L’enjeu de ce travail concerne la dissipation interfaciale et volumique induite par le frottement dans les matériaux composites modèles á base d’époxy renforcée par du carbone, ainsi que dans l’époxy pure. Alors que la dissipation interfaciale dépend surtout des propriétés d’une couche mince de surface, la dissipation volumique induit des déformations de volume importantes. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude expérimentale de frottement sur les résines époxy renforcées par des fibres et des nanoperles de carbone en différentes concentrations sous des conditions tribologiques faibles. Afin de comprendre les résultats obtenus, une loi de frottement généralisée pour le frottement interfacial entre deux composites a été proposée. Basée sur la théorie de Bowden et Tabor et appliquée au contact des composites, elle requiert un paramètre géométrique de contact et des coefficients de frottement locaux. En fonction de l’hypothèse appliquée, la contrainte de cisaillement ou la dureté effective pour toutes les phases du composite, elle découle sur une loi de proportionnalité directe ou inverse. Ces résultats analytiques complètent et expliquent les tendances obtenues expérimentalement : la loi directe doit être appliquée pour le contact composite/époxy, tandis que la loi inverse est valide pour le contact composite/composite. La deuxième partie du travail expérimental est consacrée á l’étude sur l’époxy pure et celle renforcée par des fibres de carbone sous des conditions tribologiques plus sévères. Son objectif est d’étudier la dissipation volumique et l’usure associée. Dans ce cadre, une approche multi-échelle est établie, qui consiste d’abord á calculer les paramètres macroscopiques, comme le taux d’usure, l’énergie dissipée par le frottement, le coefficient de frottement et l’augmentation de la température. Ces paramètres sont ensuite couplés avec les observations des surfaces endommagées. Cette approche nous permet de distinguer plusieurs régimes d’usure, i.e. l’abrasion á deux et trois corps, l’adhésion, la fatigue et les effets thermiques, et associer leur apparence et leur évolution avec les paramètres macroscopiques. Contrairement á l’époxy pure, le composite renforcé par des fibres de carbone s’avère être plus résistant á l’usure. / An investigation of interfacial and bulk friction-induced dissipation in model epoxy-based composite materials reinforced with carbon fillers, as well as pure epoxy, is a challenge of this PhD thesis. While the interfacial dissipation depends mostly on surface properties of very thin material layer, the bulk dissipation involves high volume deformations. Firstly, an experimental friction investigation on carbon fibre- and carbon nanopearl-reinforcedepoxies of different filler volume friction under soft tribological conditions is carried out. In order to understand the results, a generalized frictional law for interfacial friction between two composites is proposed. It is based on Bowden and Tabor theory applied to multimaterial contact and requires a contact in-plane geometry parameter and local friction coefficients. Depending on applied assumption, effective shear stress or effective hardness for all composite phases, it results in direct or inverse proportionality frictional law. These analytical results complete and explain the experimentally obtained tendencies: the direct law should be applied to the composite/epoxy contact, while the inverse law is valid for the composite/composite contact. The second part of the experimental work deals with pure epoxy and carbon fibre-reinforced epoxy under severe tribological conditions. It aims to investigate bulk frictional dissipation and associated wear. A two-scale approach is established, which consists in calculation of macro parameters, such as wear rate, dissipated frictional energy, friction coefficient and relative contact temperature rise, and their coupling with damaged surface observations. This approach allows us to distinguish several wear modes, as two-body and three-body abrasion, adhesion, fatigue and thermal effects, and to associate their appearance and evolution to macro parameters. In contrast to pure epoxy, carbon fibre-reinforced epoxy tends to be more wear resistant.

