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L.T.Jabir Bnou Hayane. SCIENCES DE L’INGENIEUR – Unité Production - Prof : A.Hasnaoui

Classe: 2 S.T.M Typologie des matériaux : Essais Mécanique Doc : 1/9

I.Mise en situation : Les essais, en laboratoire ou sur le terrain, apportent des renseignements précis et fiables sur

la qualité et les performances d’un matériau. II en existe un grand nombre ; des normes internationales règlent la plupart.

Les Principaux essais mécaniques sont : Essai de Traction. Essai de Dureté. Essai de Résilience. Essai de Fatigue. Essai de Fluage.

II. Essai de Traction : Essai le plus classique, il consiste à exercer sur une éprouvette normalisée (pièce de dimensions normalisées fabriquée dans le matériau à tester), cylindrique ou parallélépipédique (plate), deux forces égales et opposées qui vont la déformer progressivement puis la rompre. 2.1 Principe :

L’essai est réalisé sur une machine de traction. On applique progressivement et lentement (sans choc) à une éprouvette cylindrique de formes et de dimensions normalisées, un effort de traction croissant.

Exemples d’éprouvettes de traction usuelles.

Éprouvette en cours d’essai. Machine de traction

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2.2 Caractéristiques mesurées : Les deux points A et B sont situés sur l’éprouvette. L0 : Longueur initiale de l’éprouvette au repos (sans charge). L : Longueur de l’éprouvette mesurée sous charge F. F : Force exercée par la machine d’essai sur l’éprouvette.

2.3 Courbes contraintes déformations typiques : Pour un grand nombre de matériaux, comme les métaux et les alliages, les courbes obtenues présentent une zone, appelée domaine élastique, où le graphe est une droite (segment OA).Pour tous les points de cette droite, la déformation, ou l’allongement, est proportionnelle à la contrainte, ou à l’effort exercé, et le matériau (l’éprouvette) est parfaitement élastique (se comporte comme un ressort parfait).

2.4 Définitions : Module d’élasticité longitudinale E (N/mm2) : Il caractérise la pente de la droite de proportionnalité précédente et l’élasticité du

matériau testé. Plus E est grand, plus le matériau est rigide et inversement.

Exemples : E aciers = 200 000 N/mm2, E élastomères = 1 N/mm2. Loi de Hooke (= E) :

Cette loi, ou équation de la droite QA, traduit la proportionnalité précédente (en N/mm2, E en N/mm2 et sans unité). Elle est à la résistance des matériaux ce qu’est la loi d’Ohm à l’électricité.

Limite élastique Re (N/mm2) : Elle marque la fin du domaine élastique « point A ». Pour les valeurs supérieures le matériau ne se déforme plus élastiquement mais plastiquement (l’éprouvette ne retrouve plus ses dimensions initiales après déchargement, il subsiste un allongement permanent).

2.5 Courbes de traction de quelques matériaux :

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III.Essai de Résilience : 3.1 Principe : La résilience, de symbole général K, caractérise la capacité d’un matériau à absorber les chocs sans se rompre ; ce risque est amplifié aux basses températures. Elle est mesurée sur des machines du type Charpy (éprouvette sur deux appuis) ou Izod (éprouvette encastrée). Une jauge peut être collée sur le couteau (courbes : force déplacement). L’essai, qui est un essai comparatif entre matériaux, mesure l’énergie qu’il faut fournir à un pendule pesant pour briser une éprouvette entaillée du matériau à tester.

L’énergie absorbée par l’éprouvette (W) est égale à la différence des énergies potentielles du pendule entre le départ (W0 = P. h0) et l’arrivée (W1 = P. h1) :

W = W0 - W1 = P. h0 – P. h1 = P (h0 – h1). La résilience est égale au rapport de W sur l’aire de la section au droit de l’entaille.

3.2 Géométrie des éprouvettes 3.3Machine d’essai de résilience

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F (en joules)R=1

2

5



3.4 principe d’essai de résilience :

énergie potentielle du pendule : énergie absorbée par l’éprouvette : au départ : W0 = P.h0 W = P(h0 – h1) à l’arrivée : W1 = P.h1 = W0 – W1 W0 nominale = 300 J (Charpy) CALCULER Vitesse d’impact : V =………………………….

3.5 Caractéristique des éprouvettes entaillées en U :

55mm+0.6.

10mm+0.11.

10mm+0.09.

1mm+0.07.

5mm.

Longueur de l’éprouvette :

Hauteur de l’éprouvette :

Largeur de l’éprouvette :

Rayon à fond d’entaille :

Profondeur de l’entaille :

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3.6 Mode opératoire :

Placer le couteau à sa hauteur de départ ‘h0’. Disposer l’éprouvette entaillée entre ses deux appuis. Libérer le couteau qui va briser l’éprouvette.

