Caractérisation mécanique

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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 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

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 1.2 Caractéristiques mécaniques des matériaux
Modules d'élasticité 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) e g E G t s

6 sR= se= 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) sR= Fmax S0 se= Fe S0

7 Allongement et striction
- Allongement relatif de l'éprouvette de longueur initiale l0 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%= Dl l0 S%= DS S0 m MPa

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/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) s log(N) 107 106 105 104 103

10 Résistance au fluage Dureté
- Contrainte qui à une température donnée entraîne une vitesse de déformation de 0,001% par heure - Contrainte s1000 , s10000 … 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
- 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

12 Coefficient de frottement et vitesse d'usure
- Caractérisation de deux matériaux et de l'environnement (air, graisse…) - Coefficient de frottement f Pn Pt f = Pt Pn Pt Pn - 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

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

14 2.1 Essai de traction Principe de l'essai Eprouvettes
- 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 l0

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 Mors de serrage Eprouvette

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

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 S%= DS S0 E = kl0 S0

18 2.2 Essai de torsion t = Principe de l'essai Intérêt de l'essai Mtx r
- 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) t = Mtx IX r G = kl0 IX

19 2.3 Essais de dureté Principe de l'essai Essai Meyer – Essai Brinell
- 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 pD (D - D2-d2 ) pd2 Essai Vickers - Expressions de la dureté : 2F 4F
- Même principe que Brinell et Meyer avec pénétrateur pyramidal (136°) - Nécessite un très bon état de surface 4F 2F HM = HB = pd2 pD (D - D2-d2 ) (surface apparente) (surface calotte sphérique) HV = 2×0,102 F sin (68°) d2

21 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 a b c e = a-c F0 F0 + F1 HRC = 100 - e 0,002 HRB (ou F) = 130 - e 0,002

22 Energie mesurée relative au type d'essai employé
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

23 Dispositif expérimental
- Dispositif classique : mouton pendule - Mesure de la différence entre l'angle au départ et à l'arrivée Cadran Position de départ Percuteur Éprouvette 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 Entaille Rupture fragile Rupture ductile KV Fragile Ductile Température

25 Contraintes alternées
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 s s s t t t Contraintes alternées Contraintes répétées Contraintes ondulées

26 Caractéristiques obtenues
- Diagramme de Wöhler s log(N) 107 106 105 104 103 - Limite d'endurance : plus grande contrainte pour laquelle la durée de vie est infinie - Aspect statistique : pour N donné, valeur de s correspondant à une probabilité de survie (ou de rupture) de 0,5 - Influence de la fréquence, et de l'environnement

27 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

28 2.5 Essais de fluage Principe de l'essai Machines et éprouvettes
- 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 s e e0 e t temps tR Courbes théoriques Courbes réelles Rupture
Fluage primaire Fluage secondaire Fluage tertiaire tR Rupture Courbes théoriques Courbes réelles e t e0 s Mise en charge

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) e Temps s 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