01-Caractéristiques mécaniques des aciers

8/13/2019 01-Caractéristiques mécaniques des aciers

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BA MEC - 02696_A_F - Rév. 0 19/09/2005

Raffinage-Pétrochimie-Chimie-Ingénierie———

SUPPORTAGE DES TUYAUTERIES

CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES DES ACIERS

INTRODUCTION .........................................................................................................................

I - L’ESSAI DE TRACTION.....................................................................................................

1 - Divers types d’éprouvettes normalisées : NF A 03-151/A 03-160/A 03-351.............................2 - Déroulement de l’essai.................................................................................................................3 - Caractéristiques obtenues lors de l’essai de traction...................................................................

II - LE FLUAGE........................................................................................................................

1 - Définition .....................................................................................................................................2 - Principe de l’essai de fluage.........................................................................................................3 - Buts des essais de fluage ............................................................................................................6

III - ESSAI DE FLEXION PAR CHOC (NF EN 10045-1) ........................................................1 - Principe de l’essai ........................................................................................................................2 - Types d’éprouvettes .....................................................................................................................3 - Influence de la température sur la résilience................................................................................

IV - ESSAI DE DURETÉ ...........................................................................................................

1 - Principe ......................................................................................................................................12 - Principaux essais de dureté .......................................................................................................10

© 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training



02696_A_F ©2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

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INTRODUCTIONLes efforts dus à l’action de la pression, associés aux amplitudes de température appliqués sur les diveréléments d’un appareil chaudronné, se décomposent selon les règles de calcul de résistance des matériauxen contraintes unitaires de traction, de compression et de cisaillement. Lors de la conception de ceéquipements, il faut déterminer le comportement des matériaux face à ces divers types de sollicitations.

Le caractère unitaire de la fabrication des appareils chaudronnés interdit, dans la majorité des cas, la pratiqde vérification de ces caractéristiques mécaniques de tenue à la pression et à la température, par laréalisation d’essais conduisant l’équipement à un état de ruine par déformation permanente ou par rupture

La nécessité d’obtenir des valeurs limites des caractéristiques mécaniques de ces matériaux conduit effectuer, sur des éprouvettes représentatives du matériau utilisé, une série d’essais déterminant la valeur ces caractéristiques.

Pour être totalement comparable, les essais doivent répondre à des critères définis par les normes en usage

Les essais les plus couramment pratiqués sont :

- l’essai de traction- l’essai de dureté- l’essai de flexion par choc

I - L’ESSAI DE TRACTIONCet essai permet de déterminer les caractéristiques mécaniques suivantes d’un matériau :

- la charge de rupture Rm- la limite conventionnelle d’élasticité Rp- les allongements A %

- la striction Z %- le module d’élasticité longitudinal E

Il consiste à soumettre une éprouvette, en général de forme cylindrique, à un effort de traction exercé seun axe longitudinal.

1 - DIVERS TYPES D’ÉPROUVETTES NORMALISÉES : NF A 03-151/A 03-160351a - Éprouvette cylindrique :

- Ø 20 mm - longueur entre repères Lo = 100 mm- Ø 10 mm - longueur entre repères Lo = 50 mm

b - Éprouvette rectangulaire :

- largeur éprouvette 20 mm, longueur entre repères Lo = 80 mm pour tôles ou feuillardsépaisseur 0,5 à 3 mm inclus

- largeur éprouvette 12,5 mm, longueur entre repères Lo = 50 mm pour tôles ou feuillardsépaisseur 0,5 à 2 mm inclus

c - Détail éprouvette cylindrique

D M A C 2 0 2 B

Section So D

Longueur entre repèreso = 5,65√So




2

2 - DÉROULEMENT DE L’ESSAI

0

Contrainte FSo

σ =

Rm

Rp σult

A

E

A%

%

B

C

D M A C 1 0 0 0 C

L’éprouvette est placée sur unemachine de traction. Il est réalisé unenregistrement de la déformation del’éprouvette sous l’action de la charge Framenée à la section initiale So.

