Mesure des déformations et des contraintes engendrées, lors d'un essai de cisaillement en traction, à la surface de plaques d'acier collées

Mesure des d forrnations et des contraintes

engendr es, Iors d'un essai de cisail lement en traction,

la surface de plaques d'acier col l ies

Y. GILIBERT (~), J. BERNASCONI (2), C. COLLOT (3)

Nos premiers essais concernant le bdton plaqud et le collage acier sur acier avaient pour objet de fixer la forme et les dimensions de l'~me A, du joint J et des tOles 7', de maniOre que la reproductibilitO des rOsultats exp~rimentaux soit assurOe ([1], [2]). Nous avions montr~ en particulier que les meilleures rOsistances au eisaillement sont obtenues pour l'Otat de surface du type rectification 9rossi&e sablde (R.G.S.) [1]. Dans ce travail, nous essayons d'analyser les rOsuhats expOrimentaux fournis lors des expOriences prdc~dentes. A partir des d~formations relatives enregistrdes, tes contraintes Olastiques correspondantes sont caIcuI~es et trois types de graphes peuvent dtre tracOs : les courbes du type 1 reprdsentent les forces de traction en fonction des micro-ddformations; les courbes des types 2 et 3 les dOformations relatives et les contraintes superficielles suivant l'emplacement des extensomOtres sur les tOles. Nous montrons que : la comparaison des courbes effort-allongement e= f2 (z'), pour diffdrents ~tats de surface, fait appara~tre clairement qu'~ partir d'un certain seuil de l'effort appliquO, les d~formations sont toujours moindres dz la surface des t61es dont les subjectiles sont du type (R.G.S.); les contractions longitudinales et les dilatations transversales, observ~es dans la partie nOgative des plaques au moment off F, se rapproche de la valeur qui entra~ne sa ruine, peuvent s'expliquer par la formation d'une micro-fissure dans le joint de rdsine J qui ne se propage pas instantandment; notre technique extensom~trique permet de dOterminer l'effort critique au-dessus duquel il n'y a pas formation de micro-fissures dans le joint J; notre systOme de dOtection est tr~s sensible puisqu'il peut mettre en dvidence la prOsence de d~fauts (du type butIe) dans Ie joint J.

PRINCIPALES NOTATIONS UTILISI~ES

a~ EPR, F, J, l, K~; R.F., R.G.,

time, composant en acier; 6prouvette;. force de traction; joint de r6sine; longueur de collage; sensibilit6 transversale de la jauge; rectification fine; rectification grossi6re;

R.G.S., rectification grossi6re sabl6e; 7', armature coll6e;

(1) Ing6nieur C.N.A.M., Maitre-Assistant /~ I'I.U.T. de Reims, D6partement G6nie Civil:

{z) Assistant /l I'I.U.T. de Reims, D~partement Informatique. (3) Professeur sans chaire h I'I.U.T. de Reims, Chef du D6par-

tement G~nie Civil.

XC, qualit6 d'acier; v, coefficient de Poisson; ~, allongement relatif; a, contrainte superficielle.

INT RODUCT ION

Nos premiers essais concernant le b6ton plaqu6 et le collage acier sur acier avaient pour objet de fixer la forme et les dimensions de l'fime A, du joint J e t des t61es 7', de mani6re que la reproductibilit6 des r6sultats exp6rimentaux soit assur6e.

Nos travaux effectu6s ont permis : - - de d6crire les dispositifs ([1], [2]) pour la r6ali-

sation des diff6rentes manipulations; - - de caract6riser, ~ la temp6rature ambiante, le

cisaillement d'un joint de colle dans le cas d'6prou-

255

V O L . 9 - N ~ 5 2 - M A T E R I A U X E T C O N S T R U C T I O N S

vettes de traction du type double recouvrement sym6trique [2]_;

- - d e pr6ciser l'adhdsivit6 colle-acier [2] par la force F qui entraine la ruine du joint, en fonction de l'6tat de surface des subjectiles des t61es;

-- d'6valuer les caract6ristiques m6caniques de subjectiles obtenus par rectification fine (R.F.), rectification grossi6re (R.G.), et par rectification grossi6re sabl6e (R.G.S.) [2] ;

- - et de montrer que les meilleures r6sistances au cisaillement sont obtenues avec en plus le mini- mum de dispersion, pour l'6tat de surface (R.G.S.).

Rappelons que la m6thode R.N.U.R.-E.N.S.A.M. [3] permet de contr61er tr6s stirement la r6gularit6 des surfaces m6talliques.

Les d6formations relatives, en fonction de l'effort appliqu6 et pour les 6tats superfidels (R.G.), (R.F.) et (R.G.S.), ont 6t6 mesur6ds en diffdrents points des t61es grace /t des extensom6tres 61ectriques.

