Essais d'Usure & Frottement
/ analyses & essais /
Tribologie : Essais d'Usure
& Mesure du Frottement
La plateforme de tribologie du CRITT MATÉRIAUX INNOVATION permet l'évaluation des propriétés en usure et frottement de matériaux et produits finis pour divers domaines d'activités. Nos équipements couvrent l'analyse de la résistance à la rayure des surfaces (scratch-test micro et nano), la résistance à l'abrasion (Taber), la mesure des coefficients de frottement et d'usure (tribomètres pion-disque standard, haute température, fortes charges), et la simulation d'usure d'implants articulaires (hanches, genoux).
Équipements de pointe pour l'analyse tribologique
Notre plateforme tribologie dispose d'équipements spécialisés pour caractériser le comportement tribologique de vos matériaux, revêtements et assemblages dans des conditions variées.
- Scratch-tests micro et nanométriques
- Abrasimètre Taber® (ISO 7784-2, ASTM D 4060)
- Tribomètres pion-disque (1 à 500 N)
- Tribomètre haute température (jusqu'à 800°C)
- Tribomètre fortes charges(ASTM F732)
- Simulateurs d'usure implants (ISO 14242/14243)
Équipements et capacités tribologiques
Nos équipements permettent d'évaluer le comportement tribologique de matériaux métalliques, polymères, céramiques, verres, revêtements et traitements de surface dans diverses conditions : air ambiant, milieu liquide, lubrifié, haute température, fortes charges.
- Micro-scratch test : test de la rayure instrumenté pour l'analyse de la résistance des couches minces et de leur niveau d'adhésion au substrat à l'échelle micrométrique. Détermination des profondeurs de pénétration sous charge et résiduelles de l'indenteur.
- Nano-scratch test : analyse de la résistance à la rayure et adhésion des films minces à l'échelle nanométrique. Usure abrasive par passages multiples de l'indenteur.
- Abrasimètre Taber® : test de résistance à l'abrasion des surfaces selon normes ISO 7784-2, ASTM D 4060, ASTM F 1978. Mesure de la perte de masse ou du changement d'aspect après cycles d'abrasion avec meules normalisées.
- Tribomètre pion-disque conventionnel : conforme ASTM G99. Mesure du coefficient de frottement en continu. Essais d'usure sous air ambiant, milieu liquide ou lubrifié. Charge de 1 à 20 N. Évaluation de l'usure par pesée, aires des sillons, observations MEB.
- Tribomètre haute température : température jusqu'à 800°C. Charge de 1 à 20 N. Vitesse maximale 500 tr/min. Mode rotatif / rotatif alternatif. Possibilité d'essai en fretting. Permet de mettre en évidence l'impact des couches d'oxydes formées en surface, leurs propriétés lubrifiantes et cinétique de désagrégation.
- Tribomètre fortes charges multidirectionnel (3 postes) : 3 stations simultanées à charge indépendante. Trajectoires multidirectionnelles (déplacements x, y). Charges élevées jusqu'à 500 N. Conforme ASTM F 732. Permet de solliciter les matériaux polymères de manière plus réaliste en générant des contraintes de cisaillement.
- Simulateurs d'usure pour implants articulaires : hanches, genoux selon normes ISO 14242 & 14243. Simulation de cycles de marche physiologiques. Mesure d'usure gravimétrique et volumétrique.
Notre démarche en tribologie
Nos études tribologiques s'appuient sur une méthodologie rigoureuse et des équipements spécialisés. Chaque projet tribologique suit un protocole structuré en 3 étapes complémentaires pour une caractérisation complète :
Analyse du besoin tribologique
Étude de votre problématique d'usure ou frottement. Identification des matériaux en contact, conditions de fonctionnement (charge, vitesse, température, lubrification). Choix du tribomètre adapté et définition du protocole d'essais. Sélection des normes applicables (ASTM G99, F 732, ISO 7784...)
Réalisation des essais tribologiques
Préparation des échantillons et contrôle d'état de surface initial (rugosité, profilométrie). Montage et réglage du tribomètre. Essais d'usure avec enregistrement continu du coefficient de frottement. Environnements spécifiques : haute température, milieu lubrifié, forte charge. Observations in-situ si possible.
