Elasticité et rhéologie d'une interface macroscopique : du piégeage au frottement solide
Résumé
We study the frictional properties of a multicontact interface (MCI), composed of a large set of microcontacts between the surface asperities of two macroscopic solids. We first investigate the sliding dynamics at a MCI under a harmonically modulated normal load. We show that the load modulation induces a decrease of the average friction force, and stabilizes sliding against stick-slip oscillations. The state- and rate-dependent friction model (SRF), which describes the sliding dynamics in terms of the competition between geometric aging by plastic creep of the microcontacts, interrupted by sliding, and interfacial rheology, does not account quantitatively for the observed effects. We successfully extend this model to account for the finite stiffness of the interface, which plays a crucial role in the coupling between normal load and friction force. In a second part, we study the interfacial response to a biased oscillating shear force, in order to obtain information about the crossover from static to dynamic regime at a frictional interface. We evidence, for force amplitudes close to the static threshold, the existence of a saturating creep response of the sheared interface. The SRF model alone cannot describe the creep dynamics, which suggests the existence of a structural aging mechanism acting in the nanometer-thick adhesive junction that forms the contact between asperities. To check this hypothesis, we perform a set of friction experiments at a rough/plane interface, allowing to probe accurately the interfacial rheology. We thus show unambiguously that the adhesive junction exhibits a behaviour which is very similar to that of sheared ``weak'' solids: it flows beyond a stress threshold, ages at rest, and is rejuvenated by motion.
Nous présentons une étude des propriétés de frottement d'une interface multicontacts (IMC), formée de multiples microcontacts entre les aspérités de surface de deux solides macroscopiques. Nous nous intéressons tout d'abord à la dynamique de glissement d'une IMC soumise à une charge normale modulée. Nous montrons que l'effet de la modulation est de diminuer la force de frottement moyenne, et de stabiliser le glissement vis-à-vis du stick-slip. Le modèle de frottement ``state and rate-dependent'' (SRF), qui décrit la dynamique de glissement en termes de la compétition entre vieillissement géométrique par fluage des microcontacts, interrompu par le glissement, et rhéologie interfaciale, ne rend pas quantitativement compte de ces effets. Nous l'étendons avec succès en tenant compte de l'élasticité interfaciale, dont le rôle est essentiel dans les couplages entre charge normale et force de frottement. Dans un deuxième temps, nous étudions la réponse interfaciale à une force tangentielle alternative biaisée, afin d'obtenir des informations sur la façon dont se fait le passage du régime statique, piégé, à glissant, dissipatif. Nous mettons en évidence, pour des amplitudes d'excitation voisines du seuil statique, un régime de fluage saturant sous cisaillement. Le modèle SRF ne permet pas à lui seul de décrire cette dynamique de fluage, ce qui suggère l'existence d'un mécanisme de vieillissement structural à l'\oe{}uvre au sein de la jonction adhésive, d'épaisseur nanométrique, formant le contact entre aspérités. Pour tester cette hypothèse, nous réalisons des expériences de frottement à une interface rugueux/lisse qui permettent de sonder finement la rhéologie interfaciale. Nous obtenons ainsi la preuve directe que la jonction adhésive confinée présente un comportement analogue à celui des solides vitreux ``faibles'' cisaillés~: elle s'écoule au delà d'un seuil, vieillit à l'arrêt, et ce vieillissement est interrompu par le cisaillement.