Matériaux céramiques Les matériaux réagissent différemment aux contraintes imposées par les contacts mécaniques en mouvement. Certains peuvent s'user, d'autres se briser, tandis que d'autres encore se décollent simplement de la surface.

Cet article explique comment mesurer le comportement d'un matériau céramique face à des forces opposées et les facteurs qui l'influencent. Nous abordons également des questions telles que « la résistance à l'usure est directement ou proportionnellement liée à la distance de glissement et à la charge de contact ».

De nombreuses céramiques applications industrielles présentent un risque élevé, il est donc important de connaître à l’avance dans quelle mesure un matériau céramique résiste à l’usure.

Qu'est-ce que le test de résistance à l'usure ?

Les tests de résistance à l'usure sont un mesure de la réponse de la surface du matériau céramique au frottement ou à la force opposéeCes tests évaluent les performances d'un matériau céramique dans des processus impliquant une action abrasive, une friction et une usure. Également appelés performances tribologiques des céramiques.

Les méthodes de test de la céramique comprennent Abrasion Taber, usure du disque à broches, méthode de test de rayures, méthode de la bille sur le disque, etc. 

Méthodes d'essai de la céramique

Comment mesure-t-on la résistance à l’usure ?

1. Technique d&#039;abrasion Taber</h3>

La technique d'abrasion Taber est une méthode de test relativement simple avec une norme de test céramique reconnue internationalement, ISO 4649/DIN 35516.

Lors du test, la feuille abrasive est montée sur un tambour rotatif. L'opérateur déplace ensuite un morceau de caoutchouc sur la feuille abrasive pour mesurer la perte de volume. Selon le taux d'usure, les résultats du test donneront des valeurs plus ou moins élevées.

Plus les chiffres sont bas, meilleure est la résistance à l'usure. Autrement dit, des chiffres élevés représentent un taux d'usure élevé, ce qui se traduit par une faible résistance à l'usure.

2. Test d'usure des broches sur le disque

Ceci est considéré comme l’un des le plus préféré Méthodes d'essai de résistance à l'usure de la céramique. Il s'agit de faire glisser une tige en céramique sur un disque rotatif (généralement fabriqué dans un autre matériau).

L'opérateur fait tourner le disque rotatif à une vitesse et une charge contrôlées. Il évalue ensuite le taux d'usure et la perte de volume après un nombre de cycles donné.

La technique d'usure par goupille sur disque simule les conditions générales de service, en testant frottement, abrasion et action adhésive. Cependant, il se peut que cela ne simule pas entièrement des conditions de travail difficiles.

3. Méthode de test de rayure

La méthode de test Scratch utilise une pointe ou un pénétrateur pour simuler ces types d'usure comme la coupe, le rainurage et le labourage. C'est pourquoi les pointes sont disponibles dans différentes tailles et formes.

Un opérateur fait glisser une pointe dure sur une surface en céramique à une vitesse et une charge contrôlées. Il mesure ainsi la charge critique ou la profondeur à laquelle la surface se fissure.

La méthode d'essai de rayure vise à évaluer l'adhérence des films céramiques et la ténacité à la rupture. Cependant, elle n'est pas aussi efficace que l'évaluation des effets de la fatigue sur la résistance à l'usure.

4. Méthode de la bille sur le disque

La méthode bille sur disque est une autre technique courante pour mesurer la résistance à l'usure. Elle consiste à faire glisser une bille sphérique (d'un matériau différent) à une vitesse et une charge contrôlées.

L'opérateur fait glisser la bille contre un disque plat en céramique pendant quelques cycles. Il évalue ensuite le disque pour calculer l'usure causée, en fonction de la profondeur de la cicatrice.

Cette méthode est relativement polyvalente. Elle permet de simuler différents types d'usure par rrouler, glisser ou changer la direction du mouvement de la balle. 

Cette méthode est conçue pour tester la dureté et l'état de surface du disque en céramique. Elle ne permet pas d'évaluer l'usure due à des facteurs tels que la température ou la lubrification.

Quelle est la relation entre la résistance à l’usure de la céramique et la dureté ?

La résistance à l'usure est-elle synonyme de dureté ? Ou… existe-t-il un lien direct entre les deux ?

Il n'est pas rare d'affirmer qu'un matériau céramique dur peut résister à tout type d'usure. C'est d'ailleurs ce qu'ont d'abord affirmé les chercheurs. Mais ils ont ensuite découvert quelque chose d'intéressant !

Lors de leurs premières recherches, les physiciens pensaient que la dureté et la résistance à l'usure des céramiques étaient toujours étroitement liées. Autrement dit, la dureté d'un matériau céramique se traduisait toujours par une meilleure résistance à l'usure.

Cependant, des recherches plus poussées ont révélé que La résistance à l'usure dépend de la microstructure d'un matériau céramique, de la ténacité des limites des grains, ainsi que de la taille et de la forme des grains. Autrement dit, la dynamique de résistance à l’usure était plus complexe qu’on ne le pensait auparavant !

Le mécanisme de résistance à l'usure s'est également révélé différent de la dynamique de dureté au niveau de la microstructure. La dureté dépend de la résistance de la liaison intergranulaire. À l'inverse, la résistance à l'usure nécessite que le matériau se détache de la surface d'usure.

