caractérisation mécanique caractéristiques mécaniques des matériaux doivent être...
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Caractérisation mécanique
• Caractéristiques mécaniques des matériaux doivent être
définissables sans ambiguïté en fonction des qualités ou des
capacités attendues
• Pas indépendantes des conditions de mesure
Présentation des grandeurs mesurables
Essais permettant de les obtenir
1 Propriétés mécaniques des matériaux
1.1 Qualités mécaniques attendues
• Rigidité : déformation réversible faible par rapport au chargement
appliqué (≠ souplesse)
• Résistance aux efforts :
(a) rupture : aptitude à ne pas se rompre sous l'effet d'un
chargement
(b) plastification : aptitude à ne pas se déformer de manière
irréversible sous l'effet d'un chargement
• Ductilité : capacité à se déformer avant de rompre
• Résilience : capacité à emmagasiner de l'énergie au cours d'une
déformation élastique
• Ténacité : capacité à absorber de l'énergie au cours d'une évolution
irréversible (plastification, rupture)
• Résistance à la fatigue : capacité à supporter des sollicitations
mécaniques cycliques plus ou moins régulières, alternées, répétées…
• Résistance aux chocs : capacité à absorber de l'énergie lors d'une
rupture par choc
• Dureté : résistance à l'enfoncement d'un pénétrateur (liée à la
résistance à la plastification)
• Résistance au fluage : aptitude à durer sous l'effet d'une charge
imposée à température élevée
• Résistance à la propagation de fissures : sensibilité à l'effet
d'entaille
• Amortissement : incapacité à restituer au cours de la relaxation des
sollicitations qui lui sont appliquées toute l'énergie emmagasinée lors de
la mise en charge
• Résistance à l'usure : résistance à l'enlèvement de matière par
frottement (couple de matériaux)
• Corrosion sous contrainte : couplage de deux sollicitations
(chimique et mécanique)
1.2 Caractéristiques mécaniques des matériaux
• Modules d'élasticité
EG
Module de Young E
Pente de la courbe contrainte - déformation dans le domaine élastique en traction pure
ou en flexion (unité : Pa)
Module de Coulomb G
Pente de la courbe cisaillement - glissement dans le domaine élastique en torsion pure
(unité : Pa)
• Résistance à la rupture
Charge maximale applicable à une section d'éprouvette sollicitée en traction
pure sans rupture (unité : Pa)
• Limite d'élasticité
Charge maximale applicable à une section d'éprouvette sollicitée en traction
pure sans entraîner de déformation plastique (unité : Pa)
R=Fmax
S0
e=Fe
S0
• Allongement et striction
- Allongement relatif de l'éprouvette de longueur initiale 0 après rupture
- Striction : variation relative de la section après rupture
• Ténacité
- Résistance à la rupture d'un matériau en présence d'une fissure (ou
résistance à la propagation de fissure)
- K1C facteur d'intensité de contrainte critique (unité : )
A%=
0
%=S
S0
mMPa
- Amplitude des contraintes à la pointe de la fissure
- I indique le mode de sollicitation tendant à ouvrir l'entaille
Mode I(ouverture)
Mode II(glissement droit)
Mode III(glissement vis)
• Résistance aux chocs ou résilience
- Energie absorbée lors de la rupture par choc en traction ou en flexion
(unité : J/cm2)
- Dépend des conditions de choc (plusieurs types d'essais)
- KCV, KV, KCU
• Limite d'endurance conventionnelle
- Contrainte maximale pour laquelle le matériau peut endurer une infinité de
cycles sans rompre (unité : Pa)
log(N)107106105104103
• Résistance au fluage
- Contrainte qui à une température donnée entraîne une vitesse de
déformation de 0,001% par heure
- Contrainte 1000 , 10000 … entraînant à une température donnée la rupture
après une durée de 1000h, 10000h…
• Dureté
- Plusieurs échelles de dureté : Vickers, Rockwell, Brinell…
- Force appliquée sur le pénétrateur / surface de l'empreinte
- Profondeur de pénétration de l'indenteur
- Considérée comme une grandeur repérable (sans unité)
• Seuil de non propagation en corrosion sous contrainte
- K1SCC = limite inférieure de K1C obtenue en milieu corrosif
- Valeur maximale de K1C pour laquelle une fissure ne se propage pas quel
que soit le temps de maintien en milieu corrosif
• Capacité d'amortissement
- Frottement interne au matériau
- énergie dissipée par le matériau au cours de sollicitations cycliques
K1C
log(t)
K1SCC
• Coefficient de frottement et vitesse d'usure
- Caractérisation de deux matériaux et de l'environnement (air, graisse…)
- Coefficient de frottement f
f =Pt
Pn
Pn
Pn
Pt
Pt
- vitesse d'usure proportionnelle à
(1) action normale de contact Pn
(2) probabilité de détacher un fragment de matériau par
usure
(3) inverse de la dureté du matériau
- Quantité de matière enlevée par unité de distance de frottement
2 Essais mécaniques
Objectif : définir les principaux essais mécaniques
- définition du principe
- description des appareillages
- analyse des résultats, critique
- paramètres à prendre en compte
2.1 Essai de traction
• Principe de l'essai
- Appliquer un effort de tension croissant suivant l'axe de l'éprouvette
