TS CM Technologie De Construction page 1avril 2005 Thème 7 : Essais mécaniques des aciers Essais mecaniques

1 Rappels : Usage, nuance et qualité

1.1 DésignationLe système de désignation des aciers précise :

• L'usage de l'acier, par exemple « construction métallique (S ) » • Sa caractéristique de base, la nuance • Des caractéristiques secondaires, la qualité

Exemple : S 235 JRG2 : acier de StructureReH de 235 Mpa…énergie de rupture 27 J à 20°Cnon-effervescent (désoxydé au manganèse).

1.2 NuanceLa nuance d'un acier de CM, définie par la norme NF EN 10025, détermine les valeurs

garanties des caractéristiques :

• De limite élastique, ici la limite supérieure d'écoulement ReH. 235 MPa (e≤16 )• De résistance à la traction Rm 340-470 MPa• De l'allongement à la rupture A% 26% (e≤40 mm)

Ces caractéristiques dépendent del’épaisseur du produit (pour un profilé,on considère l’épaisseur la plus grande).

1.3 QualitéLa qualité permet de définir des variantesd’un acier :

1. résistance à la rupture fragile (essaide résilience)

2. teneurs en éléments chimiques (pourla soudabilité)

3. conditions de désoxydation(effervescent ou non, calmé)

Les valeurs courantes sont :

a. JR mesure à 20°Cb. J0 mesure à 0°Cc. J2 mesure à -20°C

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2 Essai de traction

2.1 Rôle et cadre L'essai consiste à soumettre une éprouvette à un effort de traction croissant en vue dedéterminer ses caractéristiques mécaniques. Cet effort et l'allongement de l'éprouvette peuvent êtremesurés simultanément ; on obtient une courbe de traction. Le mode opératoire et les méthodes de dépouillement sont indiqués dans la normeNF EN 10002 Les résultats sont influencés par :

• La vitesse de mise en charge ; elle ne doit pas dépasser 30 MPa / s en zone élastique et15% / min en zone plastique.

• La température : ambiante pour les produits courants. • La rigidité de la machine dont les déformations perturbent les mesures d'allongement. • Les proportions de l'éprouvette.

2.2

2.3 Eprouvette proportionnelle• Produit d'épaisseur >3 mm Pour les éprouvettes cylindriques, on choisit :

1. L0 = 5 d0 c'est à dire L S0 0= 5 65.2. longueurs entre repères : 50 et 100 mm

pour les valeurs conseillées.

2.4 Courbes typiques des aciers On distingue deux types principaux de courbes de traction suivant la présence ou non d'uncrochet et d'un palier à la limite d'élasticité. La courbe a correspond à des aciers ferritiques (acierscourants de CM ou inoxydables auchrome) ; la courbe b avec un passageprogressif correspond à des aciersausténitiques (aciers alliés ou inoxydablesau chrome-nickel). Ce passage progressifnécessite la définition d'une limiteconventionnelle (Rp0.2).

2.5 Caractéristiques étudiées

2.5.1 Charges unitaires L'effort de traction mesuré estramené à une contrainte par division par la section initiale de l'éprouvette (S0) ; on obtient descharges unitaires (inférieures aux contraintes réelles) notées :

• ReH limite supérieure d'écoulement.

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• ReL limite inférieure d'écoulement. • Rp charge unitaire à la limite conventionnelle d'élasticité • Rm résistance à la traction.

2.5.2 Limite de proportionnalité (d'élasticité) Courbes avec crochet et palier

La partie linéaire avant ReH est la zone élastique traduite par la loi de Hooke σ ε= E. Le module d'élasticité E n'est pas mesuré expérimentalement sur cette courbe, mais par l'étude desfréquences de vibration du matériau.

2.5.3 Palier plastique Les phénomènes du crochet et dupalier correspondent à une déformationhétérogène de l'éprouvette, c'est à dire à lanaissance d'une petite zone plastifiée qui sepropage ensuite à toute l'éprouvette ; lacharge recommencera à croître lorsque toutela tige sera plastifiée (cf. figures en dernièrepage).

L’existence de ce palier est fondamentalepour la CM : adaptation plastique de

l’additif 80. Le rapport entre ReH et ReL dépenddes rigidités de la machine et de l'éprouvetteainsi que des concentrations de contraintesau raccord des têtes.

2.5.4 Déformation plastique répartie etstriction

Entre le palier plastique et la résistance à latraction, l'éprouvette est déformée plastiquement tout engardant sa forme cylindrique ; si la charge est retirée,l'éprouvette garde un allongement rémanent. Cetallongement est appelé allongement réparti Ar. Après la résistance à la traction et jusqu'àrupture, l'éprouvette se déforme en diabolo et la chargeadmise par l'éprouvette diminue : c'est la striction.L'allongement correspondant est l'allongement destriction AZ.

2.5.5 Allongement à la rupture L'allongement défini par la norme est l'allongement total A% :

A L LL%

u 0

0= ⋅

−100

Allongementréparti

Striction

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La valeur intéressante en CM est celle de l'allongement réparti (avant la rupture) ; cette valeurdépend de la longueur de l'éprouvette. L'allongement de striction dépend lui de la section de l'éprouvette ; c'est pourquoi on définit deséprouvettes proportionnelles où le rapport entre Ar et AZ est constant quelle que soit la taille

2.6 Influence de la température

Les propriétés de l’acier évoluent en fonction de la température. On a ainsi, de part et d’autre de la température ambiante, vers les hautes températures,

l’évolution des propriétés à chaud et, vers les basses températures, l’évolution des propriétés àfroid.

La tendance générale de l’évolution de Re et Rm a la forme des courbes de la figure ci-dessous.

Pour les aciers doux aux très basses températures, il y a augmentation très forte de Re et Rm,avec baisse d’allongement et apparition de phénomènes de fragilité.

Au-dessus de la température ambiante, on observe une baisse de Re et R, jusque vers 400 °C,

où les phénomènes de fluage l’emportent ; il n’est plus possible alors de mesurer la limite élastique.

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3 Essai de résilience

3.1 Essai Cet essai consiste à rompre d’un seul coup de « mouton de Charpy » une éprouvette entaillée en V. On mesure l’énergie absorbée par le choc grâce à la hauteur de remontée. Cette résilience est désignée par le symbole KCV.

Cette résilience dépend beaucoup de latempérature.

a. JR mesuré à 20°Cb. J0 mesuré à 0°Cc. J2 mesuré à -20°Cd. …

4 Choix de la qualitéLa qualité d’un acier est choisie en fonction de trois facteurs :

1. conditions de service = position de la contrainte par rapport à ReH,2. vitesse de mise en charge (chocs…),3. conséquence de la ruine (effets locaux, effondrements…)

Ces facteurs permettent de décider de la qualité selon la température de service et l’épaisseur de lapièce étudiée.

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