Le comportement local au contact et son interaction avec la dynamique globale du système sont à l'origine d’innombrables problèmes de contact concernant plusieurs disciplines telles que la tribologie, la géophysique, la mécanique de vibration ou la mécanique de la rupture. Lorsque deux corps élastiques sont en mouvement relatif avec une interface de frottement, des vibrations induites se produisent dans le système. Dans un point de vue macroscopique, le scénario macroscopique de stick-slip survenant pendant le mouvement relatif est caractérisé par la chute soudaine de la force de frottement (état de glissement), séparées par des périodes d'accumulation d'énergie élastique (état d’adhérence). Autrement, une instabilité dynamique se produit quand un mode de vibration du système mécanique devient instable en raison des forces de frottement. Ces types d'instabilités, générées par des forces de frottement, ont été principalement objet de publies traitant de problèmes spécifiques dans différents domaines. Dans ce contexte, des analyses expérimentales et numériques ont été ici mis en place pour comprendre comme le comportement de l'interface locale affecte la réponse macroscopique du système et vice-versa, au cours de scénarios d'instabilité. Les scénarios macroscopiques (instabilité de « stick-slip macroscopique », instabilité modale, glissement continu stable), survenant entre deux milieux élastiques simples en mouvement relatif, ont été étudiés numériquement et expérimentalement. Un dispositif expérimental dédié (TRIBOWAVE) a été développé et a permis de reproduire et examiner les différents scénarios de frottement dans des conditions aux limites bien contrôlées. Les mêmes scénarios de frottement ont été reproduits par des simulations numériques transitoires. Une loi de frottement en fonction du temps d’adhérence (stick) a été définie à partir des essais expérimentaux. La loi de frottement obtenue a été mise en œuvre dans le modèle numérique, conduisant à une validation quantitative des scénarios de frottement par les expériences. Les simulations transitoires non linéaires, l’analyse aux valeurs propres complexes et les tests expérimentaux ont permis de dessiner des cartes de scénarios d'instabilité en fonction des paramètres clés du système. Validé par la comparaison avec les mesures des signaux expérimentaux globaux (forces, accélérations / vitesse), le modèle numérique a permis d'étudier le couplage entre le comportement du contact local (distribution de l'état du contact, propagation des ondes et des ruptures, précurseurs) et la réponse dynamique du système au cours du « stick-slip macroscopique », de l’instabilité due au couplage modale et du glissement continu stable. La compréhension du couplage entre le contact et la dynamique des systèmes apportera de nouvelles améliorations sur le contrôle des instabilités de contact et les problèmes d'usure connexes. / Local contact behavior and its interaction with the global dynamics of the system are at the origin of innumerable contact issues concerning several different disciplines like tribology, geophysics, vibration mechanics or fracture mechanics. When two elastic media are in relative motion with a frictional interface, friction induced vibrations arise into the system. By a macroscopic point of view, the “macroscopic stick-slip” scenario occurring during relative motion is characterized by sudden friction force drops (sliding state) along the time, separated by periods of elastic energy accumulation (stick state). Instead, the mode dynamic instability occurs when a vibration mode of the mechanical system becomes unstable, due to frictional contact forces. This kind of instabilities, generated by frictional forces, have been mainly object of papers dealing with specific issues in different domains. In this context, experimental and numerical analyses have been focused here on understanding how the local interface behavior affects the macroscopic frictional response of the system, and, conversely, during instability scenarios. The macroscopic frictional scenarios (macroscopic stick-slip instability, mode coupling instability, stable continuous sliding) arising between two simple elastic media in relative motion have been investigated numerically and experimentally. A newer experimental setup (TRIBOWAVE) has been developed and it allowed to reproduce and to investigate the different scenarios under well-controlled boundary conditions. The same frictional scenarios have been reproduced by transient numerical simulations. A dedicated friction law as a function of adherence (sticking) time has been recovered by means of experimental tests. The obtained friction law has been implemented in the numerical model, leading to a quantitative validation of the simulated scenarios by the experiments. Nonlinear transient simulations, complex eigenvalue analyses and experimental tests allowed for drawing instability maps as a function of system key parameters. The numerical model, validated by the comparison with the experimental global measurements (forces, accelerations/velocity), allowed for investigating the coupling between the local contact behavior (contact status distribution, wave and rupture propagation, precursors) and the system dynamic response during macroscopic stick-slip instability, mode coupling instability and stable continuous sliding. The understanding of the coupling between contact and system dynamics will bring to further improvements on the control of contact instabilities and related wear issues.

