MEC2405 Lab1 Traction Durete v3

MEC2405 – Résistance des matériaux II

Avant-propos Les séances de laboratoire de Résistance Des Matériaux II visent à rendre l’étudiant capable :

• d’utiliser les méthodes expérimentales pour évaluer le comportement mécanique des matériaux (contraintes et déformations) sous des chargements spécifiés;

• d'évaluer les principales propriétés mécaniques des matériaux métalliques; • d’établir les différences entre le comportement idéalisé et le comportement réel d'une structure

mécanique simple; • de comparer les charges limites des normes nord-américaines avec les valeurs mesurées

expérimentalement.

Cinq séances de laboratoire sont prévues à cet effet :

1. Propriétés mécaniques des matériaux; 2. Mesure de la déformation; 3. Étudie de la torsion et de la flexion; 4. Étude des poutres-colonnes; 5. Étude d'un profilé en flexion gauche.

Avant chaque séance de laboratoire, l’étudiant doit se préparer en lisant attentivement le syllabus dans le cahier de laboratoire.

Pendant la séance de laboratoire, les étudiants sont regroupés en équipe de trois pour la réalisation des expériences demandées à l’aide d’un banc d’essai mécanique. Aucun rapport n'est exigé à la fin de la séance; cependant, chaque étudiant doit tenir un cahier de laboratoire ET un cahier de résultats personnel. De plus, certains graphiques et calculs seront remis sous la forme de fichiers Excel (un par équipe). Pour chaque laboratoire, les éléments devant apparaître dans les cahiers et les éléments à remettre dans les fichiers Excel seront clairement indiqués dans le syllabus du laboratoire. Veuillez clairement expliquer votre démarche et ajouter des commentaires pertinents dans votre cahier de laboratoire puisque ce document sera votre seule documentation lors de l'examen de laboratoire. Des commentaires sur les sources d’erreurs et leur quantification devront également être inscrits.

À la fin de la séance de laboratoire, chaque étudiant devrait laisser son cahier de résultats ainsi que les fichiers Excel au responsable de la séance pour évaluation (calculs et présentation). L’étudiant pourra récupérer son cahier de résultats à la séance suivante.

MEC2405 – Séance n˚1 : Propriétés mécaniques des matériaux

1 - 1

Séance no 1

Propriétés mécaniques des matériaux TABLE DES MATIÈRES

Introduction .............................................................................................................................................. 2

Essai de traction statique .......................................................................................................................... 2

1. Comportement d’un échantillon en traction ................................................................................ 2

2. Contrainte et déformation ............................................................................................................ 3

3. Comportement général d’un matériau ......................................................................................... 4

4. Propriétés mécaniques identifiables par un essai de traction ...................................................... 5

Essai de dureté (Essai Brinell) ................................................................................................................... 7

Montage .................................................................................................................................................... 8

Principe de fonctionnement ..................................................................................................................... 9

L’interface LabVIEW ................................................................................................................................ 11

Les Manipulations ................................................................................................................................... 12

1. Essais de traction ........................................................................................................................ 12

2. Essais de dureté Brinell ............................................................................................................... 15

Annexe A – Les essais de dureté Vickers et Rockwell ............................................................................. 18

Annexe B – Essai d’impact Charpy .......................................................................................................... 27

Annexe C – Propriétés mécaniques de quelques métaux ...................................................................... 31


1 - 2

INTRODUCTION La caractérisation des propriétés mécaniques d’un matériau est un élément important de l’ingénierie puisqu’elle permet d’assurer la fiabilité mécanique des pièces utilisées en conception ainsi que de faire de la modélisation de pièces, d’assemblages et de structures.

Ce laboratoire comporte deux parties :

• Les démonstrations: o Un essai de traction statique normalisé sur une machine uniaxial (machine d’essai Baldwin); o Un essai de dureté Rockwell (théorie à l’Annexe A); o Des essais d’impact, à l’aide d’une machine d’essai Charpy, sur des échantillons normalisés

d’acier, à température ambiante et à basse température (théorie à l’Annexe B). • Les expériences réalisées par les étudiants:

o Essais de traction statique réalisés à l’aide d’un tensiomètre Hounsfield instrumenté et de l’acquisition de données à l’aide d’un ordinateur et une d’une interface LabVIEW ;

o Essais de dureté Brinell sur différents matériaux réalisés à l’aide du même tensiomètre Hounsfield instrumenté.

ESSAI DE TRACTION STATIQUE L’essai de traction statique est couramment utilisé dans l’industrie puisqu’il permet d’évaluer les principales propriétés mécaniques d’un matériau sous certaines conditions de chargement, tels que le module de Young, la limite d’élasticité, la contrainte ultime, etc. Pour connaître les propriétés mécaniques d’un élément mécanique, il n’est pas nécessaire d’effectuer un essai de traction sur la structure complète, un simple échantillon prismatique ou cylindrique judicieusement choisi est suffisant. Plusieurs normes proposent une régularisation des essais de traction statique (par exemple, ISO 6892 et ASTM E8 pour les métaux à température ambiante). La rigueur apportée par les normes assure l’obtention de résultats reproductibles et comparables.

1. Comportement d’un échantillon en traction Un échantillon cylindrique ayant une section constante (diamètre Do) et une longueur délimitée Lo

(appelée longueur de jauge) dont les deux extrémités sont insérées dans les mâchoires rigides d’une machine de traction uniaxiale (c’est-à-dire que la machine applique une traction suivant l’axe longitudinal de l’échantillon) (voir Fig. 1). En appliquant une charge P en traction (charge positive), l’échantillon s’allonge de δ sur toute sa longueur Lo et sa longueur correspondante devient L = Lo + δ (Fig. 1.a). Il est possible de reporter la charge appliquée P sur l’échantillon en fonction de son allongement δ dans un graphique, appelé graphique P - δ (charge-allongement). Pour les métaux et les alliages, on obtient un graphique tel que montré à la Fig. 1.b:

- Jusqu’à une certaine charge Pl, l’allongement δ est proportionnel à la charge P appliquée. Il s’agit de la réponse linéaire pouvant être assimilée au domaine élastique du matériau. Tout comme un ressort, le matériau sous l’effet d’une charge dans le domaine élastique reprendra sa forme originale une fois déchargé (déformation nulle).


1 - 3

- Au-dessus de Pl, δ n’est plus proportionnel à P et l’échantillon rentre dans le domaine plastique où les déformations subies par l’échantillon sont permanentes. Par la suite, la courbe s’aplatit jusqu’à la charge maximale Pu appelée charge ultime où la courbe P - δ rentre dans une phase décroissante. La résultante de ce phénomène de décroissance est l’apparition d’une striction de la section soit une réduction du diamètre de l’échantillon à un endroit localisé de l’échantillon. Finalement, la charge décroit jusqu’à la charge Pf, appelée charge à la rupture, pour laquelle l’échantillon se rompt au niveau de la localisation de la striction. À la rupture, l’échantillon présente une longueur Lf et un diamètre Df au niveau de la striction (voir Fig. 1.c).

Fig. 1 - Essai de traction statique sur un échantillon type. (a) L’application d’une charge P induit une modification des dimensions de l’échantillon, en particulier de sa longueur. (b) La charge appliquée en fonction de l’allongement de l’échantillon est reportée dans un diagramme P – δ permettant la détermination des propriétés mécaniques du matériau. (c) Ici, l’échantillon présente une striction suivie d’une rupture dans la zone ou la section de l’échantillon est la plus petite.

Ce graphique (Fig. 1.b) dépend du matériau mais aussi des dimensions originales de l’échantillon (Do et Lo). Ainsi, pour deux échantillons d’un même matériau (même propriétés mécaniques) aux dimensions différentes soumis à un même essai de traction, les graphiques P - δ seront différents.