Dans ce pr6sent travail, nous essayons d'analyser les rdsultats exp6rimentaux fournis lors des exp6riences pr6cddentes en utilisant un ordinateur I.B.M. 1130 6quip6 d'un traceur de courbe Benson [4]. A partir des d6formations relatives enregistr6es, les contraintes 61astiques correspondantes sont calcul6es et trois types de graphes peuvent ~tre trac6s :

-- les courbes du type 1 repr6sentent les forces de traction en fonction des micro-d6formations;

-- les courbes des types 2 et 3 font apparaitre les d6formations relatives et les con train t es superficielles suivant l'emplacement des extensom6tres sur les t61es.

Enfin, des micrographies, effectu6es aux microscopes optique et /t balayage sur les joints de colle et les faci6s de rupture, compl6tent nos observations.

1 . D E S C R I P T I O N D U M O D I ~ L E E X P I ~ R I -

M E N T A L

Le dispositif utilis6 pour l'essai de cisaillement en traction est sch6matis6 sur la figure 1 :

)

- - l'origine O' de O'z', axe de sym6trie longitudinal de la face ext6rieure d'une ~/61e 7', se projette orthogonalement au centre de sym6trie de son subjectile. Les extensdin6tres son_.t plac6s sym6- triquement par rapport /t l'axe Oz de l'fime A, en des points d'abscisses : z '=0, z'= +_ 18,5 mm, z'= +37 mm et z'=56,5 mm (pour les 6chan- tillons rep6res EPR 11, EPR 13 et EPR 21) et z '=0, _+21, _+42, 59 mm (6chantillon EPR 19), avec une pr6cision Az= _+0,2 mm.

Nous rappelons que : - - les t61es sont constitu6es par de l'acier XC 18

normalis6; elles ont une 6paisseur er constante, 6gale/l 4 ram_0,01 ram, fi l'exception des ~prouvettes EPR 20 et EPR 21 pour lesquelles respectivement e r=2 et 6 mm;

- - le joint de colle d'6paisseur constante 0,5 mm est form6 par de l'Eponal 317 [5];

- - les essais de traction sont effectues/l la temp6- rature ordinaire, voisine de 20~

2. DI~TERMINATION DES DI~FORMATIONS RELATIVES DES TOLES 7'

2 . 1 . M e s u r e s

Les d6formations relatives e=A1/l des t61es 7' I et 7' 2 en fonction de l'effort appliqu6 sur l'Sxne A d'une part, et sur 7'1 et 7' 2 d'autre part, sont enre- gistr6es au cours de l'essai de traction en cisaillement.

2 . 2 . E x p l o i t a t i o n d e s r 6 s u l t a t s

L'utilisation de l'ordinateur permet : - - de calculer les contraintes longitudinales et les

contraintes transversales /t partir des allongements relatifs (relations 1 et 2 w

-- et de tracer les courbes qui repr6sentent : �9 les forces de traction F, en fonction des micro-

d6formations (courbes du type 1); soit F , = f l (e) les valeurs calcul6es en chaque point off se trouve plac6e une jauge d'extensom6trie,

�9 les d6formations relatives e en fonction des abscisses z' des jauges, pour une valeur d6ter- min6e de la force appliqu6e sur l'@rouvette, soit e=f2(z') (courbes du type 2),

�9 Ies contraintes superficielles ~z en fonction des abscisses des jauges pour chaque ~aleur de la force appliqu6e, soit a=fs(z') (courbes du type 3).

L'6tude est r6alis6e pour trois 6tats de surface distincts et bien d6finis [2] �9

-- rugosit6 grossi6re (R.G.); - - rugosit6 fine (R.F.); - - rugosit6 grossi+re sabl6e (R.G.S.);

qui correspondent respectivement aux 6prouvettes EPR 11, EPR 13 et EPR 19.

Les graphiques Fn=fa(e) transcrivent les courbes de d6formation (fig. 2) et mettent clairement en 6vi- dence le comportement g6n6ral de l'6chantillon en cours d'essai.

Cependant, afin de pouvoir comparer entre elles les micro-d6formations d6tect6es sur une sdrie d'6prou- vettes, il est n6cessaire que les jauges soient fix6es avec un gr_~and soin, en des points sym6triques par rapport/t Oz, et/ t la m6me cote z' sur l'axe O'z'. Nous avons alors et6 amen6s a mettre au point une technique [6] permettant de rep&er la position des extensom61res au 1/10 de millim6tre.

Les graphiques e=f2(z') et a=f3(z') font a p p a -

raitre des courbes bien caract6ristiqu.es pour chaque valeur de F, (fig. 3, a et b), dans ce cas bien stir, il n'est pas utile que la disposition des extensom+tres soit aussi rigoureuse.

En g6n6ral, ~ repr6sente la moyenne arithm6tique des allongements relatifs qui sont mesur6s sur la m~me 6prouvette et qui sont d6tect6s par deux jauges sym6triques par rapport/l Oz, plac6es sur les t61es 7' I et 7'2. I1 est donc n6cessaire de re_specter la sym~trie des capteurs par rapport ~t l'axe Oz sur chacune des pi6ces. Nous appellerons courbes moyennes les courbes exp6rimentales d6termin6es /t partir de ces valeurs moyennes.