3 - CARACTÉRISTIQUES OBTENUES LORS DE L’ESSAI DE TRACTION

a - Charge unitaireσσσσ

Quotient de la force de traction ramenée à la section initiale de l’éprouvette.

b - Charge de rupture maximale Rm

Charge unitaire maximale absorbée par le matériau

c - Charge ultimeσσσσ ult

Charge unitaire absorbée par le matériau au moment de la rupture.

d - Phase élastique

Partie OA de la courbe, elle correspond à une phase où les déformations sont proportionnelles aucharges unitaires. Durant cette phase, il y a restitution de la déformation après suppression de lacharge.

e - Phase plastique :partie AC de la courbeElle se décompose en deux parties :

- la partie AB correspondant à une phase dedéformation plastique ; lors de cette portion dedéformation, après suppression de la charge, le matériau conserveune partie de ladéformation obtenue lors du chargement

- la partie BC est toujours une phase de déformation à caractère plastique, mais en plusapparaît visiblement une zone d’étranglement de la partie cylindrique, de section So, c’est lstriction qui aboutit finalement à la rupture de l’éprouvette




3

f - Limite supérieure d’écoulement ReH

C’est le premier point de la courbe pour lequel il y a une augmentation de la déformation sanaccroissement de la charge unitaire.

Chargeunitaire

0 0,2 Allongement

L i m i t e s u p é r i e u r

d ' e c o u l e m e n t R

e H

L i m i t e c o n v e n t i o n n e l l e

d ' é l a s t i c i t é à

, 0 , 2

%

R p 0

, 2

D M A C 1 3 3 1 A

%

Les aciers ferritiques présentent unpalier d’écoulement assez bien défini, lalimite conventionnelle d’élasticité estalors caractéristique et très bien définie.

Les aciers austénitiques ne présentent pasde palier de plastification distinct. Il a étédéfini une limite élastique conventionnelle endéterminant un point arbitraire, intersectionde la courbe contrainte-déformation et d’unedroite parallèle à la tangente à l’origine de lapartie élastique et passant par un pointd’allongement réparti de 0,2 %.

Chargeunitaire

00,2

1,0

Allongement

L i m i t e c o n v e n t i o n n e l l e

d ' é l a s t i c i t é à 1

, 0 %

R p 1

, 0

D

M A C 1 3 3 2 A

R p 0

, 2

%

Dans le code de construction CODAP c’esttoujours la limite conventionnelle d’élasticité qui sertde référence dans les diverses déterminations des épaisseurs.

g - Module d’élasticité longitudinal E (appelé auparavant Module de Young)

C’est la caractéristique, quidans la phase élastique, relie les déformations unitaireslongitudinaleset les charges unitaires.

0

σ

α

D M A C 1 0 0 1 C

tgα =σ

(∆ l / l )

tgα = E Module d’élasticité longitudinal

La relation permettant de lier la contrainteà la déformation unitaire est connue sousle nom de la Loi de Hooke.

σ = E •∆ l

l




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h - Module d’élasticité transversal G(appelé auparavant Module de Coulomb)

C’est la caractéristique, qui dans laphase élastique relie la déformationtransversale et la chargeunitaire sous l’action d’un effort tranchant.

Τ

γ ΤC

C'

D

Section A

D M A C 1 3 2 9 A

Charge unitairede glissement τ =effort tranchant T

Section A

GlissementCC’CD = tgγ

Le module de Coulomb est le rapport

G =Charge unitaire : ττττ

Glissement : tgγγ γ γ

i - Coefficient de Poisson

Dans la phase élastique du matériau, le coefficient de Poisson caractérise le rapport de la déformatiolinéique transversale à la déformation linéique longitudinale.

Ce coefficient est défini par la relation :

νν ν ν =e II

e I

avece II dilatation linéique transversale (∆Ø/Ø)

e I dilatation linéique longitudinale (∆ l / l )

D’une manière générale le coefficient de Poissonvarie avec la température. Par exemple pour unacier en carbone il varie de 0,284 à 0,314 pour unevariation de température de 0 à 600°C.