2. Contrainte et déformation La représentation de la courbe P - δ en termes de contrainte et de déformation permet « d’éliminer » l’influence des dimensions de l’échantillon. Lorsqu’un échantillon est testé en traction dans le domaine élastique, la variation de ses dimensions est très faible et est ainsi, considérée négligeable pour la définition de la contrainte nominale et de la déformation nominale:

- La contrainte normale nominale σ est calculée à partir de la force interne (égale à la charge appliquée) qui agit perpendiculairement sur une unité de surface. Ici, l’échantillon présente un diamètre initial Do et une section de jauge initiale Ao = π(Do/2)2 constants sur toute la longueur de jauge Lo. De ce fait, pour une charge P donnée:

𝜎 =𝑃𝐴𝑜

(1)


1 - 4

- La déformation normale nominale ε correspond à l’allongement δ par unité de longueur de l’échantillon Lo. De ce fait, pour une charge P donnée:

𝜀 =𝛿𝐿𝑜

=𝐿 − 𝐿𝑜𝐿𝑜

(2)

Dans le système international, la contrainte s’exprime en pascal (1 MPa = 1 N/mm2 = 106 N/m2 = 106 Pa) tandis que la déformation s’exprime en µm/m (1 µm/m = 10-6 m/m) à cause de la faible variation des dimensions de l’échantillon. Finalement, le diagramme σ - ε revient à modifier les échelles du graphique P - δ et la courbe obtenue est ainsi semblable à celle du premier diagramme (voir Fig. 1.b).

En tenant compte de la variation de dimension de l’échantillon durant un essai de traction, il est possible d’exprimer la contrainte réelle et la déformation réelle :

- La déformation réelle ε* est définie comme étant la somme des petits accroissements d’allongement dL de la longueur de jauge initiale Lo divisée par la longueur de jauge L pour une charge appliquée P:

𝜀∗ = �𝑑𝐿𝐿

𝐿

𝐿𝑜= 𝑙𝑛 �

𝐿𝐿𝑜� (3)

- La contrainte réelle σ* est basée sur la section réelle A de l’éprouvette à une charge P donnée:

𝜎∗ =𝑃𝐴

(4)

Lorsque les déformations de l’échantillon sont importantes (comme dans le domaine plastique), la valeur des paramètres réels diffère sensiblement de la valeur des paramètres nominaux. En ingénierie, les éléments mécaniques composant une structure sont généralement conçus pour rester dans le domaine élastique. Ainsi, les déformations de ces éléments restent faibles en tout temps et les deux définitions des contraintes et déformations demeurent très proches.

3. Comportement général d’un matériau L’allure de la courbe σ - ε permet de définir le comportement général du matériau sous chargement statique uniaxial. Fig. 2 illustre les trois types de comportements généraux rencontrés pour les métaux:

Fig. 2 - Trois types de comportement général pour les matériaux: a) ductile, b) fragile et c) semi-ductile. Les contraintes et déformations considérées sont nominales.


1 - 5

Dans les trois cas, le matériau présente une réponse élastique linéaire. Un matériau ductile (voir Fig. 2.a) présent une grande déformation plastique avec l’apparition d’une striction avant une rupture de type coupe-cône au niveau de celle-ci. Les métaux, les alliages ferreux à l’état recuit ou revenu et les alliages d’aluminium sont des exemples de matériaux ductiles. L’acier structural présente la particularité d’un palier à la limite de proportionnalité tel qu’indiqué en pointillés sur la figure 2.a qui résulte en l’apparition de déformations localisées. À l’inverse du matériau ductile, un matériau fragile (voir Fig. 2.b) n’accepte aucune déformation plastique avant la rupture. De ce fait, la charge ultime, Pu, est égale à la charge de rupture, Pf. La section de rupture est orthogonale à l’axe de chargement de l’échantillon et l’on n’y remarque aucun changement de diamètre appréciable. Les aciers faiblement trempés sont des exemples de matériaux fragiles. Finalement, un matériau semi-ductile (voir Fig. 2.c) accepte une déformation plastique limitée sans l’apparition de striction et les charges ultimes, Pu et de rupture, Pf, sont égales. La rupture se produit sur un plan à 45o par rapport à l’axe de chargement. La fonte est un exemple de matériau semi-ductile. Tous les matériaux structuraux peuvent être classés suivant ces trois variantes de comportement mais chacun possède des propriétés mécaniques propres à lui-même.

4. Propriétés mécaniques identifiables par un essai de traction À l’aide du diagramme σ - ε (ou P - δ) de la Fig. 3 et des mesures prises sur les éprouvettes (Lo et Do), il est possible de déterminer les propriétés statiques suivantes:

Fig. 3 - Diagramme Contrainte – Déformation (σ - ε) avec l’ensemble de ses propriétés mécaniques.

- La limite de proportionnalité Sl ou σl qui correspond à la limite supérieure de la réponse élastique du matériau et qui se calcule directement à partir de Pl:

𝑆𝑙 =𝑃𝑙𝐴𝑜

(5)

- La limite d’élasticité Se, Re ou σe qui correspond à la plus grande contrainte ne laissant aucune

déformation permanente (ou résiduelle) sur l’échantillon lorsque la charge P est enlevée. Pour les matériaux métalliques, la limite d’élasticité est identique à la limite de proportionnalité.

- Le module d’élasticité (ou module de Young) E correspond à la pente de la droite de proportionnalité, c’est-à-dire le quotient de la contrainte sur la déformation correspondante:


1 - 6

𝐸 =𝑆𝑙𝜀𝑙

(6)

Le module d’élasticité d’une éprouvette métallique s’exprime généralement en giga Pascals dans le système international (1 GPa = 103 N/mm2 = 109 N/m2 = 109 Pa).

- La limite d’écoulement SY ou σY (yield strength en anglais), correspond à la contrainte pour laquelle l’échantillon n’a subi qu’une légère déformation permanente. Elle est égale à la valeur de la contrainte correspondant à une déformation permanente de 0,2% (2000 µm/m). Celle-ci se lit directement sur le graphique σ - ε en traçant une droite parallèle à la droite de proportionnalité coupant l’axe σ à 0,2% (la droite parallèle en pointillés discontinus sur Fig. 3). Sur le graphique P - δ, la charge limite d’écoulement PY (correspondant à SY) se détermine de manière identique en considérant un allongement δ0,2% relatif à 0,2% de déformation permanente (δ0,2% = Lo × 0,2%). À partir de PY, il est possible d’en déduire SY:

𝑆𝑌 =𝑃𝑌𝐴𝑜

(7)

Pour les aciers structuraux et certains alliages, le diagramme σ - ε présente un palier (point d'écoulement) à l’entrée du domaine plastique (palier en pointillés continus sur Fig. 3).