256

O

I I

Y. G I L I B E R T - J . B E R N A S C O N I - C. C O L L O T

i '~ les "['1 ,Tz . a m e A j o i n t d e c o l l e d

140

. . . . ~ = F / 2

z

i I

I - 4 4 4 4

~, 56,5

Position des iauaes ~our

_tm -Z'

j a u g e s p o u r E P R q 1 . E P R 1 2 . E P R 13 Fig. 1. - - Sch6ma de 1'6prouvette

de traction.

I1 s'avere pourtant interessant, lorsqu'on veut 6tudier plus precisement les phenomenes, - - soit du c6te de 7'~, - - soit du cete de 7'2, de tracer les courbes representatives ~ partir des deformations enregistrees sur chaque t61e. Les figures relatives & 7't et & 7' 2 porteront respectivement les mentions face 1 et face 2.

3. I~TUDE G~qI~RALE DES DI~FORMATIONS ET DES CONTRAINTES

3.1. Vitesses de traction et scrutation des jauges

Nous avons utilise une vitesse de traction lente de 100 d a n par minute. Notre systeme de mesure associe & une imprimante permet d'enregistrer une micro-deformation par seconde grfice A un balayage regulier [1]. La force F appliquee est maintenue constante pendant tout le cycle de la scrutation des extensometres qui sont disposes sur les t61es 7'~ et 7' 2 de l'eprouvette.

3.2. l~volution des courbes repr6sentatives des forces de traction F. en fonction des allongements relatifs

3.2.1. Remarques prOliminaires

Les efforts appliques F, sont tels que

F , - F , _ ~ = 100 daN.

Nous avons reporte sur la figure 2 les courbes F,=f~ (e) qui correspondent ~t l'etat de surface (R.G.S.) d6fini precedemment [2]. Les eprouvettes se rompent pour des efforts de traction respectivement egaux ~t 2 900 daN (etat R.G.S.), 2 100 daN (etat R.G.) et 2 100 daN (etat R.F.). Les courbes sort approximativement li- neaires. Toutefois, ~t l'abscisse z ' = - 2 1 ram, il apparait nettement dans le cas des subjectiles sables et

pour les 6paisseurs de t61es considerees, deux decrochements lorsque

1 600 daN < F, < 1 700 daN et

2 500 daN < F, < 2 700 daN.

Ces derniers sont observes avant la rupture de la resine. La meme anomalie est decelee pour

2 100 d a N < F , < 2 300 daN

avec des t61es du type rectification fine sablee (R.F.S.) et dont l'epaisseur a pour valeur 6 ram.

3.2.2. lnterprOtations

Ces decrochements signales sur les deux faces exterieures (fig. 2) au meme niveau de T1 et Tz, traduisent qu'aux points correspondants :

- - l e s t61es ne s 'allongent plus mais elles se contractent;

F n d a N E P R - 1 9

Z ' = 0 m m Z'= 21mm - - - - x . x

4. . . x " �9 " x ' " x '

2500 .~ ..:,...'~ ,." .."" .4. .~, x . - x "

�9 .r ~ ..~--" �9

~ Z ' - 2 1 m m / . / Z ' = 4 2 m m .."'"i. '~ Z = S 9 m m

...... + .i. r ," .,'" 1500 ~- ,~ ~" . ,- ' .x

�9 ~ 4 . : / -Z x ' . x ..Z ~ / .~-".x'" 4- ~:,: .~ =" .,c"

1000+ ~.~ .~ ..~;, 4 . / . . ~ x .x

5 00 ~ " .-:~"" "" x ' x ' " ~'

~~ ' ~ j4 m.m -I

0 SO0 1000 1500

Fig. 2. - - Courbes repr6sentant F.=f l (s) darts le cas 06 les subjec t i les des t61es poss~dent un 6tat de surface du type rectification grossi6re sabl6e (R.G.S.). Jauges L.

Z'=-42mm

257

VOL. 9 - N ~ 52 - MATERIAUX ET CONSTRUCTIONS

-- l'effort de traction n'est plus transmis de la mame faqon aux t61es, par l'interm6diaire du joint de colle J.

Par consequent, il se produit localement : - - soit une rupture d'adh6rence aux interfaces colle-

acier du c6t6 de 7' t et T2, ou du c6t6 de l'5_me A; - - soit un cisaillement des joints J.

C'est l'examen des pi6ces apr6s rupture qui nous fait retenir la deuxi6me solution. I1 y a en effet propagation du cisaillement dans le joint de r6sine.

Dans le cas des t61es rectifi6es EPR l l-R.G, et EPR 13-R.F., nous d6tectons une tr6s 16g6re contraction au niveau z ' = - 37 mm quand l'effort F, atteint 700 ~i 800 daN, puis une contraction un peu plus intense vers 1 600 daN au niveau z '= - 18,5 mm pour l'6prouvette EPR 13-R.F. et 5. l'abscisse z ' = - 3 7 mm pour EPR 11-R.G. Ces anomalies s'expliquent comme pr6c6demment, mais apr6s rupture, il ne reste pas de colle sur les t61es Ta et T 2. I1 se produit donc une rupture d'adh6rence aux interfaces colle-acier, du c6t6 des t61es.

