Tribologie/Usure des surfaces

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L'usure est un ensemble complexe de phénomènes difficiles à interpréter, amenant une émission de débris avec perte de masse, de cote, de forme, et s'accompagnant de transformations physiques et chimiques des surfaces.

La majeure partie de cet article est consacrée à l'usure des machines, mais on y trouvera aussi des données sur les phénomènes d'usure qui concernent le monde vivant, en particulier certaines parties du corps humain comme les articulations ou les dents, ainsi que les prothèses qui parfois les remplacent lorsque l'endommagement est trop important.

Généralités

L'usure ne varie généralement pas de manière progressive en fonction de paramètres comme la vitesse, la température ou le temps. Si certaines formes d'usure sont relativement régulières, d'autres au contraire connaissent des sauts très brutaux, dans des rapports pouvant aller parfois de 1 à 100 000 ou plus, lorsque certaines valeurs critiques sont franchies.

L'usure est généralement combattue à cause de ses effets négatifs mais elle présente aussi des aspects favorables. L'affûtage d'un outil, la finition d'une surface par rectification, l'écriture de la craie sur le tableau ou du crayon sur le papier sont des exemples d'usures abrasives utiles.

À l'image des pompiers qui allument parfois des contre-feux pour mieux lutter contre un incendie, il arrive que l'on provoque sciemment certaines formes d'usure pour lutter contre d'autres formes qui seraient beaucoup plus dévastatrices. Quand il est bien conduit, le rodage d'un mécanisme, c'est-à-dire la phase de fonctionnement où les pièces « apprennent à vivre ensemble », provoque des usures qui se révéleront « protectrices » lors des phases suivantes.

La plupart du temps, l'usure globale d'un mécanisme est due à plusieurs processus qui agissent simultanément, plus rarement à un processus bien défini et identifiable. L'effet de ces actions simultanées est souvent plus important que la somme des effets que l'on produirait en faisant agir séparément les divers processus, on parle parfois de « sur-additivité ». À l'opposé, certaines formes d'usure s'excluent mutuellement : par exemple, les dents s'usent principalement par carie et par abrasion, mais ces deux processus ne coexistent absolument pas, les zones abrasées ne sont jamais cariées.

Phases de la vie d'un mécanisme

Un mécanisme passe normalement par trois phases d'usure successives :

Perte de matière par unité de temps

• l'ultime finition des surfaces lors du rodage : les actions sur les grosses aspérités diminuent avec le temps, les pics sont arasés progressivement tandis que les vallées restent intactes. Le taux d'usure et le facteur de frottement baissent, les portées s'améliorent, les films d'huile s'amincissent. Une nouvelle topographie remplace la rugosité originale de la pièce. Si l'usure se ralentit lors de la mise en fonctionnement, on constate une amélioration de l'état de surface, et réciproquement.

• la vie utile correspond au régime d'usure douce : la couche superficielle très dure qui semble se former est éliminée peu à peu sous forme de petites écailles. L'usure douce diminue la rugosité, tandis que l'usure sévère l'accroît.

• enfin, la vieillesse se caractérise par une usure sévère qui aboutit à la mise hors d'usage.

Les débris d'usure portent en eux l'histoire de leur formation et l'examen des particules de fer dans les lubrifiants, ou ferrographie, apporte de précieuses informations. Les processus d'avarie produisent des particules atteignant 0,1 mm, mais les débris d'usure douce ont moins de 15 micromètres. Même après une vidange, il y a vite équilibre dans un lubrifiant entre la production des particules et leur élimination par décantation, filtration, rétention par un bouchon magnétique ...

Types d'usure, d'après Kragelsky

Kragelsky distingue 5 types d'usure :

• la déformation élastique du matériau par les saillies du corps antagoniste a lieu si les contraintes ne dépassent pas la limite d'écoulement dans la zone de contact. L'usure n'est alors possible que par fatigue, le passage répété du corps frottant produisant des microfissures de traction perpendiculaires à la surface.

• un repoussage plastique se produit si les contraintes de contact atteignent la limite d'écoulement et si le matériau contourne les saillies du corps antagoniste. L'usure résulte dans ce cas, après un petit nombre de cycles, de la fatigue provoquée par le contact frottant.

• la microcoupe survient si les contraintes dans la zone de contact atteignent la limite de rupture ou si le contournement des saillies par le matériau déformé s'interrompt. La détérioration a lieu alors au début de l'interaction. La coupe est due aux aspérités, aux particules détachées et aux arêtes des cavités déjà formées.

• la rupture par cisaillement de l'interface de friction ne provoque pas de détériorations immédiates mais s'ajoute aux contraintes et aux déformations agissant au contact, favorisant les processus de fatigue.

• la rupture par arrachement a lieu quand la résistance de l'interface dépasse celle du matériau sous-jacent, ce qui peut conduire au grippage. Comme dans le troisième cas, l'usure intervient dès les premières étapes de l'interaction. L'adhésion des aspérités est favorisée par les déformations plastiques et le raclage des couches oxydées et contaminées.

Les nombreuses formes d'usure sont classées en plusieurs groupes :

• abrasion, déformation ou coupe par corps durs,
• adhésion, jonctions intermétalliques, microgrippages,
• corrosion, réactivité avec l'ambiance,
• corrosion de contact,
• surcontraintes provoquant des accidents brusques,
• fluage, déformation sans perte de matière,
• fatigue, endommagement sous des efforts répétés,
• phénomènes divers : cavitation, érosion, dissolution ...

L'usure comporte une part importante de réactions chimiques ; des couches superficielles chimiquement inertes peuvent parfois se révéler plus résistantes au frottement que des couches dures, surtout en présence de milieux agressifs.

Difficultés de l'étude et de l'expertise

L'usure est un phénomène évolutif et irréversible ; chaque état d'un système détruit définitivement l'état précédent, de sorte qu'il est très difficile, voire impossible, de reconstituer le passé à partir du constat d'une dégradation.

La compréhension d'un phénomène d'usure nécessite que l'on puisse enregistrer, si possible en continu, les divers paramètres permettant de caractériser l'état du système étudié au fil du temps. Malheureusement, ces paramètres sont très nombreux, on estime par exemple qu'il en faut entre 100 et 200 pour définir les seules caractéristiques géométriques d'une des surfaces frottantes ... et il faut encore caractériser l'autre surface, l'état physicochimique des matériaux sur une profondeur suffisante, l'état et la composition de l'ambiance, les facteurs thermiques et mécaniques, etc.

Tout ceci n'est réalisable que pour des essais en laboratoire mais se révèle en général impossible pour un mécanisme réel en fonctionnement. Bien souvent, l'expert chargé de donner son avis ne peut émettre que des hypothèses, auxquelles il se cantonnera s'il est honnête. Voici un exemple concret :

Usure anormale d'un arbre à cames et d'un poussoir

La voiture de Monsieur R. n'a que 40 000 km mais depuis quelques semaines on l'entend venir de loin. Après démontage partiel du moteur, on constate que l'une des cames de l'arbre à cames a perdu beaucoup de matière, plus de 2 mm par endroits. Les autres cames sont « normalement usées » mais portent quelques traces suspectes probablement dues à la circulation des débris de la came endommagée.

Le poussoir commandé par cette came (à gauche sur la photo) porte lui aussi des traces d'usure anormales : il a perdu environ 1,5 mm d'épaisseur par rapport à ses « petits camarades ». En cumulant les deux pertes de matière, le « déficit » pour le mouvement du poussoir est de l'ordre de 3 à 4 mm, ce qui limite considérablement l'ouverture de la soupape correspondante et perturbe le fonctionnement du moteur.

L'expertise ne peut rien donner de concret ici, les matériaux des couches superficielles ont été dénaturés, dispersés dans tout le moteur sous forme de fines particules et pour une bonne part, éliminés lors des vidanges. La forme « catastrophique » de l'usure constatée le jour du démontage n'a probablement rien à voir avec le phénomène anormal qui est à l'origine de l'endommagement. On ne peut pas savoir si ce démarrage est dû à un défaut de la came, ou à un défaut du poussoir, ou à une incompatibilité entre les surfaces de ces deux pièces, ou encore à une cause extérieure.

Une telle usure est exceptionnelle et l'on ne peut même pas savoir si elle se reproduira un jour, sous la même forme, dans un autre moteur. Elle relève « de la faute à pas de chance » et il est donc absolument impossible de la prévoir et de l'étudier ...

Usure par abrasion

Cette forme de dégradation est généralement combattue, mais aussi utilisée pour l'usinage : des taux d'usure importants sont recherchés et obtenus avec des outils abrasifs en rectification, affûtage, etc. L'abrasion coûte très cher, on lui attribue à peu près le tiers du total des pertes économiques dues à l'usure. Elle concerne de nombreux mécanismes fonctionnant dans des conditions sévères : machines agricoles, matériels de travaux publics, matériel minier ...

Aspect des dégâts

Les surfaces présentent des sillons de profondeur variable, parallèles au déplacement. L'usure est assez constante au cours du temps, le volume des débris croît linéairement avec la charge appliquée et la distance parcourue. La vitesse n'intervient que si l'échauffement modifie les caractéristiques du matériau.

Éventuellement, des particules arrachées de la pièce la plus tendre peuvent être transférées mécaniquement sur la plus dure mais sans y adhérer très solidement, comme fait le plomb lorsqu'il « beurre » une lime, la rendant inopérante.

Pièces usées par abrasion

	L'allure typique des stries d'abrasion peut être constatée sur ce tourillon. Il s'agit ici d'une usure abrasive à trois corps, car l'arbre tournait dans un coussinet moins dur que lui. Ce processus est expliqué dans le paragraphe suivant.
	Voici une usure abrasive à trois corps nettement plus sévère. Elle s'est produite au niveau d'un joint d'étanchéité qui a provoqué un point d'accumulation de débris abrasifs.
	Il y avait initialement trois dentures sur cet arbre de boîte de vitesses de machine agricole, mais l'usure abrasive, agissant probablement de façon concomitante avec d'autres formes d'usure, a exercé ses méfaits. En toute logique, le propriétaire aurait dû être alerté par le bruit, on sait bien que la matière est « bonne fille », mais tout de même ...