- La contrainte ultime Su ou σu correspond à la contrainte maximale que peut supporter le matériau et se calcule à partir de la charge maximale Pu avant décroissance de la courbe:

𝑆𝑢 =𝑃𝑢𝐴𝑜

(8)

- Le pourcentage d’allongement %El:

%𝐸𝑙 =𝐿𝑓 − 𝐿𝑜𝐿𝑜

× 100 (9)

- Le pourcentage de réduction de section %R.A.:

%𝑅.𝐴. =𝐴𝑜 − 𝐴𝑓𝐴𝑜

× 100 (10)

- La contrainte effective à la rupture Sf ou σf se calcule à partir de la section finale Af:

𝑆𝑓 =𝑃𝑓𝐴𝑓

(11)

- La déformation réelle à la rupture (ou ductilité) εf:

𝜖𝑓 = 𝑙𝑛 �𝐴𝑜𝐴𝑓� = −𝑙𝑛(1 − %𝑅.𝐴. ) (12)


1 - 7

ESSAI DE DURETÉ (ESSAI BRINELL) Le concept de dureté est relié à la solidité d’un matériau et à ses caractéristiques élastiques et plastiques. Généralement, on mesure la dureté d’un matériau en y enfonçant un objet appelé pénétrateur et en mesurant l’empreinte générée à la surface du matériau testé. L’empreinte laissée par le pénétrateur résulte de déformations permanentes et dépend des propriétés mécaniques. Les principaux avantages des essais de dureté non destructifs sont leur simplicité, rapidité d’exécution et leur faible coût. Ainsi, ils sont tout à fait appropriés pour le contrôle d’un traitement thermique, le contrôle de la qualité sur une production de pièce en série, ou encore, afin de vérifier l’uniformité des propriétés mécaniques le long d’une pièce. Il existe plusieurs méthodes couramment utilisées dans la pratique permettant de mesurer la dureté d’un matériau: Brinell, Vickers, Rockwell, etc. Ces méthodes diffèrent principalement par la géométrie du pénétrateur et la charge appliquée sur celui-ci afin de générer l’empreinte sur l’échantillon. La section qui suit traite principalement de la dureté Brinell. Les essais Vickers et Rockwell sont expliqués en Annexe A.

L’essai Brinell est présenté à la Figure 4. Il consiste à enfoncer une bille d’acier de 10 mm de diamètre sur une surface métallique à l’aide d’une charge de 500 kgf (4 900 N) ou de 3000 kgf (29 400 N) pendant 30 secondes (Figure 4.a). L’amplitude de la charge à appliquer dépend de la dureté attendue. La dureté Brinell, B.H.N., pour Brinell Hardness Number, est définie comme étant le rapport entre la charge appliquée P et la surface de l’empreinte Ac laissée par la bille (voir Fig. 4.b). Cette dureté est calculée en fonction du diamètre d (voir équation 13). En Annexe A se trouve des tables permettant de faire directement la conversion entre le diamètre de l’empreinte laissée et la dureté Brinell correspondante de l’échantillon.

𝐵.𝐻.𝑁. =𝑃𝐴𝑐

=𝑃

𝜋𝐷2

2 �1 −�1 − �𝑑𝐷�2�

(13)

La Figure 4.b montre le bourrelet typique de métaux travaillés à froid, donc ayant un faible degré d’écrouissage. À l’inverse, la figure 4.c montre le bourrelet typique de métaux recuits, donc ayant un haut degré d’écrouissage.

Fig. 4 - Essai de dureté Brinell (a) sur un échantillon métallique avec un pénétrateur en forme de bille de diamètre D et sous l’action d’une charge P. En fonction du métal testé et particulièrement de son degré d’écrouissage, l’empreinte laissée présente des bourrelets différents: faible degré d’écrouissage pour (b) et haut degré pour (c).


1 - 8

Avant de procéder à l’essai de dureté, il est important de vérifier que la surface sélectionnée est propre, sèche, lisse et dépourvue d’oxyde. De plus, il faut s’assurer que l’amplitude de la charge appliquée est bonne et que la charge a été appliquée à la bonne vitesse et pendant une durée de temps adéquate. La taille de l’empreinte doit respecter la condition 0,25 ≤ d/D ≤ 0,50. La norme ASTM E10 indique toutes les caractéristiques nécessaires pour bien réaliser un essai Brinell sur une éprouvette métallurgique. Une fois les manipulations exécutées, la mesure de l’empreinte laissée par le pénétrateur est une étape critique d’autant plus si le bourrelet de l’empreinte est important. Il est conseillé de faire la moyenne de deux mesures orthogonales du diamètre de l’empreinte. Pour faciliter les mesures, un colorant peut être appliqué sur la bille afin de créer un contraste entre l’empreinte et le matériau testé.

Voici quelques avantages et inconvénients de l’essai Brinell par rapport aux autres essais de dureté :

• Les avantages: o C’est l’essai le plus ancien, donc il y a une grande expérience accumulée et beaucoup de

données disponibles pour caractériser les matériaux; o Il est le mieux adapté pour les pièces coulées où la cristallisation est grossière; o Dans la majorité des cas, les valeurs de dureté des autres tests sont converties en B.H.N.

afin d’en faire la comparaison. (voir Annexe A pour les tables de conversion de dureté); o Les mesures de dureté Brinell sur un acier permettent d’en déduire sa contrainte ultime:

𝑆𝑢 = 3,44 × 𝐵.𝐻.𝑁. (14)

• Les désavantages: o Cet essai ne peut être utilisé sur les matériaux trop durs ou sur des plaques trop minces

puisque la déformation de l’échantillon est relativement grande; o La méthode n’est pas valable pour des pièces ayant été durcies seulement en surface; o L’empreinte peut initier l’amorce d’une rupture par fatigue puisqu’elle provoque une

concentration de contrainte.

MONTAGE Le tensiomètre Hounsfield (voir Fig.5) permet la réalisation d’essais de traction uniaxial statique et de dureté Brinell avec une charge P maximale de 20 kN.


1 - 9

Fig. 5 - Photographie du tensiomètre Hounsfield en compagnie de l’équipement nécessaire pour la réalisation de l’essai de traction. La rotation de la manivelle dans le sens horaire déplace la traverse et autorise la traction d’un échantillon bloqué entre deux mâchoires ou l’indentation d’un échantillon à l’aide d’un système de compression, d’un support plan et d’une bille. La charge appliquée sur l’échantillon est relevée à l’aide de systèmes d’acquisitions de données et la courbe P-δ est tracée à l’aide d’un programme informatique.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Selon le type d’essai à réaliser, le tensiomètre Hounsfield est muni d’un système de traction fait de deux mâchoires (voir Fig. 5 en haut à droite) permettant l’étirement d’un échantillon ou d’un système de compression avec une surface plane et une bille (voir Fig. 5 en bas à droite) permettant l’indentation d’un échantillon pour l’essai de dureté. En tournant la manivelle, un système de vis sans fin déplace longitudinalement la traverse autorisant la traction ou l’indentation d’une extrémité de l’échantillon. Cette même manivelle est liée à un encodeur qui en envoyant des impulsions permet de déterminer le nombre de tours effectué par la manivelle. À l’aide d’un programme LabVIEW, communément appelé un « VI », ce nombre de tours permet de calculer l’allongement de l’échantillon dans le cadre d’un essai de traction par exemple. La force induite par traction ou compression est transmise à une poutre encastrée à ses extrémités (voir Fig. 6). La déformation de la poutre induite en son milieu est lue à l’aide de jauges de déformations et la mesure de cette déformation est transmise directement à un programme LabVIEW par l’entremise d’une carte d’acquisition de données. Le programme se charge de convertir la mesure de déformation en une force afin de connaître la force appliquée sur l’échantillon à l’essai. À noter que cette conversion n’est pas automatique, la poutre fut étalonnée au préalable. De plus, le programme se charge également de tracer la courbe de type P - δ (voir Fig. 3). Ici, il est important de savoir qu’une version modifiée d’un tensiomètre Hounsfield est utilisée. En effet, à l’origine, le tensiomètre Hounsfield ne possède pas d’encodeur et n’est pas relié à un ordinateur via des cartes d’acquisition de données. Un système au mercure et un traceur circulaire permettait de réaliser les tests


1 - 10

(un document portant sur la version originale du tensiomètre Hounsfield est disponible sur le site Moodle du cours).