3 . 3 . l ~ v o l u t i o n d e s c o u r b e s r e p r 6 s e n t a t i v e s d e s f o n c t i o n s

e = f 2 (z') e t a = f 3 (z ' )

3.3.1. Remarques prkliminaires

Nous avons fix6 sur les t61es de l'6prouvette EPR 19 des rosettes [7] constitu6es par deux jauges ortho- gonales (L) et (P), dispos6es sur un m~me support pelliculaire. A un niveau donn6, la jauge Lest orient6e suivant l'axe O'z' parall61e /t l'effort de traction F, .

Soient (eL, ep), les d6formations relatives mesur6es sur les t61es et (~/., ae) les contraintes calcul6es selon les formules classiques

Er aL = ~ (eL + Vr Se), relation 1,

Er at,= -:------~(ep+ vr eL), relation 2.

Dans ces relations Er et vr d6signent respectivement le module d'61asticit6 et le coefficient de Poisson des t61es Z

Ainsi, nous supposons que :

- - E r et v r sont donstants le long des t61es 7' quel que soit l 'effort appliqu6 F, ; or, ils varient suivant l'axe O'z' lorsque les t61es sont li6es /t l'fime par l'interm6diaire d'un joint de r6sine ;

- - les brins des jauges ne se d6forment que suivant leur longueur; mais, pratiquement, il existe une petite d6formation transversale;

- - les ills actifs des ja__uges sont situ6s & la mame distance de l'axe Oz que la surface des t61es; en r~alit6, ils sont un peu plus 61oign6s.

Le but de notre travail ~tant de comparer les d~formations relatives et les contraintes engendr6es en fonction de l'~tat micro-g6om6trique des subjectiles, ces approximations se justifient.

258

EPR 19

JAUGE5 L

1500 / / i ~'" ...

/ /

27

" * 2S

- - + 2 2

1000- 19

500

. ,-/// ,;--, l/ III

S/

~'*16

~-11

"-10

_ . / f § 2 Z m m

-10 0 10 20 30 40 50

F i g . 3 a. - - Courbes repr6sentant e=fz(z' )dans le cas Oil les subjectiles des t61es poss6dent un 6tat de surface du type rectification grossi6re s a b l 6 e ( R . G . S . ) . Jauges L.

-1 ~ p. r,',.m

JAUGES L

1000'

5 0 0 / / + . - "

EPR-13

. ~ / * 20

J . 18

§ 7 . . . . . . * 16 / /

/ / /

/ ../ �9 ,-13

Z /

/ / /

, / /

/

. 7 § + 9

+ ~ § Z n'3 m

-30 -~o -1o o 1o 20 ~o 40 io Fig. 3 b . - - Ceurbes repr~sentant s=f2(z' )dans le eas off les

subjectiles des t61es poss6dent un 6tat de surface du type rectification grossi6re ( R . G . ) . Jauges L.

Y. G I L I B E R T - J. B E R N A S C O N I - C. COLLOT

Cependant, dans un prochain travail, nous mon- trerons que :

- - le module d'dlasticit6 E r et le coefficient de Poisson v r varient en fonction de l'abscisse z' et de l'effort appliqu6e F . ; nous parlerons alors des variations du module d'~lasticit~ et du coefficient de Poisson du mat6riau composi te;

- - il est possible de calculer le coefficient de Pois- son Vrc en chaque point de l '6prouvette en y plaqant deux jauges perpendiculaires (rosette de deux jauges /t 90~ nous avons alors :

•PC VTC ~ eL c

off epc et eLC repr6sentent les valeurs corrig6es des allongements relatifs e L e t Se qui sont d6tect6s sur la structure analys6e par les jauges L et P [7].

Les expressions corrig6es de ~L et Sp sont respec- t ivement

1 - - v o K t eLC= 1 - K f (eL-- K' eP)'

1 - v o K t epc = - - (Sp- Kt eL),

1 - K

K t repr6sente par d6finition la sensibilit6 transversale de la jauge utilis6e [7] et %=0,285 le coefficient de Poisson d6termin6 lors d 'un 6talonnage pr6alable sur de l'acier s tandard soumis /t une contrainte uni- axiale [7].

Nous avons trac6 les courbes exp6rimentales des fonctions ep=fz(z') et crp=f3(z ') dans les conditions d6finies pr6c6demment; elles mont ren t que :

- - les contractions relatives ep (fig. 4 a) mesur6es dans la direction perpendiculaire /t l 'axe O'z' sont importantes et atteignent, dans le cas des subjectiles sabl6s, 500 ~a'n.m -~ pour une valeur de F , 6gale & 2 800 daN;

- - les contraintes transversales crp sont par contre toujours tr6s faibles et pra t iquement n6gligeables par rappor t aux contraintes longitudinales aL=f3(z ') (fig. 4, b).