Nature du phénomène

L'usure peut résulter des protubérances d'une des pièces ou des particules qui circulent dans l'interface. On peut distinguer deux modes d'usure par abrasion :

• l'abrasion à deux corps, dans laquelle la pièce la plus dure « lime », « râpe » la plus tendre,
• l'abrasion à trois corps, dans laquelle des éléments plus durs que les pièces en présence s'incrustent dans la pièce la moins dure.

La perte de matière dépend à la fois du matériau usé et de l'abrasif et l'aspect des sillons fournit de précieuses indications :

• s'ils sont brillants et très peu profonds, les aspérités de la pièce antagoniste ont raclé les couches d'oxydes,
• s'ils sont isolés, et brusquement interrompus, des particules dures introduites entre les surfaces se sont plus ou moins incrustées,
• s'ils sont ininterrompus et rayent la pièce dure, des particules abrasives sont enchâssées dans la pièce tendre.
• s'ils sont ininterrompus et marquent la pièce tendre, la pièce antagoniste plus dure est trop rugueuse.

L'abrasion combine déformation et coupe. Elle creuse d'abord des sillons puis, si les capacités de déformation sont dépassées, elle enlève des micro-copeaux. Les bourrelets latéraux des sillons peuvent se détacher ultérieurement. Lors d'un usinage par abrasion, on fait tout pour que le métal soit enlevé sous forme de petits copeaux, tels que ceux que l'on retrouve dans le fluide de refroidissement d'une rectifieuse.

Pour rayer une surface il suffit d'une autre plus dure de 20 à 25 %. L'usure croît dès que la dureté de l'abrasif atteint 0,7 fois celle de la surface usée et se stabilise quand elle atteint 1,7 fois. L'abrasion par coupe, fonction de la forme des aspérités, est négligeable si le rapport des duretés est compris entre 0,8 et 1,3.

Les débris émis par les surfaces acquièrent une dureté bien supérieure à celle des matériaux en présence, provoquant une abrasion à trois corps. Ceci est dû à l'écrouissage et à l'oxydation, cette dernière dépendant entre autres de l'humidité atmosphérique. L'abrasion modifie profondément les couches superficielles qui deviennent comparables à celles obtenues par laminage. Les surfaces durcissent et résistent mieux à l'abrasion elle-même.

L'usure dépend des vitesses relatives des surfaces et des particules, de la forme et de la résistance des grains. Elle croît avec la taille de ces derniers, se stabilisant pour une dimension critique voisine de 0,1 mm, et varie selon que les contraintes sont faibles ou fortes, les charges agissent directement ou indirectement, en brisant ou en déformant les grains abrasifs.

Les caractéristiques de l'ambiance modulent l'abrasion mais influent en général assez peu si la vitesse d'usure est grande.

Prévention

L'abrasion est une usure typique des systèmes télescopiques : tiges de vérins, broches de machinesoutils, certains paliers ... Il faut empêcher l'entrée des corps étrangers par une bonne étanchéité et imposer des jeux plus petits que les particules abrasives, si l'on sait que ces dernières sont assez grosses.

Il faut aussi donner une dureté maximale à la pièce qui défile devant la zone de contact et faire l'autre aussi « tendre » que possible pour qu'elle puisse « enliser » les particules abrasives. Un coussinet trop dur incrustant des corps étrangers use davantage l'arbre.

Il est essentiel que les particules abrasives et les débris d'usure soient évacués des zones frottantes. Il faut impérativement prévoir des sculptures ou des moletages, si aucune circulation de lubrifiant ne permet cette évacuation.

L'usure des matériaux purs est à peu près inversement proportionnelle à leur dureté mais le rapport de proportionnalité varie avec leur structure. Généralement on diminue l'abrasion en augmentant la dureté superficielle sur une profondeur importante. Une meilleure résistance à l'oxydation et à la corrosion donne moins d'oxydes abrasifs, l'écrouissage augmente la dureté et la résistance à l'usure.

Il y a 30 ans on n'utilisait que les fontes et les aciers spéciaux, avec le chrome comme élément d'alliage privilégié. Depuis, la palette s'est élargie à certaines matières plastiques et céramiques.

Pour les métaux ferreux on peut utiliser des structures martensitiques ou apporter un fort pourcentage de phases dures, carbures ou nitrures. On trouve, par ordre de résistance décroissante :

• fonte blanche traitée : nitruration, sulfinuz, ténifer,
• fonte blanche à haute teneur en chrome,
• aciers Hadfield ( aciers austénitiques formant une couche martensitique dure par écrouissage ),
• aciers martensitiques,
• aciers bainitiques.

Certains polymères résistent bien à l'abrasion, car ils absorbent beaucoup d'énergie avant de se fragmenter. Les revêtements durs sont souvent une solution. Cependant, si l'abrasif n'est pas trop dur, on peut parfois utiliser un matériau tendre protégé par des inclusions de matériau très dur.

Usure par adhésion

Aspect des dégâts

Le matériau d'une pièce est transféré et solidement soudé sur l'autre. Les pièces peuvent être immobilisées par un grippage, dont la forme n'est reconnaissable qu'au début, avant que les surfaces ne soient complètement défigurées.

Contrairement à ce qui se passe dans le cas de l'abrasion, de brusques changements de régime d'usure peuvent résulter de légères modifications des paramètres. Pour des surfaces non lubrifiées, le coefficient de frottement n'est pas multiplié par plus de vingt mais le taux d'usure peut varier d'un facteur un million.

Il faut insister sur la solidité des soudures formées par usure adhésive.

Usure adhésive

	Le roulement ci-contre, qui provient d'une turbine d'hélicoptère, a été éliminé à cause des traces brunes suspectes bien visibles sur la bague intérieure. Il vaut mieux, évidemment, que l'on ne sache pas ce qui se serait passé si la dégradation s'était poursuivie en vol ... car il s'agit vraisemblablement d'un début de grippage.
	Ce tourillon porte diverses traces d'usure. À gauche, on trouve des stries continues probablement dues à un phénomène d'abrasion. À droite, les stries sont beaucoup plus chaotiques, avec des traces d'arrachements caractéristiques de l'usure adhésive. Le stade suivant aurait été le grippage, avec immobilisation de l'arbre dans son guidage.
	Grippage sur une dent d'engrenage. Le pignon endommagé provient d'une boîte de vitesses de motocyclette. Les arrachements sont ici parfaitement visibles, les surcharges appliquées sur la denture ont fini par causer la rupture de plusieurs dents.

Nature du phénomène

La matière d'une pièce est transférée sur l'autre pendant le mouvement par soudage en phase solide. Les métaux, s'ils sont mutuellement solubles, forment des alliages par diffusion.

• Si l'interface est moins solide que les pièces, les jonctions se cisaillent par rupture adhésive, l'usure est modérée ou quasi nulle.

• Si l'interface est plus solide qu'une des pièces, il y a rupture cohésive, usure sévère, voire grippage. L'interface se fixe sur la pièce la plus résistante ou se détache sous forme de particules qui, écrouies et oxydées, peuvent contribuer à l'abrasion.

On sait calculer ou mesurer la force d'attraction entre deux matériaux mais pas la force de décohésion une fois le contact établi. La séparation par décohésion ne se fait pas d'un coup mais se propage comme une fissure ; le frottement vient de la force requise pour cisailler les jonctions.

Le grippage épidermique, conséquence extrême du frottement par soudure, est facilité par divers facteurs comme :

• l'accumulation de matière devant les aspérités du frotteur qui augmente l'aire réelle du contact,
• la mise à nu des structures cristallines sans possibilité de re-pollution,
• l'accumulation de reliefs dans un sens parallèle à la direction du déplacement,
• l'échauffement.

L'effet de la charge est double : l'échauffement et la rupture des films d'oxydes favorisent l'usure adhésive, comme pour les engrenages lourdement chargés. La vitesse a deux effets opposés : elle facilite la formation de films d'huile, mais en même temps elle la limite par l'échauffement qui diminue l'adsorption des films superficiels protecteurs et la viscosité des lubrifiants. L'ambiance modifie les propriétés des surfaces, entre autres par la formation d'oxydes. C'est dans le vide que les risques de grippage sont les plus élevés.

Prévention

Il faut choisir des couples de matériaux n'offrant aucune possibilité de filiation cristalline résistante. Les suivants sont couramment utilisables en atmosphère non oxydante (attention, l'argent et le cobalt sont compatibles mais pas leurs oxydes !).

Couples de métaux compatibles

Acier	Argent, Antimoine
Chrome	Argent, Cadmium, Or
Molybdène	Argent, Cuivre, Or, Palladium
Tungstène	Argent, Cuivre
Argent	Cobalt, Rhénium

En fonction des circonstances, on peut essayer d'autres couples. Les données de l'ambiance (milieu chimique, lubrifiant, ...) sont ici très importantes.

Couples de métaux à essayer

Acier	Cadmium, Étain, Plomb, Indium, Or, Thallium
Chrome	Étain, Plomb, Cuivre, Platine, Rhénium
Molybdène	Étain
Tungstène	Étain
Nickel	Plomb, Thallium
Titane	Argent
Aluminium	Cadmium, Indium, Thallium, Plomb
Cuivre	Thallium, Plomb
Plomb	Cobalt

On peut métalliser les pièces, en se méfiant de la fragilisation par l'hydrogène lors des dépôts électrolytiques.

Deux métaux incompatibles peuvent devenir compatibles par l'action d'un troisième élément : ainsi la présence d'étain dans l'aluminium rend ce dernier compatible avec l'acier, au point que l'on fabrique des coussinets en alliage aluminium-étain., De même, l'acier sulfinuzé frotte correctement sur l'aluminium alors que le frottement acier-aluminium est catastrophique.

Pour les métaux ferreux, les structures martensitiques, perlitiques ou encore bainitiques conviennent mieux que les structures continues ferritiques ou austénitiques. Les traitements thermiques de durcissement sont favorables : trempe, cémentation, nitruration, carbonitruration ...