Les explications des différentes composantes du montage sont regroupées en deux systèmes.

A) Système de traction pour essai de traction et système de compression pour essai de dureté

La Fig. 5 du montage présente le système de traction pour l’essai de traction ainsi que le système de compression nécessaire pour l’essai de dureté.

1. Échantillon : matériau sur lequel l’essai de traction sera réalisé 2. Mâchoires : servent à retenir l’échantillon 3. Goupilles de fixation : fixent l’échantillon et les mandrins aux butées du tensiomètre 4. Bagues : empêchent le mouvement relatif entre l’échantillon et les mandrins 5. Support plan : support sur lequel repose l’échantillon 6. Échantillon : matériau sur lequel le test de dureté sera réalisé 7. Bille : effectue l’indentation de l’échantillon

B) Système de mesure de l’allongement de l’échantillon et de mesure de la force appliquée

La Fig. 6 présente le système de mesure de la force appliquée et de l’allongement (gauche et droite, respectivement).

Fig. 6 - Système de mesure de la force appliquée (gauche) et de l’allongement de l’échantillon (droite).

8. Encodeur : permet de relier le nombre de tours de manivelle à l’allongement de l’échantillon 9. DAQ NI USB-6009 : système d’acquisition de données permettant de lier la mesure prise par

l’encodeur au programme informatique via une connexion de type USB. 10. Poutre : calibrée avec précision afin de fournir une déformation proportionnelle à la charge 11. Jauges de déformations : petits éléments résistifs collés sur la poutre 12. NI 9949 : permet de lier les jauges de déformations au NI 9237 via un fil de type RJ-50 13. DAQ NI USB-9162 : système d’acquisition de données permettant de lier la mesure de

déformation au programme informatique via une connexion de type USB. 14. NI 9237 : système d’acquisition de données permettant de lire la mesure de déformation


1 - 11

L’INTERFACE LABVIEW Le tensiomètre était à l’origine muni d’un système permettant de lire directement la force appliquée, mais également d’un système permettant de tracer manuellement un graphique P - δ. Tous ces systèmes furent informatisés à l’aide d’un logiciel informatique appelé LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench). Ce logiciel développé par National Instruments permet la création d’applications appelées « Instruments Virtuels », Virtual Instruments ou tout simplement, VI, car leur apparence et leur fonctionnement ressemblent aux instruments réels. Ces applications servent à la prise de mesures, au contrôle de procédés et à l’analyse de données. Bien sûr le VI en soi n’est pas suffisant, il doit être accompagné de cartes d’acquisitions de données et autres accessoires afin d’effectuer les mesures nécessaires. Dans le cadre de ce laboratoire, les instruments virtuels permettent de mesurer la force induite sur l’échantillon, mesurer l’allongement de ce dernier et tracer un graphique P - δ à partir des mesures recueillies. Le VI en compagnie des cartes d’acquisitions de données effectuent le travail que faisait jadis, le système de levier, le piston, la colonne de mercure et le traceur sur le tensiomètre Hounsfield.

De façon générale, un VI se divise en deux fenêtres principales soit la « Face-Avant » (Front Panel) et le « Diagramme » (Block Diagram). Dans le cadre de ce laboratoire, les étudiants n’auront qu’à manipuler la Face-Avant. Un VI fut créé pour chaque expérience soit l’essai de traction et l’essai de dureté. La Fig. 7 présente la Face-Avant de chaque VI pour la séance de laboratoire no. 1.

Fig. 7 – Face-Avant des VI pour l'essai de traction (gauche) et l'essai de dureté (droite).

Chaque Face-Avant est divisée en plusieurs sections : une section est consacrée à l’affichage de la force appliquée, une autre section présente la mesure de l’allongement. À noter la présence d’une section réservée au graphique. En effet, à mesure que la manivelle est tournée, un graphique « Force – Allongement » se construit. En cliquant sur en « Enregistrer une mesure », les points enregistrés viennent se superposer sur la courbe tracée. Vous êtes donc à même de constater la relation entre la force appliquée et l’allongement et ce, en temps réel.


1 - 12

LES MANIPULATIONS

1. Essais de traction Chaque groupe d’étudiants analysera le comportement de deux métaux différents et analysera le graphique P - δ obtenu pour chacun d’eux à l’aide du VI. C'est à partir de ces graphiques que seront déterminées les propriétés des métaux étudiés. Il y a 7 étapes préliminaires avant de débuter l'essai de traction.

1) Prise de mesures sur l’échantillon Avant d’installer l’échantillon sur le tensiomètre, veuillez noter le diamètre initial Do ainsi que la longueur initial Lo à l’aide du pied à coulisse mis à votre disposition. Veuillez également noter le code d’identification de l’échantillon (A ou AN). De plus amples informations sur Do et Lo vous seront transmis pendant le laboratoire. Vous pouvez maintenant installer l’échantillon sur le tensiomètre si ce n’est déjà fait.

2) Ouverture du VI • Assurez-vous qu’il n’y a aucune charge mécanique sur l’échantillon. S’il y a une tension, veuillez

l’éliminer en tournant la manivelle dans le sens antihoraire

• Ouvrez le VI intitulé Labo 1 _Traction_.vi situé sur le bureau de l’ordinateur

• Démarrez le VI en cliquant sur le bouton « Run » situé dans le haut de la fenêtre à gauche (voir Fig. 8)

Fig. 8 - Démarrage du VI (essai de traction).

3) Identification de la poutre Après avoir cliqué sur « Run », le programme vous demande d’identifier la poutre installée sur le tensiomètre. Un code alphanumérique (deux lettres majuscules et deux lettres minuscules) devrait être inscrit sur la poutre.

Fig. 9 - Identification de la poutre utilisée.


1 - 13

4) Création d’un fichier d’enregistrement des données Suite à l’identification de la poutre, le programme vous demande d’écrire un commentaire afin d’identifier le test que vous êtes entrain de réaliser. Ensuite, le programme vous invite à donner un nom au fichier et à sélectionner le répertoire dans lequel il sera sauvegardé. Ledit fichier contiendra les données de l’essai soit les mesures de l’allongement et la force associée. Nous vous suggérons d'utiliser la forme suivante pour le nom des fichiers:

MEC2405_LAB_1_Traction_Section_XX_Échantillon_Y_Équipe_ZZ

où XX représente le numéro de section, Y le numéro de l'échantillon et ZZ le numéro d'équipe. Veuillez de préférence enregistrer vos fichiers sur une clé « USB » d’un membre de l’équipe.

5) Zéro de la force Assurez vous qu'il y a aucune tension sur l'échantillon et cliquez sur le bouton "zéro force".

6) Zéro de l'allongement Appliquez une force d'environ 1 500 N en tournant la manivelle et diminuez ensuite la force à 50 N en tournant dans le sens inverse. Cliquez sur "zéro de l'allongement". Ce petit cycle de chargement - déchargement permettra de diminuer l'effet des jeux dans le montage.

7) Effacer les valeurs mesurées et placer les interrupteurs • Cliquez sur l'interrupteur "effacer mesures continues" pour le mettre dans la position "off".

• Vérifiez que l'interrupteur "Encodeur disponible" soit en position "ON" et que l'interrupteur "effacer mesures enregistrées" soit en position "off".

Fig. 10 – Étapes préliminaires 5, 6 et 7 à la réalisation de l’essai de traction.