Ces mesures permettent de v6rifier que le mod61e exp6rimental regoit et t ransmet parfai tement aux t61es l'effort uniaxial de traction, ce qui ne semblait pas ~vident a priori.

3.3.2. Evolution des courbes reprdsentatives de e = f z (z')

Nous avons rapport6 sur la figure 3, a et b, les d6formations moyennes en ordonn6es et les cotes z' (position des jauges) en abscisses. Les courbes correspondantes font appara i t re des contractions et des dilatations singuli6res /t part ir de certaines valeurs bien ddinies de la force F . :

- - des contractions dans la zone n6gative lorsque F , atteint 1 600 daN;

- - d e s dilatations lorsque les abscisses z' sont comprises entre 21 et 42 mm, pour une valeur de F, voisine de 2 100 daN (EPR 19, fig. 3, a).

100"

-1 s }4mrn

J A U G E 5 P I E P R - 1 9

- lO Ol lO 20 30 40 50

Z r n m

- 200 -

- 4 0 0

"- ~ § 10

~4\\ X\\

"~ X +~ ~-+16

\ \ .- ~+ 19 \ \ / - ~

22

\ \ . . . + 2 5 /

\\x+ --" / "" .§

Fig. 4a. - - Courbes repr6sentant e=f2(z' )dans le cas off les subjectiles des t61es poss~dent an 6tat de surface du type rectification grossi6re sabh~e (R.G.S.). Jauges P.

CONTRAINTE5 d~N. mrn -2 EPR -19

JAUGES L

30

20-

..+/

/ /

/ / /

// "..... / "* 27

/ / 25

/ /

/ /. . . . . . + 22 / /

I /

-+19

/ / , / - - . 1 4

/ / /

' + 10

~ ~ / ~ § - -

Zmm ~ ~ - 2 ~ / -I0 0 10 20 30 40 50

~ + - ' ~ ~

Fig. 4b. -- Courbes repr6sentant a=f3(z') dans le cas o/! les subjectiles des t61es poss6dent an 6tat de surface du type rectification grossi6re sabl6e (R.G.S.). Jauges L.

259

V O L . 9 - N ~ 52 - M A T E R I A U X ET C O N S T R U C T I O N S

I_es contractions longitudinales qui sont observ6es dans la partie n6gative des 6prouvettes constitu6es de t61es dont les subjectiles sont du type (R.G.S.) se caract6risent par une forte amplitude quand l'effort F, se rapproche de l'effort de rupture. Dans ce cas, la d6coh6sion se produit pr6f6rentiellement par cisaillement du joint J.

Par contre, lorsque les subjectiles sont du type (R.G.) ou (R.F.) et que la rupture a lieu aux interfaces colle- acier (rupture d'adh6rence) les contractions d6cel6es sont de tr6s faible amplitude (fig. 3, b).

3.3.3. Evolution des courbes repr&entatives de cr = f3 ( f )

La figure 4 b met en 6vidence l'ensemble des contraintes moyennes calcul6es & partir des micro- d6formations en fonction de l'emplacement des jauges. Les remarques not6es au paragraphs 3.3.2 s'appli- quent aux courbes repr6sentatives des contraintes exp~fimentales a= f3 (z'). Nous constatons en g~n~ral que les contraintes moyennes, comrne les d6forma- tions, augmentent avec F, sauf pour les valeurs parti- culi6res pr6cis6es plus haut quand les abscisses croissent de - 4 & 58mm.

3.4. Comparaison des d~formations relatives et des contraintes en fonction de l'~tat de surface des subjectiles

I1 est int6ressant de comparer entre elles les courbes moyennes du type 1, 2 et 3, relatives aux diff6rents 6tats de surface (R.G.S.), (R.G.) et (R.F.).

3.4.1. Courbes F , = f l (s) (type 1)

D6signons par SR.O.S., SR.C., SR.V. les micro-d6for- mations qui sont mesur6es sur les t61es des 6prouvettes pr6sentant les 6tats de surface respectifs : rugosit6 grossi6re sabl6e (R.G.S.), rugosit6 grossi6re (R.G.) et rugosit6 fine (R.F.). Soit Sxc 18 les d6formations relatives d'un barreau d'acier (XC 18), de 16 mm de diam6tre et de 260 mm de longueur, tir6 avec la m~me vitesse de traction (100 daN.s- l) .

La figure 5 montre que pour les abscisses positives, le barreau se d6forrne moins que les 6prouvettes compos6es, qu'elles soient dans l'6tat (R.G.S.), (R.G.) ou (R.F.). C'est l'inverse qui se produit lorsque les abscisses sont n6gatives.

A titre d'exemple; pour z'=18,5 mm, les micro- d6formations se classent de la mani6re suivante :

SXC 18 ~ SR.G.S. ~ SR.G. OU SR.F..

En outre, l'allongement relatif SR.G.S. est g6n&alement inf+rieur ~t SR.C. OU ~t SR.F..