La fonte secrète son propre manteau protecteur en graphite, mais doit être usinée correctement. Ainsi, la finition par pierrage des chemises de moteurs impose des choix difficiles : avec les outils au carbure de silicium, de minuscules arêtes tranchantes coupent le métal d'une façon très franche. Les lamelles de graphite affleurent, la qualité frottante est bonne, mais l'outil ne reste tranchant que grâce à l'usure qui amène à sa surface de nouvelles arêtes : il faut donc le re-profiler régulièrement.

Les outils diamantés ont une durée bien supérieure mais leurs arêtes plus ou moins émoussées refoulent le métal plus qu'elles ne le coupent : la pression chasse le graphite et forme une couche de métal écroui. Une telle surface dite « manteau de tôle » (en allemand Blechmantel), « peau en écailles de poisson » (en anglais fishscale skin), frotte mal, surtout quand le glissement prend les écailles « à rebrousse-poil ». Elle augmente la consommation d'huile, mais reste cependant tolérable si les segments sont métallisés au molybdène.

Deux surfaces à stries aléatoires perpendiculaires au sens de la marche ne peuvent frotter que par cisaillement, quelles que soient leurs structures cristallines, ce qui répartit l'usure et augmente les portées. Dans le cas contraire l'état de surface ne s'améliore pas, l'échauffement est concentré sur des zones étroites et le contact est prolongé, ce qui favorise le grippage. Les surfaces bombées, comme les dents d'engrenages, ne sont par contre jamais assez polies.

L'utilisation de métaux de duretés trop voisines augmente l'aire de contact et les risques de grippage. Une haute limite d'élasticité, une différence de dureté d'au moins 100 Hv et des structures différentes limitent l'adhésion. Le matériau le plus dur doit être le mieux poli pour ne pas limer l'autre mais aussi pour limiter la déformation des aspérités. Les matériaux monophasiques grossiers résistent moins bien que les polyphasiques à grains fins.

On peut faciliter le frottement par cisaillement entre les pièces avec des métaux mous déposés en faible épaisseur sur un support dur (coussinets minces), des sels métalliques apportés par traitement (sulfinuzation, phosphatation) ou des lubrifiants, surtout avec des additifs « extrême pression » formant in situ des sels organométalliques adhérents.

Usure par corrosion, usure chimique

La corrosion n'est pas directement liée aux mouvements des pièces, mais elle interagit avec le frottement.

Aspect des dégâts

Les pièces sont rongées et portent de nombreuses piqûres ou crevasses. L'usure est aggravée par les contraintes mécaniques et le frottement. La corrosion attaque de façon différentielle les constituants des matériaux polyphasiques. Elle peut par exemple éliminer le plomb d'un cupro-plomb, le métal est devenu alors poreux en surface au point de se désagréger. Dans une fonte grise elle peut détruire la perlite et laisser en place le graphite et la cémentite.

Nature du phénomène

Les surfaces réagissent avec les ambiances agressives, les lubrifiants altérés ... L'attaque chimique ou électrochimique est en général d'abord rapide, puis ralentie par la formation de films plus ou moins protecteurs qui peuvent passiver les matériaux et stopper, au moins provisoirement, le processus.

Le frottement peut accélérer la corrosion s'il élimine des films d'oxydes ou de sels peu résistants, inversement la corrosion peut détruire les qualités frottantes des surfaces. Les films superficiels durs peuvent améliorer la résistance à l'usure mais s'ils se détachent, ils risquent de favoriser l'abrasion.

On provoque une corrosion volontaire et contrôlée avec les lubrifiants contenant des additifs « extrême pression » qui couvrent les pièces de composés mous faciles à cisailler et donnant un très faible taux d'usure : chlorures, sulfures, phosphates ... mais l'attaque chimique peut se poursuivre si ces additifs sont trop actifs ou ionisés par de l'eau de condensation.

Les effets chimiques sont très importants lors de l'usure des polymères, qui sera envisagée plus loin.

Prévention

Il faut utiliser des matériaux appropriés au milieu, exempts de fissures et de porosités, éviter la formation de couples électrochimiques. Les additifs détergents avec réserve d'alcalinité sont intéressants, de même que les antioxydants (pour l'huile) et les anticorrosifs.

Corrosion de contact

Bien avant la révolution de 1789 les compagnies françaises de transport par diligence avaient remarqué la destruction des pièces frettées et des moyeux avec émission de « poudre rouge ». La première mention du phénomène dans la littérature scientifique peut être relevée en 1911 : Eden-Rose-Cunningham décrivent les dégâts qu'ils ont constaté sur les attaches des éprouvettes d'une machine d'essai des matériaux. Tomlinson, en 1927, utilise pour la première fois le terme « fretting-corrosion ». On parle aussi d'« oxydation de frottement » et en 1952 a lieu le premier symposium consacré uniquement à ce sujet.

Tomlinson écrivait en 1939 : « Bien que la présence de produits d'oxydation indique qu'une action chimique accompagne le phénomène, le processus n'est certainement pas une corrosion au sens habituel du terme ».

La corrosion de contact est connue sous des noms très divers : traditionnels (poudre rouge), français (corrosion-frottement, frottement-fatigue, usure induite en petits débattements) ou anglais (fretting corrosion). Le terme « corrosion de contact » est en fait mal adapté car il donne une fausse idée de la réalité ; « usure induite en petits débattements » est plus correct mais n'informe nullement sur le déroulement des dégradations.

Aspect des dégâts

Strictement limitée aux zones de contact, cette forme d'usure est propre à des mécanismes ou assemblages soumis à de petits déplacements tangentiels rapides ou à des vibrations sous forte charge. Les surfaces commencent généralement par se colorer, puis elles se creusent de cavités remplies des débris émis. On observe aussi, très souvent, des criques de fatigue.

Les métaux ferreux produisent en abondance une poudre rouge ou brune d'oxyde de fer Fe₂O₃, sous forme de particules plates et allongées. Toutefois, le phénomène ne concerne pas seulement les aciers, ni même les métaux, il se produit aussi avec certaines matières plastiques.

La corrosion de contact s'attaque particulièrement aux pièces de haute qualité : moteurs d'avions, clavetages et cannelures, manchonnages et emmanchements, roulements, mors de machines de fatigue, portées de culasse sur bâtis de moteurs ... On peut dire qu'il s'agit d'une usure « de luxe ». Elle touche aussi les lames de ressorts et les assemblages : têtes de rivets, voisinage des points de soudure, liaisons boulonnées ... Le phénomène est commun, difficile à éviter, et il ne s'arrête jamais de lui-même.

Pièces endommagées par corrosion de contact

	L'expression « poudre rouge » est parfaitement illustrée par cette photographie d'un pivot de porte d'une très vieille maie. À chaque ouverture l'angle de rotation varie de 60 à 90 ° environ. Le confinement de l'oxyde de fer dans le guidage est à la fois une cause et un effet de cette forme d'usure, il accélère la dégradation des pièces et la consommation du métal, bien visible ici
	Cette grosse bague de roulement, normalement montée serrée, s'est rompue. Dès lors, les petits mouvements de sa surface sur le tourillon ont entraîné l'apparition des premiers signes de la corrosion de contact, c'est-à-dire des zones oxydées formant autant de taches noirâtres ou rougeâtres.
	Dans les mêmes conditions (bague intérieure insuffisamment serrée), cet autre roulement voit sa surface d'appui axial attaquée par la corrosion de contact..
	La poulie que portait ce bout d'arbre en acier inoxydable n'était pas suffisamment bien immobilisée ; les vibrations ont provoqué l'attaque de la portée cylindrique et de la rainure de clavette, dont la face d'appui a fini par se rompre. L'acier inoxydable ... s'est oxydé !
	La même pièce, vue sous un autre angle.

Nature du phénomène

La complexité du phénomène a fait apparaître diverses théories concurrentes pour expliquer l'émission de particules et la formation d'oxydes. Rapidement, les théories de Bowden et Merchant sur l'usure adhésive amenèrent à prendre en compte la formation de jonctions au niveau des contacts des aspérités des surfaces.

Ces aspérités, dénudées par la rupture des couches d'oxydes subissent des pressions et des températures très élevées ; Caubet et Amsallem ont même parlé de plasma dans la zone interfaciale. Il en résulte des microsoudures identiques à celles qui produisent le grippage, phénomène dont la corrosion de contact, au début, est toujours très proche.

Le soudage par imbrication des systèmes cristallins est suivi de flexions alternées des jonctions. Des débris naissent de la rupture des microsoudures ou des joints de grains. Écrouis, broyés, mais incapables de s'échapper, ils s'oxydent rapidement et s'agglomèrent, provoquant une abrasion de plus en plus intense contre laquelle il n'existe pas de remède miraculeux. Le coefficient de frottement baisse considérablement à cause de la poudre mais cela n'arrête nullement le désastre.

Le rapport de la surface au volume des particules, augmenté par frottement, facilite l'oxydation. L'oxyde Fe₂O₃ est formé après passage par la poudre de fer, par l'oxyde FeO instable en-dessous de 570°C ou éventuellement par FeO(OH), puis par la magnétite Fe₃O₄ de couleur gris-bleu. Les effets mécaniques s'accompagnent d'effets chimiques complexes comme l'absorption de l'azote atmosphérique qui facilite l'amorçage des ruptures de fatigue.

L'usure par corrosion de contact augmente linéairement avec le nombre de cycles si l'atmosphère n'est pas oxydante, sinon elle est quasi exponentielle. Peu de processus sont aussi destructeurs. Une fois qu'elle est amorcée, on ne peut que retarder la destruction par des apports massifs de lubrifiants.

La diminution de la résistance à la fatigue des pièces, à la suite de la corrosion de contact, a été signalée dès 1911. De nombreux chercheurs ont mis en évidence l'existence de microfissures dans les zones de contact atteintes par le phénomène. Il n'est pas évident d'établir des relations de cause à effet entre la corrosion de contact et la fatigue mais il semble établi que ce sont pour une large part les mêmes conditions qui provoquent les deux phénomènes. Il est quasi certain en tous cas que la corrosion de contact multiplie les sources de fissuration à partir desquelles s'amorcent les ruptures par fatigue, et les fissures atteignent plus vite la taille critique à partir de laquelle elles deviennent dangereuses.