Réalisation de l’essai de traction Après avoir effectué les étapes préliminaires 1 à 7, l’essai de traction peut débuter. Ici, il n’y a que quelques consignes importantes à respecter :


1 - 14

1) Cliquer sur « Enregistrer une mesure » afin que les premières coordonnées de votre fichier soient le zéro de la force et le zéro de l’allongement

2) Tourner la manivelle dans le sens horaire à un rythme constant de 1 tour par seconde sans interruption jusqu’à la rupture de l’échantillon

3) Cliquer sans cesse sur le bouton « Enregistrer une mesure » à un intervalle d’environ 2 à 3 clics par seconde pendant que la manivelle est tournée et ce, jusqu’ à la rupture de l’échantillon

4) Cliquer sur les interrupteurs « Effacer mesures enregistrées » et « Effacer mesures continues » afin d’effacer les graphiques suite à la rupture de l’échantillon. Veuillez néanmoins prendre le temps d’observer le graphique.

5) Cliquer sur le bouton « STOP » lorsque l’échantillon est rompu

6) Retirer l’échantillon et mesurer la diamètre et la longueur finale de l’échantillon (Df et Lf)

Suite à la rupture de l’échantillon et de l’arrêt du VI, veuillez répéter les étapes préliminaires 1 à 7 avec le deuxième échantillon. Lors de la création du fichier d’enregistrement des données, veuillez vous assurer de donner un nom différent au fichier afin de ne pas perdre les données du premier test!

Calculs et résultats Les données expérimentales sont maintenant contenues dans un fichier texte. Les fichiers contiennent dans la première colonne, les mesures de l’allongement et dans la seconde, la force associée. Les éléments à insérer dans le fichier Excel et dans le cahier de résultats pour chaque échantillon sont:

1) Fichier Excel

a) Graphique « Force-Allongement » (ATTENTION: veuillez porter une attention particulière à la présentation de cet important graphique.)

b) Regrouper dans un tableau les valeurs (Do , Lo , Df , Lf et autres caractéristiques des échantillons)

c) Calculer les valeurs de E, SY, Su, %EI, %R.A., Sf et εf (ATTENTION aux unités)

d) Identification du comportement de l’échantillon

2) Cahier de résultats

a) Remplir les Tableaux 1 et 2 du cahier de résultats

b) Présenter un exemple de calcul pour E, SY, Su, %EI, %R.A., Sf et εf (Attention aux unités)

c) Faire un croquis rapide de vos courbes force - déplacement

d) Identifier toutes les sources d’erreur quantifiables rencontrées dans cette expérience

e) Noter tous autres éléments que vous jugez pertinents


1 - 15

2. Essais de dureté Brinell Au cours de cette séance, des mesures de dureté Brinell seront faites sur différents matériaux à l'aide du tensiomètre Hounsfield.

Essai de dureté Brinell avec tensiomètre Hounsfield

Les normes d'essai de dureté Brinell de l’ASTM spécifient que, pour un essai normalisé, la bille doit avoir un diamètre de 10 mm et que la charge doit être fixée en fonction de la dureté du matériau (voir désignation E-10-58T). De plus, on note dans les normes ASTM qu'une bille de 5 mm de diamètre donne approximativement les mêmes résultats qu'une bille de 10 mm lorsque les charges sont celles indiquées au Tableau I.

Tableau I - Charge utilisée dans un essai de dureté Brinell avec une bille de 5 mm de diamètre, pour différents matériaux.

Matériau Charge

(kgf) Charge

(N) Limite de dureté

(B.H.N.) Acier allié 750 7 350 96 à 600

Acier doux 250 2 450 96 à 600

Alliage de cuivre (laiton) 250 2 450 48 à 300

Alliage Al et Cu (Dural) 125 1 225 16 à 100

À cause de la capacité du tensiomètre Hounsfield, les essais de dureté seront effectués avec une bille de 5 mm de diamètre et avec la charge spécifiée dans le Tableau I, en tenant compte du matériau testé. Pour cette séance de laboratoire, le tensiomètre Hounsfield est muni d'un cadre de compression sur lequel sont fixés les accessoires nécessaires pour mesurer la dureté (voir Fig. 5).

1) Installation de l'échantillon • Placez l’échantillon dans le cadre de compression afin que la bille agisse à l’endroit choisi

• Assurez-vous qu’il n’y a aucune tension sur l’échantillon. S’il y a tension, veuillez l’éliminer

2) Ouverture du VI • Ouvrez le VI intitulé Labo 1 _Dureté.vi situé sur le bureau de l’ordinateur

• Démarrez le VI en cliquant sur le bouton « Run » situé en haut à gauche (voir Fig. 11)

Fig. 11 - Démarrage du VI (essai de dureté).

• Entrez le numéro d'identification de la poutre installée sur le tensiomètre.


1 - 16

Fig. 12 - Identification de la poutre utilisée.

3) Création d’un fichier d’enregistrement des données L'enregistrement des données n'est pas nécessaire pendant l'essai de dureté (vous n’avez pas à cliquer sur le bouton « Enregistrer une mesure »).

4) Zéro force Enlevez toute charge sur l'échantillon et cliquez sur le bouton "zéro force"

5) Préparation à l'essai de dureté Cliquez sur le bouton "essai de dureté" pour le mettre à "ON"

6) Effacer les mesures antérieures • Cliquez sur le bouton "effacer mesures continues" pour enlever les mesures antérieures.

• Vérifiez que l'interrupteur "effacer mesures enregistrées" soit à la position "OFF".

Fig. 13 - Étapes préliminaires 4, 5 et 6 à la réalisation de l’essai de dureté.


1 - 17

Réalisation de l’essai de dureté Après les étapes préliminaires 1 à 6, l’essai de dureté peut débuter. Ici, il n’y a que quelques consignes importantes à respecter :

1) Entrer la charge en newtons à appliquer sur la bille (voir Fig. 13)

2) Tourner la manivelle dans le sens horaire afin d’appliquer cette charge désirée. Maintenez la manivelle en place lorsque la charge désirée est appliquée

3) L’indicateur « Temps écoulé (s) » se mettra à compter le temps d’application de la charge (voir Fig. 13). Lorsque le temps écoulé est à 15 s, veuillez retirer la charge appliquée

4) Cliquer sur les interrupteurs « Effacer mesures enregistrées » et « Effacer mesures continues » afin d’effacer le graphique

5) Cliquer sur le bouton « STOP » du VI

6) Retirer l'échantillon et mesurer à l'aide du microscope deux diamètres de l'empreinte perpendiculaires l'un à l'autre

Suite à la réalisation de l’essai et de l’arrêt du VI, veuillez suivre les étapes 1 à 6 avant de réaliser un autre essai de dureté avec les autres matériaux à l’essai.

Note: Ne Jamais retirer une clé USB pendant que le programme LabVIEW est ouvert !

Présentation de résultats Il n'y a pas de fichier Excel à remettre pour l’essai de dureté. Voici une liste des éléments à insérer dans le cahier de résultats.

Cahier de résultats

a) Remplir le Tableau 3 du cahier de résultats

b) Présenter un exemple de calcul pour Su (Attention aux unités)

c) Identifiez toutes les sources d’erreur quantifiables rencontrées dans cette expérience

d) Tous autres éléments que vous jugez pertinents

Afin de remplir le Tableau 3 du cahier des résultats, veuillez consulter les Tableaux A-I, A-II et A-III (Annexe A) afin de connaître la valeur BHN, l’équation 14 afin de déterminer Su ainsi que la figure A-3 (Annexe A) pour la conversion des duretés Brinell, Vickers et Rockwell.


1 - 18

ANNEXE A – LES ESSAIS DE DURETÉ VICKERS ET ROCKWELL

ESSAI VICKERS Méthode

L'essai de dureté Vickers se fait en utilisant un diamant pyramidal comme agent pénétrateur. L'angle entre deux faces opposées de la pyramide est 136°; ce choix donne le rapport le plus rapproché entre le diamètre de l'empreinte et le diamètre de la bille dans un essai de dureté Brinell (voir Fig. A-1).