3.4.2. Courbes du type 2 " s = f z ( z ' )

La figure 6 repr6sente pour les valeurs de/7, 6gales 200, 800, 1700, 2 000 daN, l'6volution des d6for-

mations moyennes des t61es T, suivant la position des extensom6tres. Elles nous permettent alors de comparer les trois 6tats de surface (R.G.S.), (R.G.) et (R.F.).

F daN

3 0 0 0 . / I

I 1

I i

I

2 0 0 0 / �9 i I ,

i / I

/ . f . . . . . XC 18 / 1 _ _ - RG E P R 11

1 0 0 0 /.~'~ . . . . . . R G 5 E P R 19

// '~L~ o o o o R F E P R 13

,r.. la m.m -1 I I I 1~

5 0 0 1000 1500 Fig. 5. - - Comparaison des d~formations du barreau ( x c 18)

h cells des @rouvettes compos~es dans les ~tats (R.G.S.), (R.G.) et (R.F.). Jauges L; z ' = + 1 8 , 5 mm.

Nous remarquons que pour �9 - - F , = 2 0 0 d a N , Sg.a.S. OU & SR.G.; - - F, = 800 daN les allongements sont sensiblement

6gaux quels que soient les Stats de surface Es t , et la cote z ,

- - F ,>800daN, SR.G.S.<SR.a. et SR.O.S.<SR.V. quel que soit z '<0, c'est ainsi que

As= SR.a.-- Sr~.O.s. = 160 et 320 ~tm.m- t

lorsque F, a pour valeurs respectives 200 et 2 000 daN (pour z '= 18,5 mm) et tr6s souvent pour z '<0, eR.v.<RR.o..

Par cons6quent, lorsque l'effort' F, cro]t, et & partir d'un certain seuil (800 daN dans nos conditions exp6rimentales), l'ensemble des courbes repr6sentatives g=fz(Z') montre que :

-- un mSme effort de traction F, provoque les plus faibles d6formations superficielles lorsqu'il est appliqu6 & des 6prouvettes compos6es d e t61es dont les subjectiles sont du type rectifi6 sabl6 (R.G.S.);

- - l'6cart A el=Srt.o.s.--SR.a, ou SR.F. croit avec la force appliqu6e; il est tel que :

70 p m . m - 1 < A s l < 3 2 0 ~rn.m -x

lorsque

200 daN < F, < 2 000 daN

pour z'= 18,5 mm; - - l'6cart A sz= SR.O.-- SR.v.devient significatif lorsque

F, atteint 1 800 daN, du c6t6 des abscisses positives, c'est-&-dire pour les parties des t61es les plus d6form6es (14 ~ m . m - 1 < A s z <22 p m . m -1 lorsque 1 700 daN < F, < 2 000 daN pour z '= 18,5 ram).

3.4.3. Courbes du type 3 " a= f3 (z')

Nous avons montr6 que les contraintes transversales av sont n6gligeables par rapport aux contraintes longitudinales aL. Par ailleurs, nous avons trac6 et

260

Y. G IL IBERT - J. B E R N A S C O N I - C. C O L L O T

- - R G EPR11

. . . . . RG5 EPR19

-- -- - RF EPR13

| X

+ -,go -~o -'io o

|

, , ~ ~ + . _ . _ _ .-------~_

+ ~ - g 0 -~0 -4o 0 JAUG E5 L

~

s6o

Fn= 2000 daN

/ / ~ . / " �9 . �9 o / / ~ � 9

Fn:1700daN

_ . % . -

10 . ~ / . . . "

600 / ." / . �9 .+" Fn=800daN

�9 , 4 - . ~

�9 .< . Z ' * - ~ / / ' + - - '-~-+ .300 +

- - - ~ - ~ - / ~ : 200 don _ _ _ _ - - - - - - - +

:-~" " - " ~ ~ ' h 'F~ ~ ' � 9 1 6 2 7 m m

l o ~o do 40 so '

Fig. 6. - - Comparaison des micro-deformations d&ectees ~ la surface des tgles dont les subjcctiles sont du type (R.G.S.), (R.G.) ct (R.F.). Jauges L.

compare (fig; 7) les courbes representatives des contraintes moyennes calculees, induites dans les t61es dont les subjectiles sont du type (R.G.S.), (R.G.) et (R.F.) et qui correspondent aux echantillons EPR 19, E P R l l et EPR13.

C ONTRAINTE5

T daN. mm "2

RG EPR 11 301 . . . . . RG5 EPR19

�9 _ . . . . I / / 7 Fn+2000'daN RF ~ . ~ 1~ I / / / " �9

/ . . ~ ~ / . " " " " +

Y 3-,f" ." (~) A

, , ~ . / . " ~ / + " " " " "" 0[ + - f -3b -20 -I"0

(~) 15.

-30 -20 -10

JAUGE5 L

�9 4-

o ~ ~ "

10 ~ ' ~ . . " " " +

j ~ S T : i : + . " " i Fn-800 daN . . . . . .

~"~ ' - '~" - '~"k .~"" ' t~2F n- 200 daN . .+ ..1 ~ . - ' t ' ) , ~ . ' - ~ :-4:.+

~" ~ "h"t='r �9 " . 1P, 0 10 20 30 40 Z mm

Fig. 7. - - Comparaison des contraintes superficielles engendr6es h la surface de t61es dont les subjectiles sont du type (R.G.S.), (R.G.) et (R.F.). Jauges L.