La théorie du délaminage, introduite par Suh en 1973, apporte un autre point de vue sur l'ensemble des formes d'usure et plus particulièrement sur la corrosion de contact. Elle repose sur l'évolution des dislocations qui se produisent dans les sous-couches lors des déformations plastiques. Il en résulte la formation de fissures, surtout lorsque le matériau est affecté par la présence d'inclusions. Lorsque ces fissures se rejoignent, des particules peuvent être arrachées. Cartier, Caubet et Racine avaient fourni les bases de cette théorie en 1970. La théorie du délaminage a permis de mieux comprendre l'émission de particules plates.

Moreau a montré en 1980 que dans certains tribocontacts avec frottement oscillant, les déformations plastiques pouvaient provoquer un endommagement par fatigue sans pour autant que l'on assiste à l'émission de débris et à l'apparition d'oxydes.

Des pièces polies, des matériaux durs, des mouvements alternés avec microglissements, des jeux faibles, de basses températures atmosphériques, un milieu sec, de même que des pressions élevées mais insuffisantes pour empêcher le glissement, sont autant de facteurs favorisant la corrosion de contact. Cette dernière apparaît pour des glissements de l'ordre du micromètre et devient courante s'ils atteignent 0,01 mm.

Il semble qu'il existe un seuil d'endommagement irréversible au-delà duquel la durée de vie des pièces est diminuée, même si l'on a réussi à empêcher la corrosion de contact.

Un phénomène voisin, appelé « faux brinnelling », s'en prend aux roulements quand ils sont à l'arrêt, mais soumis à des vibrations. De petits « cratères » apparaissent au niveau des contacts des billes ou des rouleaux. Pendant la dernière guerre mondiale, lors du transport par trains de camions Chrysler, les roulements étaient profondément rongés sans que les camions aient servi !

Prévention

Il faut éviter l'adhésion par des matériaux compatibles et en plus lutter contre l'oxydation par des revêtements de métaux mous et nobles (cuivre, argent, or, nickel, molybdène) ou des traitements (sulfinuzation, nitruration, pour l'aluminium grenaillage et oxydation anodique). Pour les métaux ferreux on doit préférer les structures martensitiques. Parmi les solutions éprouvées on note le frottement fonte sur fonte (le graphite assurant une bonne protection), les revêtements de phosphate ou de lubrifiants solides du style Molykote, ou l'acier laminé à froid sur lui-même.

On utilise aussi des revêtements plastiques ou des matières plastiques inertes (P.T.F.E.) frottant sur des placages d'or ou un chromage dur.

L'introduction entre les surfaces d'un troisième corps approprié peut être une solution intéressante. La lubrification retarde seulement la corrosion de contact, en diminuant l'oxydation qui transforme les débris en abrasifs. Le bisulfure de molybdène dans la graisse graphitée peut donner de bons résultats, ainsi que d'autres lubrifiants solides, des poudres d'oxydes, etc.. Choisir des huiles fluides ou des graisses inoxydables avec des savons d'aluminium, en évitant les dopes.

On peut aussi chercher à diminuer les petits mouvements alternés de diverses manières : remplacement du glissement par le roulement ou par des liaisons élastiques, augmentation du jeu, tracé de pièces courtes et rigides, augmentation des pressions de contact et de l'adhérence (assemblages plus serrés), changement des fréquences propres pour éviter les résonances, dispositifs antivibratoires, immobilisation des pièces et des éléments de machines pendant le transport, etc.

Une rectification est plus mauvaise qu'un usinage classique mais paradoxalement, une superfinition diminue le phénomène.

Surcontraintes

Le passage d'un curseur sur une surface engendre un ensemble complexe de contraintes, entre autres :

• des tensions, immédiatement à l'arrière du curseur
• des compressions sous la moitié avant du curseur,
• un cisaillement maximal à une certaine profondeur.

Seules les premières peuvent causer les accidents brutaux examinés ici, les secondes peuvent provoquer du fluage et les troisièmes des phénomènes de fatigue étudiés plus loin.

Aspect des dégâts

Des fissures disposées en arc de cercle comme des écailles de poisson, marquent la surface. Leur direction générale est perpendiculaire au mouvement. Elles se forment à partir de défauts superficiels, par exemple une rayure ou une inclusion, puis s'enfoncent dans le matériau, tendant à devenir parallèles à la surface.

Nature du phénomène

Les contraintes de traction accompagnant le passage d'un glisseur sont capables de fissurer la zone arrière du contact, si elles dépassent la résistance à la rupture du matériau.

De telles fissures apparaissent déjà dans les contacts statiques. Ainsi, une bille d'acier pressée sur un plan en verre ne provoque aucune dégradation dans la zone centrale pourtant soumise aux plus fortes pressions mais elle cause, un peu à l'extérieur du cercle de contact, une fissuration de forme générale tronconique dont l'angle répond à la loi d'AUERBACH. La fissuration est grandement facilitée en présence d'efforts tangentiels et si ces derniers sont suffisants pour entraîner le glissement, alors on trouve toute une série de ruptures successives le long de la zone frottante.

Des expériences faites avec un plan de carbure de titane sur lequel on fait frotter une bille du même matériau ont montré que la fissuration pouvait se produire sous des charges normales qui peuvent varier de 400 N (charge purement statique dans l'air) à 1 N (frottement avec un coefficient de 0,9 dans le vide ou dans un gaz inerte). Ceci remet en cause l'affirmation selon laquelle, pour résoudre des problèmes de frottement dans des conditions très sévères, il faut faire appel à des matériaux très durs. Un auteur a pu écrire, dans le même ordre d'idées, que « le frottement des céramiques est parfois l'une des méthodes les plus onéreuses pour fabriquer du sable ». Il faut donc y regarder de plus près !

Les déchirures par surtension sont bien corrélées avec les calculs de contraintes maximales de tension et les propriétés de résistance à la traction des matériaux.

L'examen des surfaces indique parfois si les fissures sont apparues après un grippage ou si elles l'ont provoqué.

Prévention

Utiliser des matériaux résistants à la traction, diminuer les pressions et le frottement, éviter les contraintes résiduelles de tension dans les zones frottantes, éviter les défauts de surface.

Fluage superficiel

Aspect des dégâts

On remarque des écoulements de matière sans grand relief et très étalés.

Nature du phénomène

Le matériau flue sous l'effet d'un état de contraintes de compression triaxiales, ce qui peut se produire même s'il est relativement fragile, comme par exemple de l'acier cémenté.

Prévention

Diminuer les pressions et le frottement, utiliser des matériaux très résistants à la compression.

Fatigue

L'usure par fatigue est lente et habituellement masquée par l'abrasion ou l'adhésion. Induite par le frottement de roulement ou de roulement avec glissement sous fortes charges répétées, on la rencontre essentiellement dans les engrenages et les roulements dont elle constitue le mode normal de destruction.

Une longue phase de vieillissement précède les accidents visibles. Une pièce peut être atteinte irrémédiablement tout en gardant jusqu'au dernier moment une apparence intacte. Il existe cependant un certain nombre de manifestations extérieures qui permettent, dans certains cas, un suivi des pièces en service.

Aspect des dégâts

Il y a en fait deux sortes d'avaries distinctes :

la fatigue superficielle par écrouissage

Elle est due aux contraintes maximales de traction ou de compression : le premier signe visible est une apparence brunie, un éclat lustré du métal et la disparition des marques d'usinage. L'incubation est assez courte, survenant même dans des contacts peu chargés, puis de petites piqûres se forment, alignées le long des aspérités initiales.

L'accident typique est le pitting, ou piquage, des engrenages : le point de cisaillement maximal étant situé à la surface, des fissures se développent perpendiculairement à la direction du glissement, prenant parfois la forme d'un V pointant dans la direction du mouvement. Elles ne sont véritablement dangereuses que si le métal est apte à les propager.

Des microécailles ou « pits », de quelques centièmes de mm dans la direction de la surface et en profondeur, sont émises. Les piqûres sont facilement reconnaissables à leur forme en éventail. La pointe est généralement tournée vers le pied des dents motrices et vers le sommet des dents menées, l'angle va de 60 à 120° et l'autre extrémité est toujours largement arrondie.

la fatigue profonde ou écaillage

Après un long temps de vieillissement se produit une émission brutale de particules dont la surface atteint quelques mm2, la profondeur quelques dixièmes de mm, et dont la taille est sans rapport avec la structure du métal. L'usure s'étend par le bord des zones écaillées, découvrant progressivement les sous-couches dont l'aspect est poli.

Nature du phénomène

Les aspérités recevant des pressions cycliques se dégradent par fatigue, même lorsqu'elles sont séparées par un lubrifiant. Les pièces bombées qui reçoivent des contraintes bien plus fortes que les pièces planes s'usent beaucoup plus.

L'endommagement créé par les déformations plastiques, en surface ou en profondeur selon les conditions, provoque des transformations métallurgiques (par exemple, il transforme la martensite en troostite plus fragile) et l'amorçage de fissures. Dans le cas du pitting, l'émission des microécailles est relativement rapide. Dans le cas de la fatigue profonde, amorcée à partir du point de cisaillement maximal, les défauts étalés sous la surface font que cette dernière se comporte comme un véritable placage.

Lors du contact de deux corps bombés, en effet, le cisaillement est maximal à une certaine profondeur sous la surface. Dans les contacts roulants, cette zone de cisaillement profond se déplace sous la surface, créant un endommagement progressif à partir de défauts localisés ou de joints de grains. Dans un premier temps, rien ne paraît à la surface mais vient un moment où se créent des fissures normales à la surface. L'écaillage se produit alors par flambage brutal de la peau de la pièce. Les cavités ont des bords rugueux et un fond lisse qui témoigne du frottement des couches superficielles sur le substrat, avant qu'elles ne se détachent.