- Choix d'imposer un effort ou une déformation avec une vitesse constante
• Eprouvettes
- Forme déterminée par le système de fixation
- Contrainte et déformation uniformes sur une longueur significative
- Pas de rupture dans les zones d'application des efforts
0
• Dispositif
- Alignement de l'éprouvette avec l'axe de traction
- Capteurs d'efforts dynamométriques ou à jauges
- Allongements : déplacement des mors, extensomètre ou jauges
Traverse supérieure mobile
Capteur de force
EprouvetteMors de serrage
• Résultat : courbe de traction
- Courbe représentant l'effort F exercé en fonction de l'allongement
ou de la déformation
- Courbe contrainte – déformation
F
O
AB
OA : élastique linéaire (réversible)
AB : plastique (irréversible, non linéaire)
Déformation vraie : réelle = ln (1+)
Contrainte vraie : réelle = (1+)
O
vraie
conventionnelle
• Caractéristiques mécaniques conventionnelles obtenues
- limite d'élasticité : généralement la limite conventionnelle à 0,2 ou 0,02 %
- résistance à la traction
- allongement à la rupture
- coefficient de striction
- module d'Young
- coefficient de Poisson
• Paramètres influençant les résultats
température, raideur de la machine, vitesse de déformation
E =k0
S0
%=S
S0
2.2 Essai de torsion
• Principe de l'essai
- Appliquer un moment de torsion et mesurer l'angle de rotation d'une
extrémité à l'autre de la barre
• Intérêt de l'essai
- Sollicitation non uniforme sur la section
- Permet obtenir le module de Coulomb (cisaillement)
=Mtx
IX
r
G =k0
IX
2.3 Essais de dureté
• Principe de l'essai
- Plusieurs types : Indentation, rayure, rebondissement…
- Pénétrateur enfoncé dans le matériau sous l'effet d'une force constante
- Mesure de la taille de l'empreinte ou de sa profondeur
- Peu destructifs employés dans l'industrie
- Liée à la limite d'élasticité et résistance en traction
• Essai Meyer – Essai Brinell
- Pénétrateur : bille polie (acier trempé ou carbure de tungstène)
- Mesure du diamètre de l'empreinte
- Expressions de la dureté :
• Essai Vickers
- Même principe que Brinell et Meyer avec pénétrateur pyramidal (136°)
- Nécessite un très bon état de surface
HV =2×0,102 F sin (68°)
d2
HM =d2
4FHB =
2F
D (D - D2-d2 )
(surface apparente) (surface calotte sphérique)
ab c
e = a-c
F0 F0 + F1 F0
HRC = 100 -e
0,002HRB (ou F) = 130 -
e
0,002
• Essai Rockwell
- Mesure de l'enfoncement rémanent du pénétrateur après une surcharge
(profondeur de l'empreinte)
- Plusieurs types de pénétrateur : cône diamant ou bille d'acier
2.4 Essais de choc
• Principe de l'essai
- Rompre par un choc une éprouvette entaillée
- Mesure de l'énergie nécessaire à cette rupture / section
au droit de l'entaille
Charpy Izod
Energie mesurée relative au type d'essai employé
• Dispositif expérimental
- Dispositif classique : mouton pendule
- Mesure de la différence entre l'angle au départ et à l'arrivée
Position de départ
Percuteur
Éprouvette
Cadran
appuis
• Caractéristiques obtenues
- Estimation de la résistance aux chocs : énergie / unité de surface
- Observation des faciès de rupture → comportement du matériau
- Paramètre important : température
→ Observation de la transition fragile / ductile
Entaille Entaille
Rupture fragile Rupture ductile
KV
Température
Fragile Ductile
2.4 Essais de fatigue
• Principe de l'essai
- Solliciter un échantillon avec des cycles d'efforts répétés
- Application à la traction, compression, torsion, flexion, fissuration
- Pas de forme générale d'éprouvette étant donné la variété d'essais
Contraintes alternées Contraintes répétées Contraintes ondulées
t
tt
• Caractéristiques obtenues
- Diagramme de Wöhler
log(N)107106105104103
- Limite d'endurance : plus grande contrainte pour laquelle la durée de vie
est infinie
- Aspect statistique : pour N donné, valeur de correspondant à une
probabilité de survie (ou de rupture) de 0,5
- Influence de la fréquence, et de l'environnement
2.5 Essais de ténacité
- Essais sur éprouvettes entaillées pour déterminer K1C
- 2 géométries : traction compacte (CT) ou flexion
- B : épaisseur, W : largeur, Y : fonction de la longueur d'entaille
2/1BW
PYK
2.5 Essais de fluage
• Principe de l'essai
- Fluage : déformation plastique évoluant avec le temps, dans un
matériau soumis à une contrainte constante (rupture possible)
- Application d'un effort constant, mesure de l'allongement
• Machines et éprouvettes
- Essais à haute température → sélection des appareils de mesure
t
0
t
t
0
t
Mise en charge
Courbes réellesCourbes théoriques
temps
Fluage primaire
Fluage secondaireFluage tertiaire
tR
Rupture
• Caractéristiques obtenues
- Durée de vie pour une contrainte donnée, ou contrainte pour une durée
de vie de 1000 h, 10000 h…
- Loi de comportement
Exemple : Loi Puissance
• Essai de relaxation
- Souvent associé au fluage
- Déformation constante imposée, mesure de la contrainte (fonction du temps)
T
CCC
0
3
21 etσCε
Temps
Temps
Conclusions
• Grande variété de propriétés → nombreux essais possibles
• Difficulté de mettre en pratique les conditions théoriques
• Nécessité des normes d'essais
• Importance des paramètres extérieurs