Tribologie/Facteurs de frottement

Définitions

Les facteurs de frottement et d'adhérence (on dit aussi coefficients de frottement et d'adhérence) sont définis dans ce chapitre du livre.

Lorsque des efforts normaux sont transmis d'un corps à un autre essentiellement par des contacts d'aspérités, les facteurs de frottement varient typiquement de un à quelques dixièmes mais il existe beaucoup d'exceptions. Certains couples de matériaux permettent en effet d'obtenir des valeurs inhabituellement faibles, de l'ordre de quelques centièmes, tandis que d'autres procurent des valeurs beaucoup plus élevées, proches de l'unité ou même supérieures à un, en particulier dans des systèmes « fermés ». Les valeurs qui figurent dans le tableau ci-dessous relèvent de ces situations.

Les efforts normaux peuvent aussi être transmis par des couches fluides mises sous pression et cisaillées lors du mouvement. Toute adhérence disparaît alors et les valeurs du coefficient de frottement ne dépendent plus de la nature des matériaux en présence mais d'autres paramètres comme la vitesse, la pression, la viscosité et l'épaisseur de la couche fluide. Les valeurs varient alors de quelques millièmes à l'infini, puisque la déformation du fluide peut engendrer des efforts tangentiels sans que le moindre effort normal soit transmis. Ces coefficients de frottement n'ont pas leur place dans ce chapitre, leur étude relève de la technologie des guidages lisses.

Il en va de même pour les coefficients de frottement de roulement qui, rappelons-le, sont des longueurs.

Notations

D'une manière générale il est préférable d'utiliser la lettre f plutôt que la lettre µ pour désigner les facteurs de frottement. En effet, dans les systèmes faisant intervenir des fluides, µ représente la viscosité dynamique et il convient d'éviter tout mélange des genres...

Gamme de variation

Le facteur de frottement est une grandeur qui varie très fortement en fonction de très nombreux paramètres : état de surface et lubrification évidemment, mais aussi vitesse, pression, temps de maintien en charge, etc. On relève les ordres de grandeur suivants :

plus de 1	pour des surfaces dégazées dans le vide, avec parfois soudure immédiate
0,3 à 1	pour le frottement de deux métaux non préparés dans l'air, à sec
0,1 à 0,2	pour la plupart des métaux dans l'air avec les lubrifiants usuels (huile) dans le cas de la lubrification onctueuse
0,05 à 0,1	pour des surfaces préparées convenablement, lubrifiées avec du graphite, du bisulfure de molybdène ou certains acides gras
0,02 à 0,05	pour le frottement sur la glace, pour le PTFE sur lui-même sous charge suffisante à faible vitesse
0,01 à 0,001	pour les paliers lisses en régime hydrodynamique bien calculés, en l'absence de tout contact solide (par exemple, dans les anciens essieux de wagons)
0,0001	ou moins pour les guidages hydrostatiques ou aérostatiques
0,00001	ou moins encore pour les paliers magnétiques actifs
Dans ces deux derniers cas, le bilan énergétique global doit toutefois tenir compte de la puissance nécessaire à l'alimentation du palier en fluide sous pression ou en électricité

Valeurs numériques indicatives

Les valeurs qui suivent sont des ordres de grandeur donnés à titre purement indicatif. Du reste dans les documentations techniques on trouve souvent des données très divergentes.

couple de matériaux	facteur d'adhérence			facteur de frottement
	à sec	limite	onctueux	à sec	limite	onctueux
acier doux sur
acier doux (air sec)		1,2		1,2
acier doux (vapeur d'eau)				1,2
	à sec	limite	onctueux	à sec	limite	onctueux
acier mi-dur sur
acier mi-dur	0,3			0,2	0,17	0,11
acier trempé	0,2	0,17	0,14	0,17	0,15	0,1
acier, boulonnerie				0,28 à 0,43
acier, frettage par pression d'huile					0,12
acier, frettage par pression de glycérine					0,18
acier, frettage à chaud					0,14
id., surfaces dégraissées				0,2
alliages de WOOD	0,7		0,1
aluminium (alliages)				0,16	0,12	0,08
antifriction base étain		0,25		0,8	0,20	0,11
antifriction base plomb		0,25		0,55		0,10 à 0,08
bisulfure de molybdène
70 MPa					0,07
350 MPa					0,05
1 400 MPa					0,045
2 800 MPa					0,023
Le facteur de frottement est moins élevé en ambiance sèche Dans les huiles de viscosité moyenne, 1 % de bisulfure de molybdène peut diviser f par 2
acier mi-dur (suite) sur
bronze	0,35	0,18	0,1	0,3	0,1	0,08
caoutchouc				1 à 4
carbure de tungstène	0,5	0,15
chlorure de polyvinyle				0,5
cuir				0,18 à 0,35	0,12 à 0,18
cupro-plomb	0,2			0,2	0,12	0,08
fonte	0,4	0,18	0,1	0,4		0,05 à 0,1
graphite				0,1
indium en film mince			0,08
nickel (aboutit au grippage)				0,6 à 0,8
nylon				0,3
polyméthacrylate de méthyle				0,45
polystyrène				0,5
P.T.F.E.				0,05
	à sec	limite	onctueux	à sec	limite	onctueux
acier inoxydable sur
alliage léger traité Zinal				0,2
aluminium sur
aluminium (air sec)				1,9
aluminium (vapeur d'eau)				1,1
antifriction sur
antifriction	0,54			0,19
bois sur
métal	0,6 à 0,7			0,12	0,4 à 0,5	0,1
bronze sur
bronze				0,2
fonte				0,21
carbure de tungstène sur
lui-même, propre	0,2
chrome dur sur
acier	0,17			0,16
antifriction	0,15			0,13
chrome	0,14			0,12
Le chrome diminue le pouvoir mouillant des huiles par rapport à l'acier. Il est utilisable avec une lubrification à l'eau en face du cuir, des plastiques et des élastomères.
	à sec	limite	onctueux	à sec	limite	onctueux
courroies
caoutchouc sur fonte	0,4 à 0,5
textile sur fonte	0,3 à 0,5
fer sur
fer				0,4
fonte sur
cuir				0,18 à 0,35	0,12 à 0,18
fonte	1,2	0,16	0,14		0,12	0,05 à 0,1
P.T.F.E. voir acier
garnitures de freins ou d'embrayages sur
acier				0,25 à 0,35
glace ou neige sur
glace ou métaux jusqu'à -30°C				0,02 à 0,03
Le coefficient très bas est attribué à la fusion provoquée par le frottement. Ce dernier est en revanche très difficile en-dessous de - 30 à - 40 °C, le coefficient atteint alors 0,4. On explique ainsi des accidents d'avion montés sur skis atterrissant sur la banquise.
	à sec	limite	onctueux	à sec	limite	onctueux
graphite sur
graphite				0,2
Nylon sur
nylon	0,5	0,5
caoutchouc sur
verre sec	jusqu'à 2
pneumatiques sur
chaussée sèche	0,6 à 0,8
chaussée mouillée (hors aquaplaning)		0,3 à 0,4
saphir ou rubis sur
saphir				0,2
acier				0,15
si nettoyage sous vide				0,6
roues
Le frottement de roulement s'exprime par un moment M proportionnel à la charge N supportée par la roue et à une distance d qui constitue le coefficient de frottement de roulement. M = d x N, avec d de 6 à 8 mm pour des roues d'automobiles, 1 à 2 mm pour une roue de wagon, 0,497 mm pour les pneus Michelin utilisés à l'éco-marathon Shell.