Les détériorations par écaillage concernent au premier chef les roulements et les engrenages. Elles dépendent de nombreux paramètres : vitesse de glissement, rugosités, nature et microstructure des matériaux, duretés, contraintes de Hertz, inclusions, lubrifiant et additifs. Parfois, les contraintes dues à la flexion ou à la torsion peuvent accélérer le processus.

Prévention

Il faut avant tout diminuer les contraintes de contact par une géométrie appropriée, réduire le frottement en évitant absolument l'adhésion. On doit aussi utiliser des matériaux avec aussi peu de défauts que possible, comme les aciers dégazés ou refondus sous vide dont sont faits aujourd'hui les roulements. On choisira des traitements augmentant la dureté et engendrant des contraintes résiduelles de compression : nitruration, cémentation, trempe superficielle, par exemple. La profondeur traitée doit dépasser le point de plus fort cisaillement, sinon le remède peut être pire que le mal.

Lubrifiants et fatigue de surface

La viscosité intervient au niveau du coefficient de frottement et donc des contraintes, mais bien d'autres effets sont dus à la réactivité physico-chimique avec les matériaux. Voici quelques résultats obtenus lors des deux phases successives d'amorçage et de propagation des fissures de fatigue, avec des additifs placés dans une huile minérale à tendance paraffinique.

- effet des additifs sur l'amorçage des fissures

• paraffine chlorée à 51 % de chlore : le meilleur effet est obtenu à 0,1 %, le pire vers 2 %.
• phosphite de diphényle : meilleur effet bénéfique autour de 1,25 %, de plus en plus néfaste à partir de 2 %.
• isobutylène soufré, polysulfure de ditertiododécyle : se comporte mieux que le précédent. Effet bénéfique à faible concentration, 0,1 %, effet néfaste maximum vers 0,25 %. Les produits chlorés ou phosphorés engendrent un phénomène proche de la corrosion à partir d'une certaine concentration, pour les produits soufrés il y a combinaison avec le matériau.

- effet des lubrifiants sur la propagation des fissures

La présence d'huile a un effet bénéfique sur la propagation des fissures en réduisant la variation des contraintes, mais elle peut aussi multiplier par 10 cette propagation à cause d'autres effets : ouverture des fissures par pression hydraulique, pollution par des produits provoquant une corrosion, eau dissoute entraînant une fragilisation par l'hydrogène, etc. Globalement, le lubrifiant accélère la propagation des fissures de fatigue, les additifs ne semblent pas agir notablement sur ce phénomène.

Érosion

Aspects des dégâts

L'érosion est une usure abrasive particulière, causée par des impacts de particules solides contenues dans un fluide en mouvement ou par des particules liquides en milieu gazeux.

Lors des chocs, il y a ébranlement du matériau de la surface et bris du système cristallin, les dégâts sont fonction de l'énergie cinétique, donc de la masse et du carré de la vitesse de la particule. L'enlèvement de matériau croît très vite avec la vitesse, comme la cinquième puissance pour les gouttes.

Le comportement est très différent selon la nature du matériau.

• Si ce dernier est ductile, on trouve des rides annulaires très écrouies et cassantes et la vitesse d'usure passe par un maximum pour des angles d'incidence de 20 à 30°.
• S'il est très dur et fragile, on ne trouve que des craquelures et l'usure augmente continûment avec l'angle d'incidence.

	Virole d'acier inoxydable usée par érosion. Cette pièce (diamètre intérieur 110 mm, épaisseur environ 20 mm) provient d'une usine de traitement de gaz naturel. Elle porte des excavations irrégulières, assez profondes (environ 10 mm), dont la surface est polie et qui semblent avoir été taillées avec une gouge
	Les dégâts vus de plus près.
	Dans cette virole passait une conduite sous très haute pression emplie d'un fluide corrosif chargé de particules abrasives, et cette conduite s'est percée. Le résultat est ce que l'on appelle le « sifflage », c'est-à-dire la formation de petits jets très fins et bruyants. Ce sont ces petits jets, dirigés de façon aléatoire, qui ont fait le travail. La plupart des aciers inoxydables résistent à la corrosion parce qu'ils sont passivés, essentiellement par une couche solide et étanche d'oxyde de chrome. Si cet oxyde est enlevé par érosion, l'attaque se poursuit. Les deux effets ont probablement fait mieux que s'ajouter lors de ce processus d'usure très destructeur. Cette virole est le plus beau spécimen d'une collection de pièces usées de toutes sortes récupérées un peu partout depuis 35 ans. Les pièces usées, contrairement aux pièces neuves, ont des histoires à raconter, mais elles ne les livrent utilement qu'à ceux qui savent les faire parler !
	Aube de turbine à gaz usée par érosion.

Nature du phénomène

L'érosion diffère de l'abrasion car elle est corrélée avec l'énergie cinétique des particules qui, frappant les surfaces à grande vitesse, créent des petits cratères par déformation plastique du matériau sous l'effet du cisaillement. La perte de matière résulte de la coupe ou des déformations alternées des aspérités formées par les impacts successifs.

Quand l'angle d'impact est faible, le phénomène de coupe est important, la résistance du matériau dépend très étroitement de sa dureté. S'il est grand, l'usure est due à la déformation des surfaces et le phénomène est beaucoup plus complexe : un matériau moins dur mais plus tenace peut fort bien résister.

Prévention

La résistance est liée au paramètre ${\frac {R^{2}}{2\,E}}$ qui indique la quantité d'énergie absorbée avant fissuration. On peut traiter les surfaces ou les revêtir de métaux ou alliages durs mais le mieux est d'empêcher les impacts par tous les moyens possibles.

En érosion par impact comme en abrasion sous faibles contraintes, l'emploi de certaines matières plastiques ou élastomères est possible, par exemple des polyuréthannes spéciaux utilisés sous forme de revêtements. Un certain nombre de matériaux souples sont connus par leurs noms commerciaux : RILSAN ®, PEBAX ®, ABCITE ®, HYPSAR ®.

Dans tous les autres cas c'est la dureté superficielle du matériau qui intervient : il faut opposer à l'abrasif une surface plus dure que lui et peu fragile.

Cavitation

La cavitation exige un mouvement relatif entre un solide et un fluide. Elle concerne en premier les organes pour fluides, pompes, hélices de bateaux ... mais aussi certains mécanismes lubrifiés : coussinets de moteurs ou engrenages, par exemple.

Aspect des dégâts

Des trous, à peu près hémisphériques, apparaissent hors de la zone frottante ou à sa limite, puis l'ensemble de la surface est rongé. La destruction, souvent catastrophique, est très rapide et très bruyante. C'est la cavitation que l'on entend lorsque l'eau « chante » dans une bouilloire.

Pièces usées par cavitation

	Cette roue de pompe centrifuge a été entièrement rongée par la cavitation. Les zones plus ou moins lisses sont celles qui frottaient sur les parois avant le démontage. On remarquera tout spécialement l'état de la rainure de clavette ...
	Une vue de la périphérie de la roue. Le métal très aminci est dangereusement coupant par endroits. Il « sonne clair » lorsqu'on le gratte avec l'ongle.
	Toujours la périphérie de la même roue. On remarquera en particulier les cavités qui se sont formées au raccordement des joues de la pièce et des aubes internes. Dans ces zones, le métal un peu plus épais qu'ailleurs s'est refroidi plus lentement lors du moulage, son grain est plus grossier et la cavitation l'a attaqué préférentiellement.
	Usure par cavitation d'une turbine Francis. La roue avait auparavant été rechargée par des apports d'acier inoxydable qui correspondent aux zones claires de la photographie.
	Impulseur de pompe centrifuge usé par cavitation et brisé pour montrer les dégâts

Nature du phénomène

Quand la pression du fluide descend localement au-dessous d'une valeur critique (pas forcément sa tension de vapeur), des bulles se forment soudain à partir de germes : gaz dissous, microbulles, impuretés, rayures ... Quand la pression remonte, les bulles implosent, la brutale condensation de la vapeur projette les molécules du liquide sur les parois, créant une onde de choc.

Lord Rayleigh a montré que les pressions atteignent plusieurs milliers de bars. Les effets sont surtout mécaniques et les chocs successifs fatiguent les surfaces, surtout en présence de défauts. Les trous sont autant d'amorces et se creusent davantage.

Pour comprendre le rôle des défauts, il suffit d'observer un verre de champagne que l'on vient de remplir. D'abord, le gaz s'échappe de façon énergique pendant plusieurs secondes, formant une mousse qui ne tarde pas à retomber. Au bout de quelques minutes, le liquide est calmé et l'on peut apercevoir des colonnes de petites bulles montant de certains points précis de la surface du verre. Le dégazage ne se produit pas dans les zones où le verre est parfaitement lisse, mais seulement là où se trouvent d'imperceptibles défauts, rayures, microbulles, inclusions, ... Si l'on introduit maintenant dans le liquide un objet très irrégulier, par exemple un biscuit à la cuiller, l'effervescence reprend aussitôt avec vigueur.

Nous disions plus haut que tout le monde a déjà entendu la cavitation. Mettons donc une casserole d'eau sur la plaque électrique ou sur la flamme du gaz.

• Dans un premier temps, des courants de convection apparaissent, l'eau chauffée au fond se dilate, monte vers la surface, pendant que l'eau des zones plus froides la remplace.
• De petites bulles adhérentes se forment sur les parois, ce sont les gaz de l'air que l'eau avait dissous qui s'apprêtent à s'échapper.
• Un peu plus tard, des bulles de vapeur se forment au fond de la casserole et l'eau commence à « chanter » : en montant vers la surface, ces bulles sont refroidies par le liquide environnant et elles implosent bruyamment lorsque la vapeur qu'elles contiennent se condense de façon quasi instantanée. C'est une forme de cavitation, heureusement inoffensive.
• Si la température continue à monter, les bulles ne se condensent plus, elles montent au contraire vers la surface où elles éclatent en laissant échapper la vapeur qui les constituait. L'eau bout maintenant de façon régulière. Notons que cette ébullition est facilitée, tout comme le dégazage du champagne, par la présence de défauts de surface.