Le secteur du transport en Europe dépend à 98% du pétrole, participe pour plus de 30% à la consommation énergétique et représente plus de 20% des émissions totales de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, le développement des biocarburants permettrait une diversification énergétique et une diminution des émissions de gaz à effet de serre, les biocarburants ayant un impact environnemental réduit. De plus, le frottement dans les moteurs diesel est responsable de la perte de la consommation totale d'énergie de près de 15%. La plupart de ces pertes sont liées au contact piston-chemise. Développer les biocarburants peut alors contribuer à réduire d’une part la consommation d’énergie et d’autre part les émissions polluantes. L'additivation de biocarburants avec des modificateurs de frottement organiques (MF) peut être l’une des solutions pour répondre à cette problématique. Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés de réduction de frottement de différents types de MF organiques dans les matrices carburant (B0) et biocarburant (B7), en contact acier / acier. Une diminution significative du coefficient de frottement, de plus de 50%, a été observée en présence d'un mélange d'acides gras en matrice B7 à 100 °C. De plus, peu d’usure est causée durant le test en frottement grâce à la formation d'un tribofilm organique. Cette tribofilm semble être amorphe et généré par une réticulation accélérée des acides gras insaturés (MF) en présence d'esters (B7) dans les conditions tribologiques utilisées. Appuyé par des techniques d’analyses de surface, un mécanisme d'action de réduction de frottement par les additifs organiques dans les biocarburants est proposé et de nouvelles pistes de développement sont présentées. / Improve friction efficiency and environmental sustainability of engines have been increasing in importance since the end of 20th century. Indeed, friction in diesel engines is responsible for almost 15% loss of the total energy consumption. Most of these losses are related to the pistonliner contact. The development of new biofuels, allowing an energy diversification and decreasing the emissions of greenhouse gases due to their reduced environmental impact, can contribute to environmental sustainability and reduction in energy costs. The additivation of biofuels with organic friction modifiers additives (FM) can be an essential way to address this problem. In this thesis, we investigated the friction reduction properties of different kinds of organic FM in fuel (B0) and biofuel (B7) matrixes for steel/steel contact. A significant decrease of friction coefficient, more than 50%, was observed in the presence of a mixture of fatty acids blended to the B7 matrix at 100°C. Moreover, almost no wear is caused on the track thanks to the formation of an organic tribofilm. This organic-based tribofilm appears to be amorphous and generated by an easiest crosslinking of the unsaturated fatty acids (FMs) in the presence of esters under tribological conditions. Supported by advances surface analyses, a potential friction reduction action mechanism of acid-based additives in biofuels is proposed and new avenues for development are provided.

Les enjeux de consommation d'énergie et de sécurité ont fait du frottement entre les pneumatiques et la chaussée une propriété importante lors de la conception de nouveaux pneumatiques. Pour mesurer ces efforts de frottement deux cinématiques sont couramment utilisées : la mise en glissement et le roulement/glissement. Les lois de frottement issues des expériences de mise en glissement sont assez bien interprétées. En revanche, le lien qui existe entre ces lois de frottement et le comportement en roulement/glissement est encore mal compris. En particulier, les modèles de roulement/glissement n'incorporent pas la transition entre frottement statique et frottement dynamique, bien que cette phénoménologie soit bien établie expérimentalement. Dans cette thèse, nous proposons différents modèles de frottement en roulement/glissement qui étendent ceux de la littérature en intégrant explicitement la transition de frottement statique/dynamique. Pour tester ces modéles dans le cas du contact pneu/chaussée, nous avons réalisé des expériences selon les deux cinématiques, sur un contact simplifié élastomère/chaussée. A partir des expériences de mise en glissement, les paramètres de la loi de frottement sont identifiés, en fonction de la force normale appliquée, de la vitesse de glissement et de la nature de la chaussée. Ces résultats sont implémentés dans nos modèles, pour produire des prédictions en roulement/glissement, qui sont finalement comparées avec les mesures obtenues en roulement/glissement. De plus, certaines hypothèses des modèles ont été testées par des expériences de visualisation in situ du contact. En particulier nous confirmons, sur une interface élastomère/verre, la présence simultanée d'une zone collée et d'une zone en glissement en conditions de roulement/glissement. / For safety and energy consumption issues, tyre friction has become an important property when designing tyres. There are two main kinematic conditions which are commonly used to measure friction forces : the onset of sliding and the rolling/sliding. The friction laws which are extracted from the onset of sliding experiments are rather well interpreted. In contrast, the link between those frictions laws and the rolling/sliding behaviour remains incompletely understood. In particular, the rolling/sliding models do not take into account the transition between static friction and dynamic friction, although it is a well-established phenomenology. In this manuscript, we propose diérent models of friction in rolling/sliding, which extend those of the literature by explicitly integrating a static/dynamic friction transition. To test these models in the case of a tyre/road contact, we performed experiment in the two kinematic conditions, on a simpliéd elastomer/road contact. From the onset of sliding experiments, we identify the parameters of the friction law as functions of the applied normal force, the sliding speed and the type of road. These results are used as inputs in our models to predict the rolling/sliding behaviour, and are eventually compared with the corresponding experiments. In addition, we have tested several assumptions made in the models by performing in situ contact imaging experiments. In particular we con_rm, on an elastomer/glass interface, the simultaneous presence of a sticking and a slipping zone in rolling/sliding conditions.

