( r e f . 8 , 9 , l o ) , t o u t en l e s a s s o c i a n t l ' e f f e t thermique p r o d u i t l o r s du f r o t t e m e n t .
B
574
\ \
Ni
\ \'Ni
--aFig. 4
. a) modPle de RUOFF pour une zone sollicitse plastiquement en surface. b) effet d'extrusion sur le nickel et usure abrasive du cuivre par effet de coupe.
c) stade ultdrieur montrant une fissuration de la zone extrudde du Ni par fatigue puis adhdsion par pression et translation de cette zone sur le cuhre, le phdnomhe pouvant se rdpster alternativement. CONCLUSION L'dtude du troisiPme corps form6 dans des conditions sdvPres de frottement sec pour des antagonistes ayant une faible ou une forte solubilitd totale B 1'6tat solide a montrd qu'il se forme ici, outre une couche de debris complexe d'oxyde favorisant le frottement, des sous-couches intermdtalliques dont la composition et l'dvolution des gradients chimiques ne refldtent pas un simple effet de diffusion thermique conformes aux diagrammes d'dquilibre. Tant sur un couple B faible solubilitd (acier-bronze) que sur un couple 3
so-
lubilitd totale (Cu-Ni), ces couches de transition semblent correspondre B une accumulation de bandes alternees des deux antagonistes ; On observe en plus une redissolution partielle de cette couche du cat6 du substrat par effet thermique lorsque la solubilitd est importante. Le modele de RUOFF et BALUFFI nous semble tout 3 fait adapts aux exemples de frottement que nous avons ddcrits.
575 REFERENCES 1 C. Amsallem, J.J. Caubet, Wear
12. (1968)
257
- 276.
D. Michalon, F. GEbert, A. G o n h , J.J. Caub'et, Mem. T e c h . CET'IM no 4 (1970) p. 71
-
95.
2 A. H e u r t e l , T G s e Docteur-Ingdnieur Lyon I (1973) n* 121 3 M. Aucouturier, P. Guiraldenq,XIXB Colloque d e M d t a l l u r g i e S p d c i a l e Saclay j u i n 1976, "La D i f f u s i o n dans les m i l i e u x condensds" Ed. CEN Saclay Vol. 11, p. 1099. 4 Machine F a v i l l e c o n s t r u i t e par HydromScanique e t Frottement-Bouthdon-Andrdzieux
42160 France. 5 Y. Adda, J. P h i l i b e r t , " L a D i f f u s i o n d a n s les Solides:' P r e s s e s Univ. d e France, P a r i s , 1966, p. 151
-
152.
6 M.S. Anand, S.P. Murarka, R.P. Agarwala, 2, J. of Appl. Phys. 3860. 7 A.L. Ruoff, J. of Appl. Phys. 2 (1967) 3999 4003. 8 R.W. B a l l u f f i , A.L. Ruoff, J. of Appl. Phys. 2 (1963) 1634 1647. 34 (1963) 1848 1853. 9
-
10
-
-
-
-
34 (1963) 2862 - 2872. -
576 DISCUSSION
-
Tixier 1. Comment imaginez-vous l a structure de l a couche form& dans le cas d u u p l e acier/bronze correspondant B l a Composition anormale pour une solution solide (52 % Fe 45 % Cu) ? 2. Avez-vous dose I'oxyghne ?