La théorie n'a pas encore permis de relier la cavitation aux propriétés mécaniques des matériaux. On sait par contre qu'elle est maximale à une certaine température, qui dépend du fluide : en-dessous, ce dernier ne bout pas facilement, au-dessus, l'implosion est moins violente.

Prévention

La première chose à faire est d'améliorer le tracé des pièces pour éviter autant que possible les dépressions. Il faut ensuite diminuer les « germes » : filtrer les huiles, améliorer l'état des surfaces et leur intégrité cristalline.

D'après Hammit, un matériau supporte bien la cavitation si sa charge de rupture, sa limite d'élasticité, sa résilience et sa limite de fatigue sont élevées. Il doit de plus être ductile et à grain fin. La résistance dépend aussi de la capacité d'amortir les ondes de choc et nécessite une tenue minimale à la corrosion et à l'oxydation. Il y a de nombreuses exceptions.

Les meilleurs matériaux sont les stellites et certains polyuréthannes non chargés (polyuréthanne prend deux « n », c'est un nom commercial). Comme pour l'érosion, on peut conseiller des matériaux souples connus par leurs noms commerciaux RILSAN ®, PEBAX ®, ABCITE ®, HYPSAR ®.

On utilise aussi des rechargements au plasma avec des métaux résistants à la corrosion comme le molybdène ou les alliages à base de cobalt ou de nickel.

Les contraintes résiduelles de compression, les traitements de surface de type nitruration, sulfinuzation, sont favorables.

Fatigue thermique

C'est une dégradation par alternance d'échauffements et de refroidissements, qui touche des pièces comme les cylindres de laminoirs, les matrices de forge ... mais aussi les surfaces rectifiées dans de mauvaises conditions.

Aspect des dégâts

La fissuration finale a un aspect caractéristique de mosaïque, dit de « faïençage ». Les fissures sont plus ou moins polygonales et suivent les joints de grains et s'enfoncent dans les matériaux perpendiculairement à la surface.

Nature du phénomène

Les contraintes par flash thermique font alterner très vite compressions et tractions. Les premières déforment plastiquement les surfaces, les secondes descellent les grains par cisaillement, surtout si les joints sont oxydés. Le faïençage peut exister avant ou après frottement. Les contraintes résiduelles de traction, ou les contraintes de traction provoquées par le frottement, facilitent la dégradation.

Prévention

Il faut utiliser des surfaces présentant un bon compromis entre la dureté et l'allongement à la rupture et introduire par traitement des contraintes de compression, à condition que ces dernières ne s'estompent pas dans le temps. La résistance à l'oxydation doit être bonne.

Naturellement, on diminue les risques de faïençage en diminuant les chocs thermiques par tous les moyens classiques.

Usure par dissolution

Aspect des dégâts

On constate, par exemple, une usure catastrophique d'outils de coupe utilisés dans des conditions sévères.

Nature du phénomène

Le carbure de tungstène, vers 1100°C, migre dans les copeaux de métaux ferreux et l'outil est littéralement « mangé » par le fer chaud. Le phénomène est en fait plus général : par exemple certains métaux se dissolvent dans les polymères (Belii).

Prévention

Il faut limiter l'échauffement des surfaces, en allant moins vite, en refroidissant, ... Un traitement de surface des outils peut être intéressant. Avec les métaux ferreux, on peut utiliser le carbure de titane qui ne s'y dissout pas.

Mécanismes d'usure des polymères

L'usure est plus complexe que pour les métaux en raison d'une plus grande sensibilité à la température et de la nature spécifique des matériaux, dont la structure cristalline dépend entre autres des appareils de moulage. Après $10^{7}$ cycles les poids moléculaires des couches de surface diminuent jusqu'à 30 %, parfois la destruction du matériau forme une sorte de matière graisseuse. La structure semble d'abord se réorganiser lors du frottement, puis elle se détruit.

L'interaction avec les métaux mérite une attention particulière. La dissolution de ces derniers peut être sélective : ainsi, le laiton frottant contre le polyéthylène s'enrichit superficiellement en cuivre par suite de la dissolution du zinc. L'enlèvement du métal peut former de véritables excroissances sur le polymère, ce que l'on rencontre fréquemment dans les engrenages à contact mixte.

Si les produits de destruction du polymère sont des matières actives, le métal est fragilisé et l'usure s'accroît. Cet effet a été particulièrement étudié par le chercheur soviétique P.A. Rehbinder. Le coefficient de frottement dépend alors beaucoup du temps de maintien en contact et l'adhésion augmente lors des arrêts répétés.

Effet de non détérioration et avaries dues à l'hydrogène

Le Professeur russe Dmitry Garkunov vient d'être récompensé pour la découverte de l'effet de non détérioration et du phénomène d'usure accentuée par l'hydrogène, qui ouvrent de nouvelles voies à la recherche. La médaille d'or du British Tribological Trust qu'il a reçue le 26 mars 2006 est une récompense instituée il y a 35 ans par la reine Elizabeth d'Angleterre, suite à l'intervention d'un groupe de chercheurs qui ont mis en évidence l'énorme importance des applications tribologiques dans les économies nationales. On doit au Professeur Garkunov, à l'époque de l'Union Soviétique, la publication d'un manuel de tribologie réputé. Ses découvertes ont des applications dans de nombreuses branches industrielles comme la chimie, l'aéronautique, l'agriculture, les transports, etc. Depuis la création du prix, 34 personnes ont été récompensées, parmi lesquelles 6 Britanniques et 5 Russes.

L'effet de non détérioration consiste en ce que, dans certaines circonstances, les frottements ne détruisent pas les surfaces mais au contraire contribuent à les protéger. Des ions de cuivre ou d'autres métaux plus nobles introduits dans les zones frottantes provoquent des réactions d'oxydoréduction aboutissant, au cours du processus de frottement lui-même, à la formation de films protecteurs contre l'usure. Cela peut être comparé à l'action des fluides très particuliers qui, dans les articulations humaines, protègent les surfaces osseuses pendant des dizaines d'années.

Cet effet a été constaté il y a plus de 50 ans, lors de l'étude d'avaries à répétition dans des boîtes d'essieux d'avions de combat, au moment de l'atterrissage. La responsabilité du lubrifiant, trop agressif pour les pièces, fut vite démontrée. En changeant de lubrifiant, non seulement les avaries ont cessé mais l'effet de non détérioration a pu être mis en évidence. Il est curieux par ailleurs que cet effet ait pu, bien des années auparavant, protéger spontanément de l'usure des compresseurs frigorifiques : en effet, les tubes en cuivre des échangeurs laissent échapper des ions qui, transportés par le fluide frigorigène, finissent par créer une fine couche de cuivre sur les pièces frottantes. Avant la découverte de l'effet de non détérioration, on conseillait, à tort évidemment, d'éliminer cette couche à l'occasion d'un entretien ou d'une réparation.

L'usure accentuée par l'hydrogène va, quant à elle, à l'encontre de l'effet de non détérioration. L'hydrogène atomique produit par les matériaux frottants ou par l'humidité dans les zones de contact forme des composés susceptibles de faire littéralement éclater les surfaces frottantes, dans lesquelles se forment des fissures. Il s'est très vite avéré que l'un des meilleurs remèdes à la pénétration de l'hydrogène était l'effet de non détérioration lui-même, car les couches de cuivre (ou d'autres métaux comme l'or) sont étanches et empêchent la diffusion de l'hydrogène.

Ces effets étaient connus depuis un demi-siècle mais pas vraiment expliqués ; aujourd'hui on les étudie systématiquement et l'on trouve maintenant sur le marché de nombreux lubrifiants contenant des composés de cuivre, dont la nature même relève du savoir-faire industriel. Certains d'entre eux permettent même d'effectuer des réparations de surfaces endommagées sans même qu'il soit nécessaire de les démonter.

Naturellement, même en utilisant le meilleur lubrifiant du monde, on n'est pas à l'abri d'une avarie mais dans tous les cas, l'effet de non détérioration permet de considérables augmentations de la durée de vie des mécanismes et contribue à réduire les gaspillages : moins de machines mises hors d'usage et moins de frottement.

Règles fondamentales

Ces règles ont été données par Jean-Jacques CAUBET dans son livre « Théorie et pratique industrielle du frottement ».

1. Éviter le contact des pièces en mouvement relatif tout en conditionnant leur surface pour résister à un contact accidentel,
2. Éviter le défoncement en profondeur par surpressions hertziennes, les fractures et écaillages par excès d'écrouissage,
3. Ventiler rationnellement les calories,
4. Éviter les accidents connexes tels que la corrosion, la cavitation, l'érosion,
5. Définir au bureau d'études les protocoles de rodage,
6. Imposer en fabrication les contrôles de métallurgie, géométrie, macro et microtopologie spécifiques du frottement,
7. Respecter l'homogénéité du projet : un bon couple de frottement doit durer exactement l'âge de la machine, toutes les pièces s'usant ou vieillissant ensemble.

Éviter le contact des pièces en mouvement relatif tout en conditionnant leur surface pour résister à un contact accidentel

Séparer les pièces par un lubrifiant en couche épaisse, un lubrifiant solide (le graphite est trop peu connu, le bisulfure de molybdène mal connu comme la panacée qu'il n'est pas), créer des plots de graisse, réaliser des rainures d'alimentation en huile, des facettes, des bassins relais, en évitant les « pattes d'araignée », particulièrement des rainures de réserve de lubrifiant pour les guidages plans hydrodynamiques, prévoir le démarrage onctueux.

Choisir des métaux qui soient compatibles, ainsi éventuellement que leurs oxydes. Usiner avec ou sans couche de Beilby. Le polissage mécanique, qui la conserve, est acceptable avec des couples de matériaux présentant des risques de filiation cristalline (acier et fonte), sinon la superfinition ou le polissage électrolytique, qui l'enlèvent, peuvent être meilleurs (chrome et argent).