Au Québec, il existe près de 6000 barrages et ouvrages régulateurs dont il est nécessaire d'assurer la sécurité et la stabilité. Les barrages-poids en béton, concernés par cette étude, sont soumis à plusieurs sollicitations telles que la poussée des eaux et l'action des sous-pressions. Ces sollicitations peuvent entraîner le cisaillement de l'ouvrage selon qu'elles se développent au sein d'une ou plusieurs interfaces suivantes: contact béton-béton, interface béton-roc de fondation et discontinuités roc-roc. La résistance au cisaillement de ces matériaux est gouvernée par leur friction et leur cohésion. La détermination de ces paramètres est donc primordiale dans l'établissement de la stabilité d'un barrage-poids en béton. Pour répondre à cette problématique, ce projet de maîtrise s'est concentré sur les paramètres de résistance au cisaillement (principalement l'angle de friction et la cohésion) des différentes interfaces des barrages, obtenus à partir des essais de résistance au cisaillement. Une base de données comportant plusieurs centaines d'essais a été constituée à partir de rapports d'essais de résistance au cisaillement disponibles sur des barrages-poids en béton du Québec.Au total, des essais provenant de 30 barrages-poids en béton, 4 carrières et 2 projets de barrages ont été incorporés dans la base de données. Ces ouvrages, construits entre 1911 à aujourd'hui, ont été investigués dans les années 1985 à 2010. Les données recueillies ont permis d'établir que plusieurs variables semblaient influencés [i.e. influencées] par la résistance au cisaillement. Les facteurs influençant les paramètres de résistance au cisaillement (tels que la nature du roc, la rugosité, l'effet d'échelle, la granulométrie, l'altération, etc.) ont été étudiés par des analyses statistiques. Notamment, les analyses en composantes principales ont permis d'établir des corrélations entre les différentes variables et les données d'essais, tandis que les classifications ascendantes hiérarchiques ont regroupé les données semblables et contribuer [i.e. contribué] à mieux comprendre les relations entre les variables. Plus particulièrement, ce sont les relations entre les paramètres de résistance au cisaillement et les types de roches formant les fondations rocheuses des barrages du Québec qui étaient recherchés [i.e. recherchées]. Les principaux résultats de ces analyses ont été les suivants : (1) Il n'existe pas de relation linéaire (c'est-à-dire directe) entre les paramètres de résistance au cisaillement et les divers types de rocher de fondation ; (2) Il n'y a pas d'effet d'échelle sur les résultats à l'échelle de l'éprouvette de laboratoire ; (3) Il existe une corrélation importante entre les paramètres de résistance au cisaillement et les paramètres de rugosité des épontes. Cette étude a donc permis de mieux comprendre le comportement au cisaillement des interfaces d'un barrage-poids en béton et d'établir que le facteur prépondérant demeure relié à la morphologie des épontes des discontinuités. En outre, certaines modifications à la méthodologie actuelle pour la détermination des paramètres de résistance au cisaillement ont été proposées, permettant d'approfondir les relations avec la rugosité des épontes.