Nous observons, comme pour les deformations, que : - - si F ,=200 daN,

O'R.G.S. ~ O'R.F. < O-R.G.

(pour z '= 18,5 mm, 1,3 daN.mm -z < 1,5 daN.mm

-2<3,0 daN.mm-2);

si F ,=800 daN, les contraintes sont sensiblement 4gales quels que soient les 6tats de surface E s et l'abscisse z';

si F ,>800 daN, O'R.G.S.< O'R.G. OU ~t. OR.F; quel que soit z '> 0, c'est ams] qu'~t l'abscisse z '= 18,5 mm, nous notons les valeurs suivantes :

F, (daN)

amo.s. (daN.mm -2)

0"R.G. (daN.mm-Z) .

aR.V. (daN.mm-Z) . .

800 1 300 1 700 2 000

5,14 8,45 11,29 13,41

5,14 10,65 15,95 21,96

5,79 10,65 16,26 22,46

3.4.4. Conclusions

Nous avons indiqu6 [2] que la contrainte moyenne de cisaillement r,, engendree dans nos 6prouvettes de traction est maximale : 157 daN.cm -2, lorsque les subjectiles des t61es ont subi une rectification grossi~re sablee et qu'elle n'atteint que 112,4 daN.cm -2 pour l'etat (R.G.), 103,2 daN.cm -2 pour l'etat (R.F.).

Nous avons pu ensuite mettre en evidence que les deformations et les contraintes moyennes les plus faibles sont detectees sur la surface des t61es du type (R.G.S.) et notamment lorsque l'effort applique F, depasse 800 daN :

et 8R.G.S. < 8R.G. < 8R.F.

O'R.G.S. < O'R.G. < O-R.F.

dans la partie de l'echantillon la plus sollicit~e (z'> 0).

Ces resultats se compl~tent et confirment que le joint de colle est mieux fix6 lorsque les subjectiles sont sables ou possedent une rugosit6 grossiere. Ainsi, dans le cas d'un bon ancrage des joints sur les t61es, l'effort de traction est mieux transmis /t l'ensemble de l'eprouvette (t61e-colle-&rne) et la d4formation se propage dans toute ta masse du materiau composite. C'est pourquoi nous detectons les contraintes superficielles les plus faibles pour l'echantillon le plus resistant.

4. DI~TECTION D 'U N DI~FAUT D U JO IN T DE COLLE Y : RI~PARTITION DI~FECTUEUSE DE L'ADHE~SIF SUR UN SUBJECTILE

4 . 1 . E x p 6 r i e n c e

Nous avons considere, au cours de nos essais, une 6prouvette dont les t61es, d'epaisseur 6 mm, ont subi une rectification fine, puis un sablage (sable C90 Meshs) qui a 4t4 realis6 dans les memes conditions que pour

261

VOL. 9 - N ~ 52 - M A T E R I A U X ET C O N S T R U C T I O N S

Joint de colle .d.

c isai l l$ s u r ~oute Coupe 8-B

la s u r F a c e ' ~ g r o s s e bulle X

A ~ _ _ _ ,~:, ,~ ~ , . . , .= ; . : .,, ,,~ ; , : ,~.r ,,,,3~, " ,~ ,,;

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ,, ...... ,,:.: ,,.}.-(: r6%; �9

L19 ; 25

, 88 ,~

140

i I I [ i

n I'P

JtA

Coupe A -A TSle T2 {ou Face 2) j a u g e 13 j a u g e 15

O ~ Z"

r _ . z . . z - z - / ~ / / / / / / / / / ~ l B s j

F i g . 8 a. - - L o c a l i s a t i o n d'un d6faut du type bulle dans le joint de r6sine.

la plaque du type (R.G.S.). Une partie de la t61e (face. 2) n'est pas ancr6e sur l'ime; en effet, le joint est d6pourvu de mati6re dans toute la partie positive AB (longueur du vide �9 25 ram). L'emplacement du d6faut se situe entre Ies abscisses 19 m m < z ' < 4 4 mm (fig. 8, a). Lorsque l'effort de traction appliqu6 F, est compris entre 1 200 et 1 300 daN, au voisinage de z '= 37 ram, face 2, il apparait une brusque augmentation des allongemen-t~ relatifs s~r les courbes e = f2 (z') (fig. 8, b:). Sur l'autre face (fig. 8, b,) une dilatation intense se manifeste r6ciproquement et simultan6ment sur presque toute la longueur de recouvrement de l'6prouvette - -44 m m < z' < 44 ram.

Ainsi, notre m6tliode de mesure permet de d6finir avec pr6cision l'emplacement d'un d6faut du type bulle, suivant la longueur de l'6prouvette. Dans le cas pr6sent, il se situe dans 1.e joint J2, off l'on note des variations importantes de e fl la surface de la plaque 7"2, fl un niveau z' compris entre 18,5 mm Gauge 4) et 37 mm (jauge 15).

