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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

caracterisation mecanique

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Page 1: caracterisation mecanique

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

Page 2: caracterisation mecanique

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

Page 3: caracterisation mecanique

• 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

Page 4: caracterisation mecanique

• 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)

Page 5: caracterisation mecanique

1.2 Caractéristiques mécaniques des matériaux

• Modules d'élasticité

EG

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)

Page 6: caracterisation mecanique

• 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)

R=Fmax

S0

e=Fe

S0

Page 7: caracterisation mecanique

• 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)

- K1C facteur d'intensité de contrainte critique (unité : )

A%=

0

%=S

S0

mMPa

Page 8: caracterisation mecanique

- 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)

Page 9: caracterisation mecanique

• 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)

log(N)107106105104103

Page 10: caracterisation mecanique

• Résistance au fluage

- Contrainte qui à une température donnée entraîne une vitesse de

déformation de 0,001% par heure

- Contrainte 1000 , 10000 … 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)

Page 11: caracterisation mecanique

• 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

Page 12: caracterisation mecanique

• Coefficient de frottement et vitesse d'usure

- Caractérisation de deux matériaux et de l'environnement (air, graisse…)

- Coefficient de frottement f

f =Pt

Pn

Pn

Pn

Pt

Pt

- 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

Page 13: caracterisation mecanique

2 Essais mécaniques

Objectif : définir les principaux essais mécaniques

- définition du principe

- description des appareillages

- analyse des résultats, critique

- paramètres à prendre en compte

Page 14: caracterisation mecanique

2.1 Essai 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

Page 15: caracterisation mecanique

• 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

EprouvetteMors de serrage

Page 16: caracterisation mecanique

• Résultat : courbe de traction

- Courbe représentant l'effort F exercé en fonction de l'allongement

ou de la déformation

- Courbe contrainte – déformation

F

O

AB

OA : élastique linéaire (réversible)

AB : plastique (irréversible, non linéaire)

Déformation vraie : réelle = ln (1+)

Contrainte vraie : réelle = (1+)

O

vraie

conventionnelle

Page 17: caracterisation mecanique

• 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 =k0

S0

%=S

S0

Page 18: caracterisation mecanique

2.2 Essai 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)

=Mtx

IX

r

G =k0

IX

Page 19: caracterisation mecanique

2.3 Essais 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

Page 20: caracterisation mecanique

- 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°)

d2

HM =d2

4FHB =

2F

D (D - D2-d2 )

(surface apparente) (surface calotte sphérique)

Page 21: caracterisation mecanique

ab c

e = a-c

F0 F0 + F1 F0

HRC = 100 -e

0,002HRB (ou F) = 130 -

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

Page 22: caracterisation mecanique

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

Page 23: caracterisation mecanique

• 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

Page 24: caracterisation mecanique

• 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

Température

Fragile Ductile

Page 25: caracterisation mecanique

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

Contraintes alternées Contraintes répétées Contraintes ondulées

t

tt

Page 26: caracterisation mecanique

• Caractéristiques obtenues

- Diagramme de Wöhler

log(N)107106105104103

- 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

Page 27: caracterisation mecanique

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

2/1BW

PYK

Page 28: caracterisation mecanique

2.5 Essais 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

Page 29: caracterisation mecanique

t

0

t

t

0

t

Mise en charge

Courbes réellesCourbes théoriques

temps

Fluage primaire

Fluage secondaireFluage tertiaire

tR

Rupture

Page 30: caracterisation mecanique

• Caractéristiques obtenues

- Durée de vie pour une contrainte donnée, ou contrainte pour une durée

de vie de 1000 h, 10000 h…

- Loi de comportement

Exemple : Loi Puissance

• Essai de relaxation

- Souvent associé au fluage

- Déformation constante imposée, mesure de la contrainte (fonction du temps)

T

CCC

0

3

21 etσCε

Temps

Temps

Page 31: caracterisation mecanique

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