La production d'aubes en TA6V par matriçage à chaud (vers 940°C) donne occasionnellement l i eu à l'apparition de défauts de surface. La lubrification est assurée côté outils par un lubrifiant graphité, côté pièces par un film d'émail, mélange d'oxydes métalliques et de liant s organiques déposé à froid sur l'ébauche et d'épaisseur de l'ordre de 100 à 200 μm. Après une étude bibliographique, nous étudions l'évolution du film d'émail lors du préchauffage sur échantillons et au cours du procédé industriel sur pièces (aubes, " soucoupes "). Le préchauffage confère au film d'émail des propriétés proches de celles des verres métalliques, réduit fortement son épaisseur , mais laisse une porosité et une rugosité variables qui ne permettent pas la mesure de sa viscosité par des méthodes classiques. Le défaut est une accumulation locale d'émail et de graphite et résulte d'une conjugaison de facteurs : excès d'épaisseur et de porosité résiduelle du film d'émail , température d'outil trop élevée, avarie du film lubrifiant... Un mécanisme de formation du défaut par écoulement de l'émail à l'interface métal-outil du centre vers le bord du contact et rupture de la croûte du film à l'extérieur du contact est proposé. Pour déterminer la viscosité des films d'émail, nous développons deux essais de déformation isotherme de métal revêtu d'émail : indentation à basse température fournissant la température de transition fragile ductile correspondant à 101 0 Pas environ ; compression à température élevée permettant d'estimer la viscosité par mesure de l'épaisseur du film piégée. La mise au point de cet essai s'est faite sur un verre étalon par modification des géométries (piégeage entre outil et lopin, puis entre deux lopins) et par simulation numérique du piégeage (Forge2® multi-mat.) afin de corriger l'analyse théorique de Wilson. Enfin. un essai anisotherme d'écrasement de cylindre sur génératrice permet d'étudier l'effet du lubrifiant, de l'épaisseur d'émail et de l a température d'outil sur le frottement et la répartition d'émail à l'interface. La simulations numérique (Forge3®) permet d'identifier le frottement et d'analyser l'évolution d'épaisseur de l'émail : elle dépend de l'étirement superficiel du métal et des gradients de température superficielle et de pression de contact. L'écoulement de l'émail est mis en équation et sa résolut ion à partir des données issues de la simulation du forgeage (pression de contact, scission de frottement, température superficielle) permettrait d'évaluer la redistribution d'émail au cours du matriçage et les risques d'apparition du défaut.

Cette thèse traite de la modélisation de systèmes de corps rigides soumis à un nombre fini de contraintes unilatérales. Comme toute modélisation, celle-ci ne constitue au mieux qu'une approximation de la réalité. Pour des architectures lourdes comme les robots marcheurs, les masses importantes des différents segments peuvent remettre en cause l'hypothèse de rigidité des corps, du moins à l'instant des impacts. Notons néanmoins que les phénomènes vibratoires aux moments des chocs ne remettent nullement en question l'aspect "corps rigides" grace à un un coefficient de restitution prenant en compte de manière explicite l'énergie dissipée par les vibrations. Une autre critique potentielle de l'approche pour laquelle nous avons opté est que les appuis au sol peuvent être réalisés par l'intermédiaire de structures molles, en collant par exemple des semelles en caoutchouc pour lesquelles la loi de frottement sec d'Amontons-Coulomb ne constituerait qu'une piètre approximation (il serait alors nécessaire d'avoir recours à un modèle incluant du frottement visqueux). Notons encore que des résultats expérimentaux récents concernant des chocs de barres pouvant constituer une première approximation d'une jambe d'un bipède avec un sol rigide montrent que le modèle très simple d'Amontons-Coulomb appliqué au niveau impulsionnel livre des résultats acceptables.