F

FØ

Ø + ∆Ø D

M A C 1 3 3 0 A

j - Relation entre les deux modules d’élasticité

Ces deux modules sont liés entre eux par le coefficient de Poisson.

Pour l’acier ν = 0,3 :

G =E

2 ( 1 + νν ν ν ) → G =E2,6




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k - Caractéristique d’allongement A %

C’est l’augmentation de la distance entre repères, portée sur l’éprouvette au moment de la rupturexprimée en pourcentage, de cette distance initiale (Lo).

A % =Lult – Lo

Lo • 100

l - Caractéristique de striction Z %

C’est la diminution de la section de l’éprouvette, à l’endroit de la rupture, exprimée en pourcentagela section initiale (So).

Z % =So – Sult

So • 100

m - Écrouissage

RpM

A

0 0'%

σa

σ FS

D M A C 1 3 3 3 A

Si l’on applique sur l’éprouvette unecharge supérieure à la limite élastique,on obtient une déformation plastique

(∆ l a/ l ). Après suppression de la chargeunitaire σ a, le couple charge-déformation ne suit plus la courbeAMO, mais la droite AO’ parallèle à lapartie élastique OM et passant par lepoint A. Une remise en charge suivanten’entraîne pas forcément unedéformation plastique avant que lacharge unitaire ne soit supérieure àσ a.

On constate alors :

- que la limite élastique du métal s’est élevée de façon notoire,- que la charge de rupture à légèrement augmentée,- que la caractéristique d’allongement du métal a diminué.

Ce phénomène s’appelle l’écrouissage. Il réduit la malléabilité du métal, mais élève sa limiteélastique. Le réseau cristallin du métal écroué est légèrement déformé. Un traitement thermique drecristallisation lui permet de retrouver sa capacité de déformation initiale.




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II - LE FLUAGE

1 - DÉFINITION

Sous charge et température constantes, lorsqu’un matériau présente une instabilité dimensionnelledépendante du temps, cette instabilité se nomme“fluage”.

2 - PRINCIPE DE L’ESSAI DE FLUAGE

L’éprouvette est maintenue sous charge et température constante. La déformation de celle-ci estrelevée en fonction du temps.

Temps

Températureuniforme

Charge initialeσin

D M A C 2 0 7 B

σ i n 3

σ i n 2

σ i n 1

A

A

A

0

B

B

B

C

D D

DC

C

Lors de l’étude de ces courbes, il est à remarquer :

- que l’éprouvette subit un allongement instantané OA, dans le domaine élastique ouplastique en fonction de l’état de charge initial

- l’apparition d’une phase d’allongement AB, à vitesse décroissante appeléfluage primaireou transitoire

- puis une phase d’allongement BC, à vitesse constante appeléefluage secondaire. Danscertaines conditions de charge et de température cette zone peut totalement disparaître

- enfin, une phase d’allongement CD, à vitesse croissante appeléefluage tertiaire. À cestade le fluage conduit à la rupture.

3 - BUTS DES ESSAIS DE FLUAGE

Deux types de caractéristiques sont recherchés durant ces essais :

- la contrainte initiale provoquant un allongement déterminé (0,5 à 1 %), sous unetempérature donnée, en un temps égal à 100 000 heures

- la contrainte initiale provoquant la rupture en un temps égal à 100 000 heures

Il est admis, que pour les aciers non alliés au carbone et carbone-manganèse, sous une températurede 370°C, l’endommagement par fluage est considéré comme non significatif ; cette température eportée à 425°C pour les aciers inoxydables austénitiques, le nickel et les alliages de nickel.




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III - ESSAI DE FLEXION PAR CHOC (NF EN 10045-1)

Cet essai, appelé également essai de résilience, permet de caractériser la ductilité du métal par l’étude d

l’énergie absorbée lors du mode de rupture. Cette rupture peut se présenter sous deux aspects :- rupture ductile = intragranulaire et fibreuse- rupture fragile = intragranulaire et à grains

Le passage d’un mode de rupture à l’autre a été étudié plus particulièrement en fonction de la variation detempérature. Il a été possible de définir unetempérature de transition au-dessus de laquelle le métal est enmode de ruptureductiletandis qu’il est en mode de rupture fragile au-dessous.