-
Guiraldenq
-
1. C e t t e composition est effectivement, comme nous I'avons dit, sans aucun rapport avec l a possibilite de solubilite B I't5tat solide que I'on connait par le diagramme d'bquilibre Fe-Cu. I1 faut donc admettre que l a composition que nous avons identifiee 3
ne correspond qu'B une moyenne d'analyse (sur quelques m ) obtenue sur un agglomerat de debris qui se sont soudes entre eux sous I'effet de l a pression e t de l a temperature. Nous pensons que c e t agglomerat est comparable B un materiau f r i t t 6 issu d'une poudre formbe de debris venant des deux antagonistes. I1 serait interessant de verifier cette hypothese par des observations sur lames minces au microscope klectronique. 2. Oui, des images X correspondant A I'oxygene ont Bt6 obtenues sur le Carebax dans les zones analysees. En particulier pour les couches concernant l e bronze, I'oxygene apparait l e plus accumule au niveau des fissures, Figure 1, entre A e t B. L a zone C s'est Bgalement legerement enrichie en oxyghne mais ceci n'est que qualitatif. Les essais &ant effectues B Pair, il est normal que les couches de transfert aient accumule e t emprisonne de I'oxyghne. Vonstebut - Avez-vous une id6e des temperatures atteintes ? Quelles sont les pressions locales exercees ? Guiraldenq - Par des mesures semi-quantitatives 21 I'aide dindicateurs colores, nous avons not6 des temperatures pouvant aller en surface jusqu'B 700° C. I1 est evident que, pour chaque aiitagoniste, il existera avant l a formation du debris un mode de deformation plastique qui l u i est propre e t qui depend de son comportement L chaud vis B vis du fluage. Ainsi, les effets de deformation doivent &re differents entre l e cuivre e t l e nickel (T/Tf) n'Btant pas dans le m@merapport, T &ant l a temperature f de fusion, T l a temperature dessai). Nous pensons que les pressions locales s'exercant ainsi dans l e materiau, au voisinage de l a surface, doivent &re d i f f iciles Bcalculer, compte tenu de I'h6t6rog6n6it6 de l a structure e t de son Bvolution B tout instant). De plus, au meme t i t r e que pour le fluage, l e rapport T/Tf est important B considerer pour les effets de diffusion A I'btat solide :ainsi, alors que des couches de cuivre portees B 700° C seront essentiellement I'objet de phenomhnes de diffusion en volume (Bulk), l a m@metemperature ne sera capable, pour des couches Bquivalentes de nickel, que de declancher des phenomhnes de diffusion aux joints de grains (grains boundaries) ou dans les defauts align& (T/Tf plus petit). L e s processus de diffusion seront donc trhs differents entre antagonistes. Georges - 1. Pourriez-vous donner plus de details sur le modele de Ruoff e t sur son application au cas que vous avez t r a i t 6 ? 2. Avez-vous observe que les surfaces prennent un p r o f i l ondul6 ? Guiraldenq
-
1. Comm- nous I'avons signale, le schema de Ruoff est tout B f a i t comparable
A celui que I'm utilise en fatigue pour expliquer I'amorcage des premieres fissures superfi-
cielles par l a formation dl'intrusions-extrusions". C e schema, quoique simpliste, a I'avantage
d e montrer qu'il est possible d e declancher par des e f f e t s d e "rugosit6 superficielle" associee aux premiers glissements (les bandes d e deformation ayant dans le cas du cuivre d e s largeurs d e quelques micrombtres) un e f f e t d e coupe que nous avons s c h e m a t i s e sur la figure 4b (I'outil &ant 1"'extrusion" d e nickel et le copeau &ant form6 du c b t 6 d e I'antagoniste le plus plastique, B savoir le cuivre). Ce processus peut ensuite a u niveau des lamelles extrudees d e nickel e n t r a i n e r un e f f e t d e fatigue et une fissuration d e ces lamelles (marquee en pointill& sur le schema), qui viennent B leur tour, aprbs rupture, et sous I'effet d e la pression, "beurrer" la surface du cuivre. On peut imaginer w e l e processus peut ensuite s'inverser, des llcopeauxll t r h s Bcrouis d e cuivre venant a t t a q u e r la surface du nickel dans d e s zones non encore sevhrement plastifiees, etc On aurait ainsi dans l e temps des "beurrages" alternes et une "s6dimentation" d e debris d e nickel et d e cuivre, conduisant A d e s evolutions d e concentrations comparables A celle que nous avons pr6sentee figure 3. En ce qui concerne le modble de Ruoff (figure 4a), dvidemment trbs simple, il s e r a i t important d e tenir c o m p t e des e f f e t s d e t e m p e r a t u r e s sur la deformation plastique. Ainsi, en t o u t e rigueur, l e schema devrait plutbt m e t t r e e n Bvidence des bandes decrouissage courbes et des reseaux possibles d e polygonisation. 2. Effectivement, dans cet essai d e f r o t t e m e n t et dusure, et pour des materiaux metalliques t r b s plastifiables, on observe a p r h f r o t t e m e n t une ondulation periodique d e l a surface, t r b s caracteristique. Nous avons note t o u t particulibrement cet e f f e t sur les aciers inoxydables austenitiques et austenoferritiques (MBtaux et Consti. no 649 (1979) Sept. p. 291). NOUS pensons que cette ondulation est A r a t t a c h e r au processus d u s u r e correspondant B d e s alternance's d e plastification et d e durcissement d e s 2 antagonistes dans la formation des debris. L'Bvolution periodique du profil d e l a s u r f a c e est Me, suivant les conditions mecaniques (vitesse, pression) aux modes d e deformation aux zones Bcrouies et fissurees et B l a taille des debris.