Lors de l'utilisation d'une émulsion en tant que lubrifiant, au-delà d'une plage de fonctionnement stable où le frottement reste à peu près constant, il existe souvent une vitesse critique de quelques m/s, au-delà de laquelle accélérer provoque une hausse du frottement. En conséquence, les lamineurs ne peuvent raisonnablement laminer pour des vitesses supérieures à cette vitesse critique. Les gains de productivité se voient ainsi plafonnés. Pourquoi cette augmentation, et comment pourrait-on l'éviter ?Pour répondre à cette question, nous avons d'abord mis en relation des mesures globales en laminage (frottement moyen, Reich et al.) avec des mesures d'épaisseur de film lubrifiant faites par Zhu et al. dans un contexte assez différent : l'Elasto-HydroDynamique (EHD). En effet, le comportement observé en EHD nous a paru susceptible de fournir une bonne explication au comportement relevé en laminage.Conforter cette analogie entre deux situations nettement différentes passe par la modélisation. Il faut cerner les mécanismes qui concourent à la formation du film lubrifiant dans les deux cas. Nous avons donc repris des modèles de la littérature : celui de Szeri et celui de Wilson. Nous les avons complétés et couplés, après avoir constaté que chacun devait représenter de manière satisfaisante les conditions régnant dans les diverses parties du contact.En matière de lubrification, le modèle développé montre que la taille des gouttes d'huile et la capacité qu'elles ont de s'adsorber, de former un plate-out conséquent constituent des paramètres nettement plus influents que la viscosité.

Ce mémoire présente une étude de la perméabilité aux gaz et du frottement d'interface des géocomposites bentonitiques (GCBs) et d'autres systèmes géosynthétiques utilisés en couverture des centres de stockage des déchets. La perméabilité aux gaz a pu être étudiée grâce à la conception d'un équipement et d'une nouvelle méthodologie d'essai permettant la mesure de la perméabilité aux gaz en régime transitoire des géocomposites bentonitiques partiellement hydratés. Comparée à la méthode conventionnelle de détermination de ce paramètre en régime stationnaire, la méthode proposée a donné des résultats similaires, mais plus rapidement et avec un appareillage plus simple. <br />La caractérisation du frottement d'interface de géosynthétiques a été réalisée à travers l'emploi de l'équipement « plan incliné », adapté aux faibles contraintes de confinement. Cette étude a montré que les géosynthétiques sont sensibles à la déformation cumulée sur leurs surfaces, ce qui joue sur leurs propriétés de résistance au cisaillement d'interface. Les constats experimentaux conduisent à une discussion sur l'usage des géosynthétiques de renforcement du sol de couverture selon la méthodologie constructive traditionnelle qui utilise ces géosynthétiques pour renforcer l'interface sol-géotextile supposée critique. De plus, des interfaces géosynthétiques avec géocomposites bentonitiques ont été étudiées pour évaluer leur comportement résistant en fonction du degré d'hydratation de la composante bentonite, de l'incidence des cycles de sèchage-humidification, du ruissellement d'eau au niveau de l'interface, de l'humidification de l'interface et du type de géotextile de contact.

Ce travail expérimental s’intéresse à l’écoulement en aval d’un swirler statique court. L’induction d’un mouvement de swirl est une solution connue pour augmenter le gradient pariétal de vitesse. L’augmentation du frottement pariétal présente un intérêt industriel dans les échangeurs de chaleur pour accroître leurs potentiels de transfert de chaleur et diminuer leurs vitesses d’encrassement. Nous proposons d’approfondir la connaissance des écoulements avec swirl décroissant à faibles nombres de Reynolds pour lesquels l’intérêt énergétique est a priori plus important. Dans un premier temps, le champ d’écoulement est caractérisé à l’aide de méthodes optiques, pour identifier le type de tourbillon caractérisant le swirl. Dans un second temps, la méthode électrochimique est utilisée pour mesurer le frottement pariétal instationnaire. Par analogie, ces mesures permettent d’obtenir une première estimation du transfert de chaleur en écoulement anisotherme. / This experimental work is interested in understanding the flow downstream a short static swirler. Inducing a swirl motion is a known solution to increase the wall velocity gradient. The increase in wall shear stress is useful in industrial heat exchangers in order to enhance their heat transfer capabilities and reduce their fouling rates. We try to go deeper into knowledge of decaying swirl flows, for low Reynolds number for which energy interest is greater a priori. First, we study the flow field with optical methods in order to identify type of vortex characteristics of the swirl. Second, electrochemical method is used to measure the unsteady wall shear stress. By analogy, these measurements give a first estimate of the heat transfer for the case of non-isothermal flows.