Choisir la rugosité des pièces. La perfection des surfaces diminue les pressions, accélère le rodage, rend les films d'oxydes plus homogènes et plus solides, mais trop de poli nuit à l'alimentation des films lubrifiants. Les traits d'outils seront perpendiculaires au mouvement, sauf pour les corps convexes qui seront polis. Le brochage est bien meilleur que le tournage pour les portées courtes mais il ne faut jamais brocher ou mandriner un cylindre pour un déplacement axial. Polir au maximum les surfaces des tourillons et coussinets en régime hydrodynamique.

Introduire dans l'acier un métalloïde ou un métal de transition : carbone, soufre, azote, phosphore, étain.

Pour les structures de surface, éviter la ferrite et l'austénite, créer des contraintes résiduelles de compression, ne pas toiler les pièces ferritiques ou austénitiques qui retiennent les grains et deviennent ainsi abrasives, incliner les traits d'usinage par rapport à la direction du mouvement, cémenter, nitrurer ou sulfinuzer.

Éviter le défoncement en profondeur par surpressions hertziennes, les fractures et écaillages par excès d'écrouissage

Éviter à tout prix les surcharges et les appuis sur arête, donner du bombé aux pièces. Prévoir un couple de frottement, c'est avant tout fixer des tolérances, il faut donc étudier les déformations, les dilatations, ...

Si un métal frotte sur lui-même à une température suffisamment faible pour ne pas relâcher l'écrouissage, c'est la surface la plus grande qui s'use le plus et le plus vite, la plus petite s'écrouit davantage et devient plus dure, en même temps le film adsorbé devient plus résistant. De même, un coussinet sulfinuzé n'offre qu'une sécurité médiocre tandis que la sulfinuzation de la portée de l'arbre est bien meilleure.

La rigidité des surfaces est favorable en raison de l'augmentation de la solidité des films d'oxydes adsorbés et d'une moindre aptitude aux soudures froides, mais elle augmente les pressions hertziennes et la fatigue des couches profondes.

Plutôt que de rechercher, face à une avarie, un matériau plus performant, il est souvent préférable de modifier les caractéristiques de la sollicitation.

Ventiler rationnellement les calories

La zone de frottement est toujours une source de chaleur.

On appelle L est la conductivité thermique d'un matériau, c sa chaleur massique et d sa densité. Lorsque le frottement a lieu entre deux surfaces géométriquement et cinématiquement équivalentes, les calories se répartissent entre elles proportionnellement au facteur ${\sqrt {L\,c\,d}}$. Le corps pour lequel ce facteur est le plus grand facteur doit être le mieux ventilé.

Matériau	${\sqrt {L\,c\,d}}$
	en unités CGS selon Caubet
Cuivre	0,89
Aluminium	0,61
Alliage AlSi	0,44
Bronze	0,35
Fonte	0,33
Acier courant	0,31
Étain	0,23
Antifriction	0,18
Plomb	0,18
Graphite	0,07

Une surface d'antifriction ou de graphite frottant sur de l'acier reçoit beaucoup moins de calories que ce dernier.

Généralement la pièce sur laquelle la zone de frottement parcourt la plus grande distance est aussi la plus facile à ventiler (par exemple, un disque de frein). C'est elle qui doit recevoir le maximum de calories.

Les échauffements anormaux peuvent être estimés par la coloration de l'acier :

Coloration des aciers chauffés

Couleur		Inox	Autres aciers
	Jaune clair		215°C
	Jaune paille	280°C	230°C
	Orangé	320°C	245°C
	Brun	350°C	255°C
	Gorge de pigeon	400°C	265°C
	Violet pourpre	470°C	275°C
	Bleu clair	510°C	290°C
	Bleu foncé	550°C	310°C
	Verdâtre	640°C	330°C
	Gris noir	725°C	400°C

Une pièce de frottement fixe par rapport à la charge ne doit avoir aucun rôle d'alignement ou de précision, car elle se courbe sous l'effet de la dilatation différentielle.

Il est essentiel de fixer la température du revenu avant rectification en fonction de l'échauffement prévu en marche.

On doit éviter tout régime onctueux s'il y a le moindre risque d'élévation de température : l'échauffement favorise la désorption des couches adsorbées, il faut alors prévoir des couples de métaux totalement insolubles l'un dans l'autre.

Éviter les accidents connexes tels que la corrosion, la cavitation, l'érosion

Les remèdes ont été précisés aux différents chapitres.

Définir au bureau d'études les protocoles à respecter pour le rodage

Le rodage est l'ensemble des processus chimiques et métallurgiques qui améliorent l'ajustage, la topographie de surface et la compatibilité de frottement des organes d'une machine neuve. Dans le langage courant, le mot évoque les précautions à prendre lors des premières heures de fonctionnement. C'est en fait une première usure, d'abord très rapide puis ralentie, à conduire avec soin pour ne pas compromettre le fonctionnement ultérieur.

Pendant les premiers instants, les plus délicats, il faut éliminer les aspérités prêtes à se détacher et améliorer la rugosité pour mieux répartir les charges. Un paradoxe est que les nouvelles structures engendrées dans les couches superficielles doivent protéger contre l'usure, de ce fait elles nuisent à l'abaissement de la rugosité, qui n'est autre qu'une usure ...

L'amélioration des portées doit se faire par accommodement (déformation) plutôt que par émission de débris. Les surfaces parfaitement polies en vue de l'établissement d'un frottement hydrodynamique doivent être écrouies le plus vite possible.

L'échauffement doit être surveillé : il facilite la répartition des contraintes par accommodement mais engendre un risque de grippage ou de collage épidermique. Il faut augmenter lentement les charges et les vitesses pour produire un accommodement par rotation des grains, préférable à l'écrouissage des grains eux-mêmes. Ne pas introduire de contraintes résiduelles par labourage juste après les avoir éliminées !

Les traitements de surface peuvent beaucoup faciliter les choses. Sur une surface non traitée, en cours de rodage. Le métal flue de part et d'autre des aspérités, en formant des bourrelets qui vont être éliminés en cours de fonctionnement. La période de rodage sera dangereuse à franchir et le fonctionnement ultérieur peu sûr. Au contraire, une pièce protégée par une couche à la fois dure et ductile fluera en profondeur sans notable émission de particules d'usure. Le rodage se passera bien et renforcera la surface dont le comportement ultérieur sera amélioré.

L'amélioration de la géométrie se fait avant la disparition totale des stries d'usinage. La somme arithmétique des rugosités des deux pièces doit être supérieure à celle des tolérances de forme, sinon le rodage n'a jamais de fin.

Les abrasifs doivent être proscrits, sauf pour roder ou polir des pièces très dures sans ferrite ni austénite, ou pour des pièces dont le traitement ultérieur, par exemple une sulfinuzation, détachera ou enrobera les fragments abrasifs incrustés.

Les pressions doivent se répartir sur des surfaces suffisantes, qui justement croissent lors du rodage. Les débris amorphes bourrent le fond des sillons et y contribuent, mais ils sont très grossiers en cas d'augmentation trop rapide des charges et dans ce cas ils favorisent l'usure.

Les lubrifiants dont la viscosité croît avec la pression, comme les dérivés pétroliers, répartissent mieux les charges. Il faut un lubrifiant propre et abondamment renouvelé, éventuellement avec un dope approprié. Une bonne pâte à roder comporte :

• un support : graisse ou autre lubrifiant tiré du pétrole,
• un abrasif léger : le soufre, que les Anciens utilisaient déjà pour les paliers chauffant trop en période de rodage, est abrasif à basse vitesse seulement mais devient actif par légère agressivité chimique si la température éclair augmente.
• un élément consommable : acide gras ou autre, qui se combine chimiquement aux particules émises par rodage.

Lorsque la pièce est destinée à un frottement sous fortes charges, elle doit être soumise en fin de rodage à des efforts de surface plus importants que ceux qui la solliciteront ensuite, pour augmenter l'épaisseur de la couche écrouie. La vitesse doit en revanche rester inférieure aux vitesses normales prévues ultérieurement.

Beaucoup d'expériences et d'études ont permis de préciser les paramètres du rodage et de l'usure douce des mécanismes durant leur vie utile.

L'évolution des surfaces peut être décrite à l'aide de la courbe de portance d'Abbott-Firestone qui représente en pourcentage la surface de portance en fonction de la profondeur atteinte par l'usure. Si l'usure est douce on doit atteindre 100 % de portance lorsque toutes les stries d'usinage ont été éliminées. Si l'usure est sévère l'état de surface ne s'améliore pas. L'évolution dépend de la forme des aspérités.

Imposer en fabrication les contrôles de métallurgie, géométrie, macro et microtopologie spécifiques du frottement

Voici quelques exemples cités par CAUBET :

• Des compresseurs frigorifiques grippent après un changement de fournisseur imposé par le service achats : la teneur en ferrite de la fonte n'avait pas été contrôlée.
• Des paliers lisses de poupées de tour grippant à la suite d'une augmentation de la teneur en phosphore du bronze, avec des arbres devenus insuffisamment durs.
• Des cylindres de compresseurs en AU5GT recevaient, imprudemment, des pistons en fonte. Le grippage fit suite au changement des outils en carbure pour d'autres en acier rapide dans l'usinage des cylindres.

En frottement il faut proscrire les surfaces décarburées, la perlite trop grossière (à régénérer), l'excès d'austénite et de cémentite, les files d'inclusions qui amorcent les tapures de trempe, l'austénite résiduelle et les inclusions de sulfure de manganèse, les défauts d'adhérence de couches déposées, les structures fragiles de Widmanstatten ...

Un protocole de fabrication qui donne satisfaction doit être codifié et il ne faut alors le changer, même légèrement, qu'avec la plus grande prudence.

Respecter l'homogénéité du projet : un bon couple de frottement doit durer exactement l'âge de la machine, et toutes les pièces s'user ou vieillir ensemble

L'usure doit être prise en compte dès le début d'un projet. Il faut prévoir des durées de vie (moteurs, roulements ...), des épaisseurs consommables (20 mm sur les jantes des roues du matériel ferroviaire) ...