Caractérisation post-essais et rapport
Mesure de l'usure par pesée gravimétrique et analyse volumétrique des sillons. Observations MEB-EDS des surfaces et faciès d'usure. Profilométrie 3D et rugosimétrie. Identification des mécanismes d'usure (abrasion, adhésion, transfert...). Rapport détaillé avec courbes, images, interprétation.
Exemple d'application : Traitement SMAT
Évaluation d'un traitement de surface « SMAT : Surface Mechanical Attrition Treatment » sur la résistance à la rayure du matériau CoCrMo (CCM) et l'usure d'un couple CCM/UHMWPE, utilisé dans les prothèses de hanches :
Analyse micro-scratch CCM
Test de résistance à la rayure (Scratch-test)
Essais : Essais de rayure instrumentée sur échantillons CoCrMo (CCM) avec et sans traitement SMAT. Mesure de la profondeur de pénétration de l'indenteur, force critique de rupture du film, coefficient de frottement. Observations MEB des traces de rayure. Analyse comparative des mécanismes d'endommagement.
Tribomètre pion-disque
Essais d'usure sur couple CCM/UHMWPE
Essais : Essais tribologiques sur couple CoCrMo (disque) / UHMWPE polyéthylène (pion) avec et sans traitement SMAT du CCM. Milieu lubrifié (sérum physiologique). Mesure du coefficient de frottement. Évaluation de la perte de masse sur l'antagoniste UHMWPE par pesée. Analyse des sillons d'usure.
MEB-EDS & Profilométrie
Caractérisation post-essais
Essais : Observations MEB des surfaces après essais tribologiques. Cartographie EDS pour identification des produits d'usure et mécanismes de transfert. Profilométrie 3D des sillons d'usure pour quantification volumétrique. Analyse rugosimétrique comparative avant/après essais.
Vos questions, nos réponses
La tribologie est la science qui étudie le frottement, l'usure et la lubrification entre deux surfaces en contact et en mouvement relatif. C'est crucial pour la durabilité et les performances de nombreux systèmes mécaniques : prothèses articulaires, roulements, engrenages, revêtements anti-usure, outils de coupe, etc. Une mauvaise performance tribologique peut entraîner des défaillances prématurées, une perte d'efficacité énergétique et des coûts de maintenance élevés.
Nous testons tous types de matériaux : métaux et alliages (aciers, inox, alliages de cobalt-chrome, titane, aluminium...), polymères (UHMWPE, PEEK, PTFE, PA...), céramiques (alumine, zircone, carbures...), verres, composites, revêtements (DLC, nitruration, PVD, CVD...), traitements de surface. Nos essais s'adaptent aux propriétés spécifiques de chaque matériau.
Le scratch-test évalue la résistance à la rayure et l'adhésion d'un revêtement ou film mince en faisant glisser un indenteur sous charge croissante. Il est utilisé pour les couches minces (< 50 µm). Le test d'usure tribologique (tribomètre pion-disque par exemple) simule des conditions de frottement réelles sur des durées longues pour mesurer le coefficient de frottement et quantifier l'usure volumétrique. Les deux approches sont complémentaires.
Oui, notre tribomètre haute température permet des essais jusqu'à 800°C sous charge de 1 à 20 N. C'est particulièrement utile pour évaluer le comportement tribologique de matériaux pour applications hautes températures (aéronautique, énergie, automobile...) et mettre en évidence l'impact des couches d'oxydes formées en surface, leurs propriétés lubrifiantes et leur cinétique de désagrégation.
La norme ASTM F 732 définit les méthodes d'essai d'usure de matériaux polymères utilisés dans les prothèses articulaires. Notre tribomètre 3 postes multidirectionnel répond à ces spécifications avec des charges jusqu'à 500 N et des trajectoires multidirectionnelles (x, y). Il permet de solliciter les matériaux de manière plus réaliste en générant des contraintes de cisaillement, important pour les implants orthopédiques (UHMWPE notamment).
Oui, nous disposons de simulateurs d'usure pour implants articulaires (hanches, genoux) conformes aux normes ISO 14242 & 14243. Ces simulateurs reproduisent les cycles de marche physiologiques et permettent de mesurer l'usure gravimétrique et volumétrique sur des couples de matériaux réels (CoCrMo/UHMWPE, céramique/UHMWPE, céramique/céramique...) dans des conditions proches des conditions in-vivo.