1 - PRINCIPE DE L’ESSAI

o

M

Wo = P x ho

D M A C 2 0 9 B

H

h

30°

40

4 5 °

1 à 1 , 5

55 2

8 1 010

0,25

2 à 2,5

D M A C 2 0 8 B

Cet essai consiste à mesurer sur un “mouton de Charpy”, l’énergie nécessaire pour rompre uneéprouvette entaillée en son milieu. Une masse M possède une énergie potentielle (M • H), lors de schute, elle perd une partie de cette énergie pour rompre l’éprouvette et consomme l’énergie résiduelrestante pour remonter d’une hauteur h.

L’énergie nécessaire à la rupture est :

(M • H) — (M • h) = M (H — h)

La résilience est représentée par la valeur du quotient de l’énergie de rupture rapportée à la sectionrompue en cm2 et s’exprime en daJ/cm2.




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2 - TYPES D’ÉPROUVETTES

a - Éprouvette à entaille en V

Résilience exprimée en KCV. C’est l’éprouvette utilisée pour vérifier cette caractéristique, selon CODAP.

55

10

10

2

2

Détail de l'entailler = 0,25

45°45°

D M A C 1 3 3 7 A

b - Éprouvette à entaille en U

Résilience exprimée en KCU.

5510

10

5227,527,5

D M A C 1 3 3 8 A




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3 - INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE SUR LA RÉSILIENCE

Lors de la réalisation d’essais de traction, sous une basse température, sur un acier, il est possible de

constater que les critères de limite élastique et de charge de rupture augmentent, alors quel’allongement à la rupture diminue.

À une certaine température, la limite élastique et la charge de rupture sont identiques, il n’y a aloplus de déformation en phase plastique. Il est alors possible de constater que la ductilité, mesurée pala striction, diminue très rapidement lorsque la charge de rupture rejoint la limite élastique. Ltempérature Tt est appeléetempérature de transition de ductilité.

C o n t r a i n t e d e Ré s i s t a n c e à l a r u p t u r e L i m i t e é l a s t i q u e

r u p t u r e f r a g i l e

Température

Température

%%%

Déformationde striction

FS0

Types de diagrammesσ /(%)

à divers stadesde déformation

σ σ σ

σ =

Tt

Tt

D M A C 1 3 3 4 A

Les ruptures fragiles se produisent avec très peu de déformation plastique et présentent un faciès “àgrain” ; alors que les ruptures ductiles se produisent avec une forte déformation plastique et sontcaractérisées par un faciès “à nerf ”.

Pratiquement la température de transition est choisie arbitrairement comme étant soit:

- la température garantissant une valeur d’énergie minimale, le CODAP définissant unetempérature de référence TRgarantissant une résilience de 28 J sur une éprouvette typeKCV, désignée dans certains codes par le terme TK3,5

- la température fournissant une taux de cristallinité de 50 %. Le taux de cristallinité étant lrapport entre la surface de rupture “à grain” et la surface totale rompue de l’éprouvette. Cetaux a pour valeur 0 en rupture ductile et 100 en rupture fragile




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IV - ESSAI DE DURETÉ

1 - PRINCIPE

C’est un essai de compression.

Un pénétrateur, sous une charge F, laisse une empreinte à la surface de l’éprouvette. En général, lerapport de la charge de compression à la charge latérale de l’empreinte caractérise la résistance à lapénétration du matériau.

Le comportement des aciers face à la traction est identique en compression. Les valeurs résultantesde ces essais sont une bonne indication des caractéristiques de rupture sous traction de ce matériauet par voie de conséquence, de ses caractéristiques de limite élastique.

2 - PRINCIPAUX ESSAIS DE DURETÉ• Essai BRINELL

Le pénétrateur est une bille.

• Essai VICKERS

Le pénétrateur est une pyramide à base carrée.

• Essai ROCKWELL

Le pénétrateur est soit une bille, soit un cône. Dans cet essai on mesure l’enfoncement du pénétrateu

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