L'ensemble des formes de vieillissement doivent mener simultanément le mécanisme à sa fin.

Compléments

La tendance actuelle est de s'éloigner de considérations statistiques vers une analyse des champs de contraintes et des déplacements au niveau des aspérités. Les surfaces diffèrent des volumes tant par la composition que par les propriétés mécaniques. Elles forment des écrans pour les forces d'adhérence entre les solides, c'est pourquoi deux pièces peuvent être mises en contact sans coller. Ces écrans peuvent être détruits par le frottement, et se reformer par réaction avec l'environnement.

Le passage du frottement à deux corps au frottement à trois corps est très rapide, une séparation des deux premiers corps par le troisième peut survenir après quelques passages seulement.

Pour prendre un exemple, en faisant frotter une gomme sur une règle transparente, on observe les diverses phases :

• au début, si la règle et la gomme sont propres, le glissement est assez difficile à obtenir,
• très vite, on assiste à la formation et au détachement de particules provenant des volumes en contact ou premiers corps,
• ces particules ou troisièmes corps ce déplacent dans le contact, ce qui assure tout ou partie de la portance, le glissement devient plus facile,
• les particules peuvent être éliminées du contact avec formation d'une trace,
• ou encore, on observe la recirculation de ces particules au cours d'un nouveau passage ou leur élimination des zones frottantes par éjection.

Les troisièmes corps ne sont pas du tout homogènes. Leur élimination des contacts constitue l'usure proprement dite.

On peut dire en conclusion qu'un bon matériau de frottement sacrifie sa surface pour sauvegarder son volume.

L'usure et le monde vivant

Comme dans le cas des machines, l'usure révèle des facettes diverses et parfois inattendues.

Usure dentaire

Les dents des hommes et de la plupart des animaux s'usent naturellement par abrasion à trois corps. Ce processus était anormalement rapide parmi les populations qui consommaient beaucoup d'aliments à base de céréales moulues par des meules en pierre. L'examen des dents et de leurs rayures permet d'ailleurs aux archéologues de se faire une idée du régime alimentaire des individus étudiés.

Dans le cas des rongeurs, dont les dents poussent de manière continue comme si elles étaient extrudées, l'usure est à la fois inévitable en raison du régime alimentaire naturellement riche en matériaux abrasifs et nécessaire car elle permet aux incisives de conserver leur « affûtage ». En cas d'usure insuffisante, ces animaux doivent passer de longues heures à frotter leurs dents les unes contre les autres. Parfois, les éleveurs de lapins doivent intervenir pour couper les dents exagérément développées, par exemple celles qui font face à une dent cassée.

D'autres dégradations peuvent apparaître, en particulier sous l'effet de facteurs chimiques ou bactériens. Comme pour les machines, certaines formes d'usure s'excluent mutuellement, c'est ainsi que l'on ne trouve jamais de carie dans les zones qui subissent l'abrasion et réciproquement.

Érosion amélaire et « développement économique »

L'érosion amélaire, qui détruit l’émail des dents, est en nette progression dans la plupart des pays développés. On estime que 20 % des Français en présentent les signes et la situation est sans doute beaucoup plus grave car cette estimation ne concerne que les patients qui se font soigner régulièrement !

Les dents atteintes par l'usure amélaire jaunissent et présentent souvent de petites craquelures à leur base. Des élancements ponctuels et une certaine gène peuvent apparaître, en particulier au moment du brossage, lorsque le phénomène atteint un stade déjà avancé. L’usure peut être classée en trois niveaux selon l’exposition de la dentine, 1/3 pour une usure faible, 2/3 pour une usure modérée etr davantage pour une usure prononcée. Dans ce dernier cas, la dent perd également de la hauteur, mais cette perte croît aussi avec l’âge du patient qui doit être pris en compte dans l'évaluation.

Le vieillissement de la population et surtout les changements dans nos habitudes alimentaires sont les principales causes de l'usure amélaire. Les sodas, généralement très acides, sont les pires ennemis de l'émail dentaire, surtout s'ils sont bus trop lentement et gardés dans la bouche. Chez les sportifs de haut niveau, on constate les effets désastreux des boissons « énergétiques » et de l'eau chlorée des piscines.

Pour éviter l'usure amélaire, il faut consommer sans excès et sans les conserver longtemps en bouche les aliments acides tels que les agrumes, les jus de fruits, les sodas, les condiments vinaigrés, les tomates, les asperges, les artichauts, les choux de Bruxelles, etc. Les effets négatifs du grignotage ont également été mis en évidence. La salive joue normalement un rôle protecteur en reminéralisant l'émail amolli par les aliments acides. Il faut lui laisser le temps d'agir et ne pas se brosser les dents immédiatement après la consommation de tels aliments. La consommation de lait et de fromages, qui contiennent du calcium, contribue à une bonne protection.

Le bruxisme

Cette pathologie, qui touche environ 6 % de la population, est un comportement pathologique attribué au stress, à l'anxiété en période d'examens ou à une activité débordante. Pendant leur sommeil, les personnes atteintes serrent fortement les dents, de façon inconsciente, en accompagnant ou non ce serrage de mouvements simulant plus ou moins la mastication.

• En l'absence de mouvement, le bruxisme est dit « centré », il peut entraîner des douleurs musculaires ou des crampes.
• Le bruxisme avec mouvement est dit « excentré », il s'accompagne généralement de grincements de dents ou de bruits plus étranges, voire inquiétants. La Bible, paraît-il, en fait état. Le dormeur ne se réveille pas mais en revanche il peut incommoder son entourage. Sous l'effet des contraintes intenses auxquelles elles sont soumises, les dents se fendillent et subissent une usure rapide. Le port d'une gouttière en résine empêchant le contact des dents peut être une solution efficace.

Usure et matériaux d'apport

Les matériaux de réparation et les matériaux cosmétiques utilisés en art dentaire devraient, en toute logique, s'user au même rythme que les dents naturelles. Cette condition était à peu près réalisée avec l'or utilisé (de plus en plus rarement !) pour fabriquer des couronnes, mais elle ne l'est plus guère avec l'acier inoxydable ou les céramiques. En tout état de cause il vaut mieux que ce soit le matériau rapporté qui s'use, plutôt que le matériau naturel antagoniste, mais c'est loin d'être toujours le cas.

Arthrose

La plus commune des affections articulaires touche plus de 30% des 45-65 ans. Peu douloureuse au début, elle s'accompagne à un stade avancé de vives douleurs et rares sont ceux qui ne connaissent pas, dans leur entourage, des personnes qui en sont frappées.

L'arthrose s'attaque aux cartilages des articulations, c'est-à-dire à un tissu vivant, élastique, démuni de vaisseaux sanguins mais poreux, qui constitue le « revêtement de surface » des os formant la charpente du corps de l'homme et des animaux vertébrés.

La défaillance des cellules du cartilage, appelées chondrocytes, s'accompagne de la production excessive des métallo-protéases, enzymes destructrices qui normalement participent au renouvellement de ce matériau très particulier.

La disparition localisée du cartilage met les os à nu et ceux-ci s'usent à leur tour par suite des frottements répétés. C'est à ce moment-là que la douleur s'installe. L'organisme réagit mais il le fait de façon anarchique, des formations osseuses « bourgeonnent » en périphérie des articulations et deviennent des excroissances appelées ostéophytes. C'est ainsi qu'apparaissent, entre autres, les becs de perroquet sur la colonne vertébrale.

De nombreux facteurs prédisposent à l'arthrose ou favorisent son apparition. On estime qu'environ la moitié des cas relèvent d'une origine héréditaire, d'autres sont dus à l'obésité, à certaines activités professionnelles ou sportives entraînant la répétition de gestes identiques, sous forte charge et pendant de longues périodes. Des causes accidentelles, liées à des traumatismes articulaires ou à des fractures mal réduites, peuvent également amorcer ou favoriser le phénomène.

Dans beaucoup de cas, le handicap provoqué par la maladie impose le recours à un traitement chirurgical :

• l'arthrodèse est l'immobilisation forcée et généralement définitive d'une articulation. On utilise des plaques, des tiges ou des agrafes en fonction des possibilités ou les greffes osseuses pour les articulations les plus délicates, comme celles des vertèbres.
• l'implantation d'une prothèse est devenue relativement courante pour les hanches, qui mécaniquement ne sont que de simples rotules. On la pratique aussi pour les genoux, les coudes, les chevilles ou les doigts, mais ce sont là des liaisons mécaniques bien plus compliquées et qui posent des problèmes de divers ordres.

L'arthrodèse est une opération plus simple, plus brève et moins risquée que la pose d'une prothèse, elle évite les risques de descellement et on la propose lorsque l'immobilisation n'est pas trop invalidante, par exemple dans le cas des vertèbres, des poignets ou de la cheville.

Problématique des prothèses

Naturellement, les prothèses peuvent être considérées comme des composants mécaniques, un peu particuliers en raison de leur implantation, mais qui se comportent comme tous les autres face aux diverses formes d'usure.

Les matériaux utilisables ne sont pas légion, en raison de la nécessaire compatibilité biologique avec le corps humain. Les principaux sont :

• parmi les métaux, les alliages de chrome-cobalt et le titane, qui jouit de propriétés de biocompatibilité très intéressantes.
• et parmi les matériaux non métalliques, certaines céramiques, les composites carbone-carbone et le polyéthylène haute densité.

Le « lubrifiant » est très particulier puisqu'à la base il s'agit d'eau salée additionnée d'innombrables composés chimiques d'origine biologique. De plus, il n'est pas question de procéder à une vidange périodique comme avec n'importe quel moteur automobile. En l'absence de fonctionnement en circuit fermé, la nécessaire évacuation des débris d'usure est partiellement réalisée par la lymphe qui les transporte vers les filtres que constituent les ganglions lymphatiques. Ces derniers, d'ailleurs, finissent parfois par noircir chez les patients munis de prothèses en composite carbone-carbone.

pour en savoir plus : prothèses articulaires

(à suivre)