Par exemple, les comparaisons entre la dureté et la résistance à l’usure céramiques d'alumine et les céramiques en zircone TZP ont montré ce contraste. Bien que les céramiques d'alumine soient généralement plus dures que la zircone TZP, cette dernière présente une meilleure résistance à l'usure que l'alumine.

Cela a également mis à l’écart la croyance courante selon laquelle la résistance à l’usure était simplement déterminée par les conditions de fonctionnement externes.

Par conséquent, tester la résistance à l'usure des matériaux céramiques nécessite une approche légèrement différente de celle des tests de dureté. Les méthodes d'essai d'usure des céramiques sont désormais guidées par la dynamique de l'usure et les facteurs qui l'influencent.

Il convient toutefois de noter que certains matériaux céramiques présentent à la fois une résistance à l'usure et une dureté supérieures à celles de leurs homologues. Nous disons simplement que La résistance à l'usure et la dureté de la céramique ne sont pas toujours directement liées et doivent être testées indépendamment.

Facteurs influençant la résistance à l'usure des matériaux céramiques

Les tests de résistance à l'usure des matériaux céramiques sont influencés par des facteurs internes et externes.

Les facteurs internes affectant la résistance à l’usure de la céramique comprennent joint de grain, porosité, et taille et forme.

Alors que les facteurs externes désignent simplement les conditions auxquelles les matériaux céramiques sont soumis dans le laboratoire d'essais de céramique.

• Limite des grains

Habituellement, de nombreuses céramiques sont polycristallines, ce qui signifie qu'elles sont composées de nombreux cristallites ou grains. La région entre deux grains est appelée limite de grains. Cependant, la région entre les grains est appelée une limite de phase s’ils présentent des propriétés différentes, comme la composition chimique.

Alors, comment cela affecte-t-il la résistance à l’usure d’un matériau céramique ?

Lors du frittage, un processus à haute température lors du moulage par injection, les céramiques subissent des impuretés intercristallines dues aux additifs. Cela se produit en raison de la présence de phase vitreuse entre les grains, réduisant ainsi leur force de liaison. Avec une force de liaison plus faible, des fissures se forment à la limite des grains.

Une usure importante se produit sur l'ensemble du grain lors du frottement et de l'abrasion. L'action abrasive produit encore plus de chaleur, ce qui affecte la viscosité de la phase vitreuse et provoque à terme une déformation plastique.

Une bonne quantité d’additifs et d’agents de durcissement jouent un rôle clé dans l’amélioration de la résistance à l’usure d’un matériau céramique. Dans le cas contraire, la limite de grain adjacente peut subir une usure importante en raison d’un manque de contrainte adéquate.

• Porosité

Lors de l'évaluation de la résistance à l'usure, la porosité est considérée comme une déformation affectant la force de liaison de la céramique. De plus, un pore favorise la formation de failles, ce qui affecte considérablement la concentration des contraintes.

Lorsqu'une force abrasive est appliquée, les pores facilitent la formation de fractures, aggravant ainsi l'usure. Autrement dit, moins un matériau céramique est poreux, plus il est susceptible d’être résistant à l’usure.

• Taille

La fabrication de la céramique nécessite une sélection rigoureuse des matériaux. L'un des paramètres est la granulométrie du matériau. Les céramiques à petits grains ont tendance à avoir des liaisons intergranulaires plus importantes et de meilleures propriétés mécaniques. Cependant, les grains plus gros sont cassants et plus susceptibles de s'user lors du frottement.

Facteurs externes

Comme indiqué précédemment, les facteurs externes affectant la résistance à l'usure de la céramique sont les conditions environnementales du laboratoire d'essais céramiques. Ces facteurs comprennent la corrosion, les impacts externes, la température et la pression.

• Corrosion: Les matériaux céramiques peuvent entrer en contact avec des composants contenant des agents corrosifs. Une exposition prolongée à de tels environnements peut entraîner une érosion ou un décollement. Leur structure cristalline et leur force de liaison peuvent également s'affaiblir.

• Impact externe : Cela inclut les vibrations et les collisions qui se produisent pendant le fonctionnement. Ces forces peuvent affecter la structure et la surface de la céramique. Les particules peuvent également se détacher et leur surface se décoller, accélérant ainsi l'usure.

• Température et pression : De nombreuses céramiques techniques peuvent résister à des températures et des pressions extrêmes. Cependant, elles peuvent perdre leur intégrité structurelle et commencer à se dégrader si les conditions sont extrêmes.

Matériaux céramiques résistants à l'usure et leurs applications

Les matériaux céramiques avancés comptent parmi les matériaux les plus prometteurs pour les industries mécaniques et techniques. Combinés à leurs stabilité chimique, températures de fusion élevées et modules élastiques, ils présentent des propriétés tribologiques exquises.

Parmi les autres propriétés, on peut citer une ténacité élevée à la rupture, une dureté élevée et une résistance thermique exceptionnelle. Ainsi, les céramiques résistantes à l'usure sont applicables à un large éventail d'applications industrielles, comme l'illustre le tableau ci-dessous :

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