La surface de l’empreinte causée par le diamant est calculée en prenant la moyenne D (mm) de ses diagonales mesurées au microscope gradué. La dureté Vickers, VHN1

( )22 854,1

2sin2DP

DPVHN ==

θ

, est définie comme étant le rapport entre la charge P (kgf) et la surface de l’empreinte Ac (mm2) :

(15)

Vu que les impressions causées par le diamant pyramidal sont géométriquement similaires, la dureté Vickers devrait être indépendante de la charge; ceci est généralement vrai, sauf pour les charges excessivement grandes. Les charges utilisées normalement se situent entre 1 à 120 kgf dépendant de la dureté du matériau testé.

Une empreinte parfaite causée par le diamant pyramidal devrait être un carré. Cependant, des irrégularités correspondant à celles décrites dans l'essai Brinell sont aussi fréquemment observées.

Avantages:

• La machine Vickers est semi-automatique et donne des mesures précises; • Les empreintes sont très petites; • La méthode est utile pour des plaques minces; • La méthode donne une échelle continue de dureté ; elle est couramment utilisée dans les

travaux de recherche.

Désavantage: • L'opération est longue et l'opérateur doit être expérimenté.

1 Vickers Hardness Number

Fig. A-1 - Pyramide de Vickers vs bille de Brinell.


1 - 19

ESSAI ROCKWELL

Méthode L'agent pénétrateur utilisé dans un essai de dureté Rockwell est soit une bille de 3,18 ou 1,59 mm (1/8 ou 1/16 po.) de diamètre, soit un diamant sphéroconique de 120° (voir Fig. A-2). Les charges appliquées sont de 60, 100 ou 150 kgf. Par combinaison des pénétrateurs et des charges, on obtient 9 échelles différentes désignées par les lettres A, B, etc.

Il est donc nécessaire de spécifier la combinaison (en indiquant l'échelle) utilisée dans un essai de dureté Rockwell. Les deux échelles les plus couramment utilisées sont:

• Échelle B pour les métaux mous (charge de 100 kgf avec une bille de 1/16 po de diamètre); • Échelle C pour les métaux durs (charge de 150 kgf avec un diamant sphéroconique)

Au début de l’essai, on applique une charge initiale de 10 kgf pour créer un écrouissage localisé; ceci minimise la préparation de la surface du métal et réduit les effets causés par des irrégularités de surface sur les lectures. Ensuite, la charge totale est appliquée. La flèche ou l'enfoncement de l'agent pénétrateur est automatiquement enregistré sur une jauge à cadran gradué en dureté Rockwell. Le cadran contient 100 divisions et chaque division représente une pénétration de 20,3 µm (0,80 µpo.).

La dureté Rockwell, RHN2

hHRHN −=

, est définie comme étant une constante H (fixée arbitrairement) de laquelle on soustrait l'enfoncement h du pénétrateur (voir Fig. A-2), soit:

(16)

Bien que l'échelle Rockwell soit tout à fait arbitraire, ce type d'essai de dureté est le plus répandu en Amérique du Nord parce qu'il possède plus d'avantages que de désavantages.

Avantages: • La procédure est simple; on lit la dureté directement sur le cadran gradué; • L'opérateur n'est pas nécessairement spécialisé; • Une grande gamme de dureté est prévue; • Les empreintes sont plus petites que celles de Brinell; • Son application est très répandue dans l'industrie.

2 Rockwell Hardness Number

Fig. A-2 - Essai de dureté Rockwell.


1 - 20

Désavantages: • L'essai peut donner des écarts sur des pièces coulées; • La valeur de la dureté est donnée en fonction du type d'échelle relative.

EQUIVALENCE DE DURETE EN BHN Les méthodes de mesures de dureté décrites dans la section précédente sont basées sur différents paramètres de l'empreinte. Chaque technique a ses propres avantages et désavantages; il s'agit de faire un choix approprié pour une application particulière.

Vu que la méthode Brinell est la plus ancienne et la plus connue, elle a l'avantage d'établir les relations pour convertir les autres mesures de dureté en BHN. Ceci peut être fait en se basant sur l'équivalence de la pression exercée sur la projection de la surface de l'empreinte sur le plan horizontal.

Dans ce qui suit, Ap désigne la surface de l'empreinte projetée; Ac indique la surface de l’empreinte elle-même, comme auparavant.

Dans un essai Brinell illustré à la figure A-1, la pression moyenne pB sur Ap s'écrit comme suit:

4/dPp 2B

π= (17)

Il s'ensuit, avec l’équation (18)

FBHNpB ×= (18)

où

( )

( )2

2

Dd

Dd112F

−−

=

VHN vs BHN On peut démontrer qu’avec la pyramide de 136° utilisée dans un essai Vickers, le rapport Ac/Ap est fixe et égal à 1,08; donc:

08,1VHNAPp

pV ×==

(19)

En posant pV = pB, on obtient:

BHN08,1FVHN = (20)


1 - 21

Cette relation montre que VHN et BHN sont sensiblement identiques tant que l'empreinte de Brinell est normale. Pour de grandes valeurs de dureté, quand la bille de Brinell se déforme excessivement, il y a un écart entre VHN et BHN; cette situation est illustrée à la figure A-3, la charte de conversion des duretés BHN, RHN et VHN.

RHN vs BHN Avec le diamant sphéroconique utilisé dans l'essai de dureté Rockwell, la pression pR sur la surface projetée Ap peut s'écrire:

θπ= 22R tgh

pp (21)

car

( )22

p tgh244

dA θπ

=π

=

L'équation (16) devient:

R2 p

1tgpHRHN ×θπ

−= (22)

Pour une échelle donnée, soit l'échelle C, la charge P est fixe ; donc, P/πtg2θ est une valeur fixe, soit CC et la relation entre RHN et pR s’écrit :

( )2C

CR RHNH

Cp

−= (23)

Avec les équations (18) et (22), l'équivalent en BHN d'une dureté RHN (échelle C) s'établit comme suit :

2/1C

C FBHNC

HRHN

×−= (24)

Cette relation est présentée à la figure A-3. Pour les autres cas, des équations similaires peuvent être dérivées; les courbes sont aussi présentées à la fig. A-3.

CONTRAINTE D’ÉCOULEMENT EN FONCTION DE BHN Les résultats d’études des problèmes de contact entre une sphère et un plan dans les domaines élastique et plastique ont montré que la pression sur la surface Ap est de l'ordre de 3 fois la contrainte d'écoulement du matériau SY, c'est-à-dire:

pY A

pS3 = (25)


1 - 22

Donc, on peut écrire:

BHNA3

AS

p

CY ×= (26)

Avec l'empreinte normalement obtenue dans les limites 0,25 ≤ d/D ≤ 0,50 , AC/Ap = 1,05.

Pour les aciers au carbone et les aciers faiblement alliés, la relation suivante a été obtenue en se basant sur les résultats expérimentaux.

Contrainte ultime, Su:

Su = 3,44 BHN (MPa) ou 0,35 BHN (kgf/mm2) (27a)

Su = 500 BHN (lb/po2) (27b)

Les équations (27) fournissent une indication d'ordre pratique très utile.


1 - 23

Fig. A-3 - Charte de conversion des duretés BHN, RHN, et VHN pour les aciers.

Rock

wel

l har

dnes

s num

ber


1 - 24

Tableau A-I - Valeurs de duretés BHN en fonction du diamètre de l’empreinte pour le cuivre et l’aluminium ;

charge sur la bille de 5 mm de dia. = 125 kgf = 0,123 tonne = 1225 N.

