L’objectif de cette thèse est de proposer de nouvelles solutions matériaux moins sensibles à la fissuration par fatigue thermique induite en frottement, première cause de remplacement des disques de frein de véhicule « poids lourd ». Les performances en freinage doivent être équivalentes à celles obtenues avec le couple de matériaux actuels : disque de frein en fonte à graphite lamellaire- garniture en matériau de friction composite à matrice semi-métallique. L’étude repose sur une approche multidisciplinaire des phénomènes et des couplages induits en freinage. Elle comporte quatre parties : la première partie expose les principaux enjeux industriels et scientifiques du freinage des véhicules « poids lourds » ; la seconde développe une approche modèle-expérience originale pour caractériser les sollicitations de freinage conduisant à la dégradation de disques de frein échelle 1 en fonte à graphite lamellaire ; enfin les nouvelles solutions matériaux considérées sont évaluées suivant une étude tribologique (troisième partie) et en cyclage thermique (quatrième partie), développée en laboratoire / This PhD thesis was carried out with the aim of developing new materials for truck brake discs, so as to increase disc lifespans. Premature failure is the major problem encountered in the operation. Braking performances of new materials should be equivalent to those obtained with the current material couple: lamellar grey cast iron brake disc and commercial semi-metallic brake lining material. To do this, the study is divided in four parts: Firstly, major industrial and scientific aspects in braking are identified in literature and with investigations on truck brake discs used on road. Next, a coupled numerical-experimental approach enable us to characterize thermomechanical loadings induced by braking and leading to damage mechanisms of the lamellar grey cast iron disc. Finally, two aspects of new materials solutions are investigated in laboratory: tribological behaviour and thermal cycling behaviour

Dans les contacts fortement dissipatifs, la dissipation d'énergie par frottement conduit à des sollicitations thermiques très sévères qui peuvent avoir des répercussions conséquentes sur les performances, la durabilité des organes de friction, l'environnement ou la santé humaine. La connaissance des champs thermiques des surfaces de frottement est un enjeu de premier ordre. Dans le cas de mesures sans contact du rayonnement calorifique, elle s'avère difficile du fait de l'émissivité inconnue de ces surfaces, qui varie spatialement et temporellement lors du frottement. Les travaux ont concerné le développement d'une mesure de champs thermiques par thermographie bichromatique dont l'intérêt est d'accéder simultanément à la température et à l'émissivité de surface. Les difficultés résident dans le recalage spatial et temporel de deux imageurs infrarouges, la calibration en flux des caméras et la variation spectrale de l'émissivité. La technique développée a été appliquée à la mesure in situ des champs de température et d'émissivité d'un disque de frein pendant le freinage, et exploitée pour l'analyse des localisations thermiques induites par le frottement et de leurs interactions avec le circuit tribologique, tirant parti de la connaissance de l'évolution spatiale et temporelle de l'émissivité. / In highly dissipative contacts, the energy dissipated by friction leads to severe thermal loads which could have bad consequences on performances, on friction parts durability, on the environment or on human health. Therefore, knowledge of sliding surfaces thermal fields is a first-rate issue. Due to the lack of knowledge about the emissivity of those surfaces, which change both spatially and temporally during friction, measuring thermal fields is difficult. The work done concerned the development of thermal fields measurement by bispectral thermography, which allows to get simultaneously surface emissivity and temperature. The difficulties reside in the spatial and temporal images registration of two infrared cameras, in the camera flows calibration and in the spectral emissivity variation. The technique developed was applied to the in situ fields measurement of temperature and emissivity of a brake disc during braking. It was then used for analysis of thermal locations induced by friction and their interactions with the tribological circus, leveraging the knowledge of the spatial and temporal evolution of the emissivity.

Les matériaux composites organiques pour garniture de frein à friction sont le fruit d’une élaboration complexe, composée d’une succession d’étapes (mélange de constituants, préformage à froid, moulage à chaud, post-cuisson) ce qui rend difficile la maitrise du lien entre procédé, propriétés et comportement de ces matériaux en particulier du fait des synergies entre les constituants formant le mélange d’une part, et entre la composition et le procédé de fabrication d’autre part. Les travaux de thèse se sont focalisés sur deux étapes de fabrication, le moulage à chaud et la post cuisson, avec l’objectif de mieux comprendre l’influence de certains paramètres du procédé de fabrication sur les performances des matériaux : la température et la durée de moulage à chaud, la durée de post cuisson. L’analyse a porté sur la compréhension des liens entre la microstructure, les propriétés, le comportement tribologique et les mécanismes de frottement et d’usure, par le biais d’une démarche expérimentale fondée sur des formulations matériaux simplifiées ainsi que sur des essais d’usure élémentaires, spécifiques aux sollicitations de freinage / Organic composite friction materials for brake lining result from a complex elaboration made up of successive stages (mixture of constituents, cold preforming, hot molding, post-curing) that makes difficult the mastery of the link between process, properties and behaviour of friction material, especially because of synergies between constituents on one hand, and between composition and manufacturing process on the other hand. Two manufacturing stages were involved in this study, the hot molding and the post-curing, with the aim of a better understanding of the influence of certain parameters of the manufacturing process: the temperature and the duration of hot molding, and the duration of post curing. The analysis has focused on the understanding the relationship between microstructure, properties, tribological behaviour and friction and wear mechanisms of materials.The experimental approach was based on the development of simplified formulations of friction material, and on an elementary wear test specifically designed for braking loadings