Relationship between the metallurgical state of martensitic stainless steels and particulate emission in braking situation
Relation entre l’état métallurgique d’aciers inoxydables martensitiques et les émissions de particules en situation de freinage
Résumé
Braking by friction is a source of particulate emissions critical to air quality, particularly in urban environments. Most of these particles are metal oxides, nanometric in size and potentially carcinogenic. They can bypass natural barriers and accumulate in the human body and biota, constituting a major public health and environmental issue. Iron oxides are the most common particles, originating from the wear of friction materials, notably the lamellar graphite cast iron that makes up the great majority of automotive brake discs. The aim of this thesis is to examine the potential for reducing these emissions at their source, through the use of alternative stainless steels to cast iron. Different grades of martensitic stainless steels are developed and compared with a lamellar graphite cast iron used as a reference. Two brake linings are considered to discriminate wear processes and their link with particulate emissions. To gain a better understanding of particle production and emission factors, the research focused on linking the dynamics of emissions with the tribological circuit and the thermomechanical loading of the disc-pad contact. To this end, we have developed an experiment capable of reproducing braking scenarios representative of urban and suburban traffic on a laboratory tribometer. The instrumentation set up includes a system for sampling and analyzing particle emissions, coupled with tribological, thermal and thermomechanical loading monitoring. The multiphysics and multiscale approach adopted is based on "operando" and "post mortem analyses of rubbed surfaces, wear and particle emissions. It questions the involvement of materials within the tribological triplet, and considers environmental, first-bodies (disc and pad) and usage factors. Links are established with the tribological circuit, the contact loading and the localization of energy dissipation in the contact. Wear processes are studied in relation to microstructures, deformation mechanisms and metallurgical transformations in the vicinity of the disc's worn surface, as well as surface oxidation mechanisms, for a better understanding of source flow formation and third-body circulation within the tribological circuit. The work, co-financed by the Hauts-de-France region and the Initiative d'Excellence Université de Lille, was carried out in partnership with APERAM Stainless Steel
Le freinage par friction est une source d'émission de particules critiques pour la qualité de l’air, particulièrement en milieu urbain. La plupart de ces particules sont constituées d’oxydes métalliques, de taille nanométrique et potentiellement cancérogènes. Elles peuvent franchir les barrières naturelles et s'accumuler dans le corps humain et le vivant, constituant ainsi un problème majeur de santé publique et environnemental. Les oxydes de fer sont les particules les plus courantes, provenant de l'usure des matériaux de friction, notamment la fonte à graphite lamellaire qui constitue la grande majorité des disques de frein automobile. L'objectif de la thèse porte sur le potentiel de réduction à la source de ces émissions par l’usage d’aciers inoxydables alternatifs à la fonte. Différentes nuances d'aciers inoxydables martensitiques sont développés et comparés à une fonte à graphite lamellaire utilisée comme référence. Deux garnitures de frein sont considérées afin de discriminer les processus d’usure et leur lien avec les émissions de particules. Pour mieux comprendre les facteurs déterminant de la production et de l'émission de particules, les travaux se sont attachés à lier la dynamique des émissions avec le circuit tribologique et la sollicitation thermomécanique du contact disque - garniture. Pour cela, une expérimentation est développée, capable de reproduire des scénarios de freinage représentatifs de la circulation automobile urbaine et périurbaine sur un tribomètre de laboratoire. L'instrumentation mise en place comprend un système de prélèvement et d’analyse des émissions de particules couplé à un monitoring tribologique, thermique et thermomécanique de la sollicitation. La démarche multiphysique et multiéchelle adoptée s’appuie ainsi sur des analyses "operando" et "post mortem", qu’il s’agisse des surfaces frottées, de l’usure et des particules émises. Elle questionne l’implication des matériaux au sein du triplet tribologique, et considère des facteurs environnementaux, premiers corps (disque et garniture) et d’usage. Des liens sont établis avec le circuit tribologique, la sollicitation et la localisation de la dissipation de l'énergie dans le contact. Les processus d'usure sont étudiés en relation avec les microstructures, les mécanismes de déformation et les transformations métallurgiques à proximité de la surface frottée du disque, ainsi que les mécanismes d’oxydation en surface, pour une meilleure compréhension de la formation des débits source et de la circulation du troisième corps au sein du circuit tribologique. Les travaux, co-financés par la région Hauts-de-France et l'Initiative d'Excellence Université de Lille, ont fait l'objet d'un partenariat avec la société APERAM Stainless Steel
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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