Diamètre de

l’empreinte (mm) 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 1.00 158 154 151 148 146 143 140 137 135 132 1.10 130 128 125 123 121 119 117 115 113 111 1.20 109 107 105 104 102 100 98.6 97.1 95.5 94.0 1.30 92.6 91.1 89.7 88.4 87.0 85.7 84.4 83.2 81.9 80.8 1.40 79.6 78.4 77.3 76.2 75.1 74.4 73.0 72.0 71.0 70.1 1.50 69.1 68.2 67.3 66.4 65.5 64.6 63.8 62.9 62.1 61.3 1.60 60.5 59.8 59.0 58.3 57.5 56.8 56.1 55.4 54.8 54.1 1.70 53.4 52.8 52.2 51.5 50.9 50.3 49.7 49.2 48.6 48.0 1.80 47.5 46.9 46.4 45.9 45.4 44.9 44.4 43.9 43.4 42.9 1.90 42.4 42.0 41.5 41.1 40.6 40.2 39.8 39.4 38.8 38.5 2.00 38.1 37.7 37.3 37.0 36.6 36.2 35.8 35.5 35.1 34.8 2.10 34.4 34.1 33.7 33.4 33.1 32.8 32.4 32.1 31.8 31.5 2.20 31.2 30.9 30.6 30.3 30.0 29.8 29.5 29.2 28.9 28.7 2.30 28.4 28.1 27.9 27.6 27.4 27.1 26.9 26.6 26.4 26.2 2.40 25.9 25.7 25.5 25.3 25.0 24.8 24.6 24.4 24.2 24.0 2.50 23.8 23.6 23.4 23.2 23.0 22.8 22.6 22.4 22.2 22.0 2.60 21.8 21.6 21.5 21.3 21.1 20.9 20.8 20.6 20.4 20.3 2.70 20.1 19.9 19.8 19.6 19.5 19.3 19.2 19.0 18.9 18.7 2.80 18.8 18.4 18.3 18.1 18.0 17.8 17.7 17.6 17.4 17.3 2.90 17.2 17.0 16.9 16.8 16.7 16.5 16.4 16.3 16.2 16.0 3.00 15.9 ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ----


1 - 25

Tableau A-II - Valeurs de duretés BHN en fonction du diamètre de l’empreinte pour le laiton, le bronze et l’acier doux ; charge sur la bille de 5 mm de dia. = 250 kgf = 0,246 tonne = 2450 N.

Diamètre de

l’empreinte (mm)

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 1.00 315 309 303 297 291 285 280 275 270 265 1.10 260 255 251 246 242 237 233 229 225 222 1.20 218 214 211 207 204 200 197 194 191 188 1.30 185 182 179 177 174 171 169 166 164 162 1.40 159 157 155 152 150 148 146 144 142 140 1.50 138 136 135 133 131 129 128 126 124 123 1.60 121 120 118 117 115 114 112 111 110 108 1.70 107 106 104 103 102 101 99.5 98.3 97.2 96.1 1.80 95.0 93.9 92.8 91.8 90.7 89.7 88.7 87.7 86.8 85.8 1.90 84.9 83.9 83.0 82.1 81.3 80.4 79.5 78.7 77.9 77.1 2.00 76.3 75.5 74.7 73.9 73.2 72.4 71.7 71.0 70.2 69.5 2.10 68.8 68.2 67.5 66.8 66.2 65.5 64.9 64.2 63.6 63.0 2.20 62.4 61.8 61.2 60.6 60.1 59.5 59.0 58.4 57.9 57.3 2.30 56.8 56.3 55.8 55.3 54.8 54.3 53.8 53.3 52.8 52.3 2.40 51.9 51.4 51.0 50.5 50.1 49.6 49.2 48.8 48.3 47.9 2.50 47.5 47.1 46.7 46.3 45.9 45.4 45.1 44.8 44.4 44.0 2.60 43.7 43.3 42.9 42.6 42.2 41.9 41.5 41.2 40.9 40.5 2.70 40.2 39.9 39.6 39.2 38.9 38.6 38.3 38.0 37.7 37.4 2.80 37.1 36.8 36.5 36.3 36.0 35.7 35.4 35.1 34.9 34.6 2.90 34.3 34.1 33.8 33.6 33.3 33.1 32.8 32.6 32.3 32.1 3.00 31.8 ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ----


1 - 26

Tableau A-III - Valeurs de duretés BHN en fonction du diamètre de l’empreinte pour l’acier allié;

charge sur la bille de 5 mm de dia. = 750 kgf = 0,738 tonne = 7350 N.

Diamètre de

l’empreinte (mm) 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 1.00 945 926 908 890 873 856 840 824 809 794 1.10 780 765 752 738 725 712 700 688 676 665 1.20 653 643 632 621 611 601 592 582 573 564 1.30 555 547 538 530 522 514 507 499 492 485 1.40 477 471 464 457 451 444 438 432 426 420 1.50 415 409 404 398 393 388 383 378 373 368 1.60 363 359 354 350 345 341 337 333 329 325 1.70 321 317 313 309 306 302 298 295 292 288 1.80 285 282 278 275 272 269 266 263 260 257 1.90 255 252 249 246 244 241 239 236 234 231 2.00 229 226 224 222 219 217 215 213 211 209 2.10 207 204 202 200 198 197 195 193 191 189 2.20 187 185 184 182 180 179 177 175 174 172 2.30 170 169 167 166 164 163 161 160 158 157 2.40 156 154 153 152 150 149 148 146 145 144 2.50 143 141 140 139 138 137 135 134 133 132 2.60 131 130 129 128 127 127 125 124 123 122 2.70 121 120 119 118 117 116 115 114 113 112 2.80 111 110 110 109 108 107 106 105 105 104 2.90 103 102 101 101 99.9 99.2 98.4 97.7 96.9 96.2 3.00 95.5 ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ----


1 - 27

ANNEXE B – ESSAI D’IMPACT CHARPY

INTRODUCTION Les résultats des essais en traction statique ne permettent de déterminer que la résistance à la déformation du matériau. Par les essais d'impact, où le taux de chargement est très élevé, on évalue sa résistance à la rupture. Cette propriété est très importante en pratique.

Rupture ductile-fragile La capacité d'un matériau résistant à la rupture est mesurée par la quantité d'énergie requise durant le processus de rupture sous une charge dynamique. Une rupture ductile, généralement reconnue par sa surface fibreuse due au cisaillement, absorbe une quantité d'énergie plus grande qu'une rupture fragile; cette dernière est caractérisée par une surface de rupture granulaire due au clivage.

Sous la charge d'impact, plusieurs matériaux structuraux, dont l'acier est le plus important, se comportent de façon ductile à la température ambiante; ils peuvent devenir très fragiles à une température plus basse. La température à laquelle correspond un changement de comportement ductile-fragile s'appelle la température de transition.

Méthode d'évaluation Le clivage dû à une rupture fragile est particulièrement accentué par un taux de déformation (ou un taux de chargement) assez élevé et un état de contraintes triaxiales. Afin d'apprécier les effets combinés de ces deux facteurs dans un seul type d'essai, on effectue le test sur le spécimen avec une entaille sous une charge d'impact. Ces essais répétés sur une gamme étendue de températures permettent de déterminer la température de transition du matériau.

On ne discute ici de façon détaillée que le type d'essai couramment utilisé dans l'industrie, soit l’essai Charpy. Les autres méthodes moins connues ne sont que mentionnées brièvement.