Mesurer la hauteur de remontée ‘h1’ du pendule. Déduire l’énergie absorbée par la rupture W= P (h1 –h0).

IV - Essai de dureté : La dureté, de symbole général H, caractérise la capacité d’un matériau à résister au marquage (Empreintes, rayures...), à l’usure et à l’érosion.

Elle peut être évaluée en mesurant une empreinte laissée en surface par un poinçon agissant sous l’action d’une force connue (essais Brinell, Vickers et Rockwell) mais aussi par une hauteur de rebondissement d’un objet très dur sur la surface à tester (essai Shore pour élastomères et plastiques).

Exemples de machines d’essai de dureté.

4.1. Dureté Brinell (symbole HBW) : a/ Principe : Il consiste à imprimer dans la pièce à essayer une bille en acier ou en carbure de tungstène de diamètre D sous une charge F et à mesurer le diamètre a de l’empreinte laissée par la bille sur la surface de la pièce après enlèvement de la charge .

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La dureté Brinell HB est un nombre proportionnel au rapport F/S, où S est la surface en millimètres carrés de l’empreinte. b/ Désignation : F = charge d’essai en newtons d = diamètre de la bille en millimètres a = diamètre de l’empreinte en millimètres. h = profondeur de l’empreinte en millimètres. Avec : h = ( d – ( d^2 – a^2 )^0.5) / 2. HBS = bille en acier. HBW = bille en carbure.

Donc la relation qui permettant la détermination de HB est :

c/ Expression des résultats : Le symbole HBS ou HBW est précédé de la valeur de dureté et complété par un indice

précisant les conditions d’essai dans l’ordre suivant : Diamètre de la bille en millimètres. Nombre représentant la charge d’essai. Durée d’application de la charge en secondes.

d/ Exemple : 600 HBW 1-30-20 :dureté Brinell de 600 mesurée avec une bille de carbure de 1 mm sous une charge d’essai de 29.42 N appliquées durant 20 secondes.

4.2 Dureté Vickers (symbole HV) : Principe :

Il consiste à imprimer dans la pièce à essayer un pénétrateur de diamant en forme de pyramide droite à base carrée, d’angle au sommet de 136°, sous une charge F et à mesurer la diagonale d de l’empreinte laissée sur la surface après enlèvement de la charge. La dureté Vickers HBV est proportionnel au rapport F/S, où S est la surface de l’empreinte considérée comme pyramide droite.

Avec : d = (d1 + d2) / 2

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La surface de la pyramide à base carrée est :

La Dureté Vickers est exprimée par la relation suivante :

4.3. Dureté Rockwell (symbole HR) : Il consiste à imprimer en deux étapes un pénétrateur, bille ou cône, dans

La couche superficielle de la pièce à essayer et à mesurer l’accroissement rémanent h de la profondeur de pénétration.en exerçant deux charges d’intensité connue F0 et F1.

Exécution de l’essai : Le pénétrateur étant perpendiculaire à la surface à essayer,il est soumis sans chocs à

une charge initiale de pénétration F0. On applique au pénétrateur, progressivement et sans chocs (2 à 8 secondes),une

surcharge F1qui entraîne un accroissement de pénétration. On enlève la surcharge F1 pour revenir à la charge initiale F0. On mesure alors l’accroissement rémanent de la profondeur de pénétration h.c’est à

dire la différence de profondeur de pénétration sous charge F0 à la fin de l’essai et celui de début de l’essai.

Calcul de la dureté Rockwell pour différentes échelles :

HRAHRCHRD

Dureté Rockwell :

100 – h / 0.002

HRBHREHRK

Dureté Rockwell :

100 – h / 0.002

HRNHRT

Dureté Rockwell :

100 – h / 0.001

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Comparaisons indicatives des échelles de dureté usuelles

DEVOIR LIBRE N°3 Exercice1 : Après l’essai de traction de l’échantillon d’acier (diamètre Ø = 10 mm et longueur L = 100 mm), sous la charge de 12 KN, sa longueur s’allonge de 0.295 mm sont diamètre est alors réduit de 4.7 µ. Calculer les paramètres suivants :

L’allongement A en %. Le coefficient de striction Z en %. Le module de Young E.

Tracer la courbe de traction et indiquer les points caractéristiques de cette courbe.Re0.2.Re.Rm…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………….

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……………………………………………………………………………………………………………. Exercice 2 : On considère les courbes de traction des Trois matériaux présents ci-contre, classez-les par ordre décroissant par propriété (ductilité et résistance à la traction Rm).

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