Qu'est-ce qu'un tribomètre ?

Le tribomètre est l'instrument de référence pour mesurer le frottement et l'usure entre deux surfaces en contact. Utilisé dans les laboratoires de recherche comme dans l'industrie, il permet de prédire la durée de vie d'un revêtement, de comparer des matériaux ou de valider l'efficacité d'un lubrifiant avant sa mise en service. Voici ce qu'il faut savoir pour comprendre son fonctionnement et choisir l'appareil adapté à vos besoins.

La tribologie, science du frottement et de l'usure

La tribologie (du grec tribein, « frotter ») étudie les phénomènes qui se produisent lorsque deux surfaces glissent, roulent ou frottent l'une contre l'autre : le frottement, l'usure et la lubrification. Ces phénomènes ont un coût considérable : pertes d'énergie, pièces à remplacer, arrêts de production. Mieux les maîtriser, c'est concevoir des mécanismes plus durables, plus économes et plus fiables, qu'il s'agisse d'un moteur, d'un outil de coupe, d'une prothèse de hanche ou de l'écran tactile d'un smartphone.

À quoi sert un tribomètre ?

Un tribomètre reproduit, de façon contrôlée et répétable, le contact entre deux matériaux. Il applique une charge connue sur un échantillon, met les deux surfaces en mouvement relatif et enregistre en continu la force de frottement qui en résulte. À la fin de l'essai, on mesure la quantité de matière enlevée. On obtient ainsi deux grandeurs essentielles :

• le coefficient de frottement, qui indique la résistance au glissement ;
• le taux d'usure, qui quantifie la perte de matière en fonction de la charge et de la distance parcourue.

Ces mesures permettent de classer des revêtements entre eux, d'optimiser un traitement de surface ou de contrôler la qualité d'une production.

Le principe de mesure

Lors d'un essai, une bille, un pion ou une goupille, appelé « antagoniste », est appuyé sur l'échantillon avec une force normale Fn. Le mouvement relatif génère une force tangentielle Ft, mesurée par un capteur de force. Le coefficient de frottement µ est le rapport entre ces deux forces : µ = Ft / Fn. Son évolution au cours de l'essai renseigne sur le comportement du contact : période de rodage, régime stable, puis éventuelle rupture d'un revêtement, qui se traduit par une variation brutale du signal.

L'usure se mesure après l'essai, en déterminant le volume V de matière enlevée dans le sillon d'usure. Rapporté à la charge appliquée et à la distance de glissement L, il donne le taux d'usure spécifique : k = V / (Fn × L), généralement exprimé en mm³/(N·m). C'est cette valeur qui permet de comparer objectivement la résistance à l'usure de différents matériaux.

Les principales configurations d'essai

Bille-disque (pin-on-disc)

C'est la configuration la plus répandue, appelée aussi « pion-disque » ou « pion sur disque ». L'échantillon, en forme de disque, tourne sous une bille ou un pion fixe, qui décrit une piste circulaire. Elle convient aux essais longs et aux grandes distances de glissement. Elle est décrite notamment par la norme ASTM G99.

Linéaire oscillant (reciprocating)

L'échantillon effectue un mouvement de va-et-vient rectiligne sous l'antagoniste. Ce mode reproduit les contacts alternatifs que l'on rencontre dans les moteurs, les glissières ou les articulations. Il est encadré par la norme ASTM G133.

Faibles charges : le milli-tribomètre

Les films minces, polymères, vernis ou écrans tactiles sont sollicités sous des pressions de contact très faibles. Leur étude exige un instrument capable d'appliquer et de mesurer des forces de l'ordre du millinewton, comme le Milli TRIBOtester, qui travaille de 0,001 à 3 N.

Les paramètres d'un essai tribologique

La pertinence d'un essai dépend de sa capacité à reproduire les conditions réelles d'utilisation. Les principaux paramètres à définir sont :

• la charge normale appliquée ;
• la vitesse de glissement et la distance totale parcourue ;
• la nature, le diamètre et la rugosité de l'antagoniste ;
• la lubrification : à sec ou en présence d'huile, de graisse ou d'un fluide ;
• l'environnement : température, humidité, atmosphère.

Un bon tribomètre doit permettre de régler et de contrôler précisément chacun de ces paramètres, afin de garantir des résultats répétables.

Mesurer l'usure avec précision

La mesure du volume usé est une étape souvent sous-estimée. Elle repose généralement sur un profilomètre, qui relève le profil transversal du sillon d'usure. Or, de part et d'autre du sillon se forment souvent des bourrelets de matière. Avec un palpeur « à patin », ces crêtes soulèvent la référence de mesure et faussent le profil : notre publication scientifique sur le sujet, parue dans la revue Friction, montre des erreurs pouvant aller de 30 % à trois fois la valeur réelle. Un profilomètre équipé d'un palpeur sans patin, à référence interne, évite ce biais. Intégré au tribomètre, il permet en outre de mesurer le sillon sans démonter l'échantillon et de poursuivre l'essai dans la même piste si l'usure est insuffisante.

Les options pour aller plus loin

Selon les applications, un tribomètre peut être complété par :

• une enceinte chauffante, pour des essais à haute température (jusqu'à 600 °C) ;
• une chambre climatique, pour contrôler l'humidité ;
• un module de tribocorrosion associant potentiostat et galvanostat, pour étudier l'usure en milieu corrosif, par exemple pour les implants biomédicaux.

Découvrez le détail de ces options du tribomètre.

Applications par secteur

Le tribomètre est utilisé partout où le frottement et l'usure conditionnent la performance d'un produit :

• revêtements durs PVD, CVD et DLC pour l'outillage et la mécanique ;
• automobile et aéronautique : segments, soupapes, freins, roulements ;
• lubrifiants et additifs pour huiles ;
• biomatériaux et prothèses articulaires ;
• polymères, peintures, verres ophtalmiques et écrans tactiles ;
• cosmétique, pour évaluer la sensation de glisse d'une crème.

Comment choisir un tribomètre ?

Avant d'investir, posez-vous les bonnes questions : quelle plage de charge correspond à vos matériaux ? Avez-vous besoin du mode rotatif, du mode linéaire, ou des deux ? Vos essais nécessitent-ils un contrôle de la température ou de l'humidité ? Comment mesurerez-vous l'usure ? Pensez aussi à l'évolutivité : un appareil qui peut être acheté dans une version de base puis enrichi d'options vous évite de racheter un instrument lorsque vos besoins changent. Enfin, la disponibilité du service après-vente et la possibilité d'étalonner vous-même l'appareil grâce à un kit de calibration sont des critères décisifs pour un équipement de laboratoire.

Le tribomètre TRIBOtechnic

Conçu et fabriqué en France, le tribomètre universel TRIBOtechnic réunit les modes bille-disque et linéaire oscillant sur un même appareil, avec des charges de 1 à 200 N. Évolutif, il accepte le profilomètre d'usure intégré, le module de tribocorrosion et l'enceinte chauffante. Vous souhaitez d'abord évaluer vos matériaux ? Notre service d'essais en laboratoire réalise vos tests pour vous.

Demandez la documentation technique ou contactez nos experts pour définir la configuration adaptée à vos besoins.

Article rédigé par Marc Bellantonio, fondateur de TRIBOtechnic, spécialiste de la tribologie depuis plus de 35 ans.