ESSAI D'IMPACT CHARPY L'essai d'impact Charpy, très bien connu dans l'industrie, doit être effectué suivant la norme ASTM-E23; il s'agit de mesurer l'énergie nécessaire pour réaliser la rupture une éprouvette entaillée normalisée.

Spécimen Les dimensions du spécimen sont données à la figure B-1. Il est de section carrée et possède une entaille généralement en V de 45° et de 2 mm de profondeur.

Fig. B-1 - Spécimen utilisé dans un essai Charpy.


1 - 28

Machine: le mouton-pendule La machine d'essai consiste en un pendule rigide qui a une capacité largement suffisante pour briser le spécimen d'un coup sec. La masse du pendule tombe librement d'une hauteur initiale en trajectoire circulaire et l'impact se fait normalement au moment où l'énergie cinétique du pendule atteint sa valeur maximale soit à une vitesse de l'ordre de 5,2 m/s (16 pi/s).

Le spécimen est placé en position horizontale (voir Fig. B-2 - vue d’élévation et vue de plan) et la charge en impact est appliquée sur le côté opposé de l'entaille. La déformation se fait à un taux de l'ordre de 103 s-1(103 mm/ mm-s).

La réponse d'un spécimen à la charge dans un essai Charpy est mesurée par la quantité d'énergie absorbée dans le processus de rupture du spécimen. Le pendule du poids P (voir Fig. B-3) se trouve, au début de l’essai, à une hauteur Hi (vitesse nulle), après l'impact, au point I (vitesse maximale) et il monte de l'autre côté, jusqu’à une hauteur Hf (vitesse nulle).

Fig. B-2 - Spécimen sur la machine d'essai Charpy.

Fig. B-3 - Le mouton-pendule avant et après l'impact.

D'après le principe de conservation de l'énergie, la quantité de travail absorbée par le spécimen s'écrit comme suit:

W = PR (cos β - cos α) (28)


1 - 29

P et R sont des caractéristiques de la machine. Avec une valeur α prédéterminée, on peut graduer, sur le cadran de la machine, l'énergie absorbée W en fonction de β. Ceci permet une lecture directe de W en lb-pi. (le mouton-pendule disponible au laboratoire est gradué en lb-pi et il ne possède pas d’échelles en N-m).

Résultats Deux modes de rupture souvent rencontrés sont illustrés à la figure B-4.

Dans chaque type de rupture, la quantité de métal concerné ne peut pas être déterminée. Sous l'impact, l'entaille est soumise à une contrainte en tension quand le spécimen est plié par le déplacement du pendule; ensuite, l'état de contraintes triaxiales se produit à l'entaille à cause de l'enclave plastique. Vu que la distribution de contraintes n'est pas bien connue, on ne peut pas élaborer une théorie du processus de rupture.

Les essais d'impact Charpy donnent des résultats avec une dispersion considérable. Les principales sources de cette dispersion sont dues, d'une part, aux variations locales dans les propriétés du matériau lui-même, et d'autre part, aux difficultés dans la préparation d'entailles identiques pour tous les spécimens. La forme et la profondeur de l'entaille sont des variables critiques, de même que la localisation appropriée du spécimen sur la machine d'essai. Afin de réduire au minimum les effets de ces facteurs, il est essentiel de suivre strictement les exigences prescrites par la norme ASTM-E23.

TEMPERATURE DE TRANSITION Il existe trois méthodes pour déterminer le degré de fragilité de rupture dans un essai d'impact à une température donnée. Dépendant du paramètre utilisé dans chaque cas, on définit une température de transition (TS) appropriée. Ainsi, cette température peut être déterminée en se référant à l’un des paramètres suivants:

• l'énergie requise pour provoquer la rupture; dans ce cas, la TS est reliée à la transition du niveau d'énergie;

• l'apparence de la surface de rupture; alors la TS est associée à la quantité relative de rupture-ductile (cisaillement) par rapport à celle en clivage;

Fig. B-4 - Ruptures typiques dans un essai Charpy. a) Rupture fragile, b) rupture ductile.


1 - 30

• la contraction latérale au fond de l'entaille; ainsi, la TS est basée sur la transition de ductilité.

La variation de ces trois paramètres en fonction de la température est illustrée à la figure B-5.

Fig. B-5 – Température de transition définie par différents paramètres.

La méthode la plus directe et couramment utilisée pour caractériser la fragilité d'un métal est la première, soit la détermination de la variation de l'énergie absorbée. En général, cette énergie diminue avec une baisse de température ; cependant, pour la plupart des cas, la diminution ne se manifeste pas de façon assez nette. Cela rend la détermination de la température de transition quelque peu difficile.

On peut diviser la courbe de variation de l'énergie absorbée en rupture pour la plupart des métaux sous l'impact en trois régions délimitées par deux niveaux de température, (voir Fig. B-6).

a) La température de transition de ductilité est reliée à la tendance d'initiation facile d'une fissure. Une rupture par clivage complet se produit normalement au-dessous de cette température, qui est déterminée en général par une absorption de l'énergie de 1’ordre de 22 N-m (15 lb-pi ou 2.2 kgf-m) lors de l'essai Charpy (entaille en V).

b) La température de transition d'apparence de rupture est reliée aux caractéristiques de la propagation de la fissure. En haut de cette température, la fissure ne se propage pas de façon catastrophique parce que la rupture se fait par cisaillement et absorbe de l'énergie. Cette température est déterminée par une mesure de 50% de cisaillement sur la surface rupturée.

Fig. B-6 - Signification de différentes régions dans le diagramme énergie-température.


1 - 31

c) Dans la région entre ces deux températures de transition, la fissure est difficilement amorcée; cependant, une fois amorcée, elle se propage assez rapidement.

En pratique, la température de transition de ductilité, évaluée en se référant à l’énergie de rupture, est la plus significative, car plus sécuritaire puisqu'elle assure qu'une fissure ne s'amorcera pas facilement; il n'est plus alors nécessaire de porter attention à sa propagation.

ANNEXE C – PROPRIETES MECANIQUES DE QUELQUES METAUX

Norme CSA G 40.12 Tableau C-I - Composition chimique d'un acier typique

Carbone [%] Manganèse [%] Phosphore [%] Soufre [%] Silicium [%] 0,22 max. 1,50 max. 0,04 max. 0,05 max. 0,15 / 0,30* * Applicable aux barreaux et aux plaques de 7/8 à 2 po. (22 à 50,8 mm) de diamètre ou d’épaisseur et aux profilés structuraux dont la semelle à une épaisseur moyenne supérieure à 1½ po (38 mm).

Tableau C-II - Propriétés mécaniques des plaques, barreaux et profilés structuraux

PLAQUE ET BARREAUX PROFILES STRUCTURAUX Épaisseur Jusqu’à 1½ ‘’

incl. De 1½’’ à 2½’’ incl.

Groupes 1&2 Groupe 3

Limite d’écoul. Min (MPa) 303 276 303 276 Résistance en traction min. (MPa) 427 427 427 427 Allongement dans 8 po. min (%) 20 20 20 20 Allongement dans 2 po. min (%) 23 23 23 23

Tableau C-III - Propriétés typiques de l'acier

Résistance à la corrosion atmosphérique Comme les aciers à bas carbone Limite d’écoulement en compression Égale à celle en tension Module d’élasticité 193 à 207 GPa Coefficient de dilatation thermique 11,3 mm/(mm.oC) Limite d’endurance (flexion rotative, échantillon poli)

200 MPa

Essai d’impact Charpy, température moyenne pour 22Nm, échantillon laminé dans la plaque ayant 1’’ d’épais, entaille dans le sens longitudinal

-7oC

Dureté Brinell 124/170

Documents

MEC2405 Lab1 Traction Durete v3