Nanoindentation, viscoplasticity & piezomechanics of zinc dithio-phosphate tribofilms
Nanoindentation, viscoplasticité & piézo-mécanique de films de dithio-phosphate de zinc triboformés
Résumé
Used since the Thirties, zinc dithiophosphates are lubricant additives having good antioxydant, anti-wear and extreme pressure properties thanks to the formation of protective films on rubbing surfaces. The introduction of catalytic mufflers in the Nineties, induced the emission of increasingly drastic standards limiting the content of phosphorus and sulphur in lubrication oils intended for automobile transport. These additives being the only phosphorus contributions within internal combustion engines, research was started again to understand their lubricating action modes within the contact and to try to find out potential substitutes.
If one learned much concerning their formation mode, their structure and their composition during the last fifteen years, their mechanical properties as their mechanical behavior remain under discussion.
This work tries to bring replies about their mechanical behavior within the contact.
First, thanks to the nanoindentation technique, the mechanical properties of tribofilms formed from
different additives were measured and compared to the structural, morphological and composition differences between the tribofilms. Then, with the aim of approaching actual conditions of contact, these mechanical properties were evaluated according to the temperature and the deformation rate. We also explored the property of these tribofilms to increase their elastic modulus when the pressure increases (anvil effect) through tests with high hydrostatic pressure.
We have highlighted, under high contact pressure, a relative independence of the mechanical properties of the tribofilms with respect to the type of additive used. We have also shown that, starting from a temperature of approximately 60°C, the behavior of the tribofilm evolved, passing from a viscoplastic nature to a character which we described as “shear-thinning like”. Lastly, the study of the tribofilm after a compression-decompression cycle highlighted the reversibility of the anvil effect in the studied range of pressure.
Utilisés depuis les années 30, les dithiophosphates de zinc sont des additifs de lubrification possédant de bonnes propriétés anti-oxydantes, anti-usure et extrême pression grâce à la formation de films protecteurs sur les surfaces frottantes. L’introduction, dans les années 90, des pots d’échappement catalytiques a entraîné l’émission de normes de plus en plus drastiques limitant la teneur en phosphore et en soufre des huiles de lubrification destinées au transport automobile. Ces additifs étant les seuls apports de phosphore au sein des moteurs à combustion interne, la recherche a été relancée pour comprendre leurs modes d’actions au sein du contact lubrifié et tenter de trouver des remplaçants potentiels.
Si l’on a beaucoup appris concernant leur mode de formation, leur structure et leur composition au cours des quinze dernières années, leurs propriétés mécaniques ainsi que leur comportement mécanique restent en discussion.
Ce travail tente d’apporter des éléments de réponse quant à leur comportement mécanique au sein du
contact.
Dans un premier temps, grâce à la technique de nanoindentation, les propriétés mécaniques de tribofilms formés à partir d’additifs différents ont été mesurées et comparées vis à vis des différences structurelles, morphologiques et de composition des tribofilms. Puis, dans le but de nous approcher des conditions réelles de contact, ces propriétés mécaniques ont été évaluées en fonction de la température et de la vitesse de déformation.
Nous avons également exploré la propriété de ces tribofilms à augmenter leur module d’élasticité lorsque la pression augmente (effet enclume) à travers des essais à pression hydrostatique élevée.
Nous avons ainsi pu mettre en évidence, sous pression de contact élevée, une relative indépendance des propriétés mécaniques des tribofilms vis-à-vis du type d’additif utilisé. Nous avons également pu montrer qu’à partir d’une température de 60°C environ le comportement du tribofilm évoluait, passant d’un caractère viscoplastique à un caractère que nous avons qualifié de « rhéofluidifiant ». Enfin, l’étude des tribofilms après un cycle compression-décompression a mis en évidence la réversibilité de l’effet enclume dans le domaine de pression étudié.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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