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Caractérisation mécanique Caractéristiques mécaniques des matériaux doivent être définissables sans ambiguïté en fonction des qualités ou des capacités.

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1 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

2 1Propriétés mécaniques des matériaux 1.1Qualités 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

3 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

4 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)

5 1.2Caractéristiques mécaniques des matériaux Modules d'élasticité EGEG 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)

6 Résistance à la rupture C harge 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 = F max S0S0 e = FeFe S0S0

7 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) - K 1C facteur d'intensité de contrainte critique (unité : ) A%= 0 %= S S0S0 mMPa

8 - 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)

9 Résistance aux chocs ou résilience - Energie absorbée lors de la rupture par choc en traction ou en flexion (unité : J/cm 2 ) - 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)

10 Résistance au fluage - Contrainte qui à une température donnée entraîne une vitesse de déformation de 0,001% par heure - Contrainte 1000, … 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)

11 Seuil de non propagation en corrosion sous contrainte - K 1SCC = limite inférieure de K 1C obtenue en milieu corrosif - Valeur maximale de K 1C 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 K 1C log(t) K 1SCC

12 Coefficient de frottement et vitesse d'usure - Caractérisation de deux matériaux et de l'environnement (air, graisse…) - Coefficient de frottement f f = PtPt PnPn PnPn PnPn PtPt PtPt - vitesse d'usure proportionnelle à (1) action normale de contact P n (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

13 2Essais mécaniques Objectif : définir les principaux essais mécaniques - définition du principe - description des appareillages - analyse des résultats, critique - paramètres à prendre en compte

14 2.1Essai 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

15 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 Eprouvette Mors de serrage

16 Résultat : courbe de traction - Courbe représentant l'effort F exercé en fonction de l'allongement ou de la déformation - Courbe contrainte – déformation F O A B OA : élastique linéaire (réversible) AB : plastique (irréversible, non linéaire) Déformation vraie : réelle = ln (1+ ) Contrainte vraie : réelle = (1+ ) O vraie conventionnelle

17 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 = k 0 S0S0 %= S S0S0

18 2.2Essai 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) = M tx IXIX r G = k 0 IXIX

19 2.3Essais 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

20 - 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°) d2d2 HM = d 2 4F HB = 2F D (D - D 2 -d 2 ) (surface apparente)(surface calotte sphérique)

21 a b c e = a-c F0F0 F 0 + F 1 F0F0 HRC = e 0,002 HRB (ou F) = 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

22 2.4Essais 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 CharpyIzod Energie mesurée relative au type d'essai employé

23 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

24 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 Rupture fragileRupture ductile KVKV Température FragileDuctile

25 2.4Essais 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 alternéesContraintes répétéesContraintes ondulées t t t

26 Caractéristiques obtenues - Diagramme de Wöhler log(N) 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

27 2.5Essais de ténacité - Essais sur éprouvettes entaillées pour déterminer K 1C - 2 géométries : traction compacte (CT) ou flexion - B : épaisseur, W : largeur, Y : fonction de la longueur d'entaille

28 2.5Essais 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

29 t 0 t t 0 t Mise en charge Courbes réellesCourbes théoriques temps Fluage primaire Fluage secondaire Fluage tertiaire tRtR Rupture

30 Caractéristiques obtenues - Durée de vie pour une contrainte donnée, ou contrainte pour une durée de vie de 1000 h, h… - Loi de comportement Exemple : Loi Puissance Essai de relaxation - Souvent associé au fluage - Déformation constante imposée, mesure de la contrainte (fonction du temps) Temps Temps

31 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


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