Le m~me vide peut ~tre d6cel6 fl partir des courbes de contrainte a=f3(z') qui font apparaitre des anomalies identiques.

Signalons que dans ce type d'exp6rience [6tat de surface (R.F.S.), pr6sence d'un d6faut, 6paisseur de t61e 6 ram], la rupture se produit par cisaillement pr6f6rentiel des joints J1 et J2.

Nous avons 6galement observ6 que �9 - - pour des subjectiles ayant subi des rectifications

fries (R.F.} ou grossi~res (R.G.) et des sablages identiques;

- - pour des t61es d'6paisseurs variables er; les courbes 8=f2(z') et a=f3(z ') comprennent dans la zone n6gative, fl partir d'une certaine valeur de l'effort - 2 000 daN _ pour l'6prouvette EPR 21 (fig. 8, b2) des contractions caract6ristiques, semblables fl celles qui sont mises en 6vidence dans le cas d'un joint presque parfait (fig. 3, a).

La ]ocalisation du macro-d6faut d6tect6 pr6c6dem- ment est mise en 6vidence, fl partir des jauges transversales, par une brusque diminution des atlongements

t relatifs sur les courbes e= f2 (~).

262

4.2. Taille c r i t i q u e d e s m i c r o - d 6 f a u t s

Nous avons affin6 nos observations en effectuant des micrographies aux microscopes optique et 61ec- tronique. La figure 8, c i, montre que pour 1'6tat sabl6 (R.G.S.) la colle (EponaI 317 [5]) tr6s visqueuse (80 fl 100 000 cps) p6n~tre bien dans les micro-d~fauts de surface.

Les micrographies" effectu6es au microscope fl balayage sur la r~sine montrent l'existence de bulles sph6riques, dont les dimensions sont de l'ordre du 1/100 de millim6tre (fig. 8, C2). I1 serait int6ressant de ddterminer, grfice fl notre m6thode de mesure, le seuil de d6tection des d6fauts, c'est-fl-dire la taille critique au-dessus de laquelle il apparait une augmentation brutale de l'allongement relatif 8=fz(z').

4 . 3 . C o n c l u s i o n p r a t i q u e

I1 est presque impossible, actuellement, d'61iminer la formation de bulles dans la masse du joint J, au moment de l'application de l'adh6sif sur les subjectiles des t61es T. Celle-ci doit ~tre r6alis~e avec le plus grand soin afin d'6viter l'apparition de tr6s gros d6fauts qui diminuent la r6sistance au cisaillement du mat6riau.

5. EXPERIMENTATION A L'AIDE D'UNE IBPROUVETTE COMPOSIBE DE DEUX TALES PRF2SENTANT DES SUBJECTILES NON IDEN- TIQUES

Dans cette exp6rience, les 6paisseurs des t61es 7' et du joint de colle J sont respectivement e r=2 mm et e s = 0,5 mm.

Le subjectile de 7' 1 est du type (R.G.S.) et celui de 7' 2 du type (R.F.). La ruine de l'6prouvette se produit pour une valeur de l'effort F, 6gale fl 1 100 daN.

L'observation visuelle des sub]ectiles r6v61e une rupture d'adh6rence parfaite (pas de colle sur le subjectile) fi l'interface colle-acier du c6t6 de la t61e 7' 2 et

-1 s

'1o00~.I

JAUGE5 L - F A C E '1

SO0

/ /

- Ib o

EPR-21

§ * 2 4

+ - - - - - - - - - - - - - * 2 2

/ /

/

/

/ __----------§ 16

/

/ - t + / .

/ ~ :13 ~ * ~ 1 I J " . 12

.%.--rqq I I I I / / / + ~ , - 1o

_ § 2 4 7 2

~ Z m m

fl'0 2"0 3"0 4'0 5"0 >

Fig. 8 b 1. - - Courbes repr6sentant s = f : ( z ' ) dans le eas o6 le joint de r~sine comporte un miero-d6faut. Jauges L, face 1.

~ooo I

J A U G E 5 L FACE 2

5 0 0

~ 4 m.m -1 EPR - 2 1

/ ~ - , 22

,/ .19

"~+14

- " - ' ~ - " ~ § 12 . . . . *11 - - - - - - - § 10 ------------. g

Y. G I L I B E R T - J . B E R N A S C O N I - C. C O L L O T

201J | I

Fig. 8c~. - - Mierographie optique de l'interface colle-acier Iorsque les subjectiles sont du type rectification grossi6re sabl6e (R,G.S.).

une rupture d'adh6rence moins nette fi l'interface col le-~ae (la colle est rest~e ancr~e sur la t61e 7'1).

L0rsque l'effort F , atteint 1 100 daN, il se produit une brusque rupture d'adhdrence ~ l'interface colle 7' 2 . Le choc qul en resulte entraine lmmediatement la rupture sur rautre face. L'6tat rectifi~ sabl~ (R.G.S.) semble donc offrir un ouvrage plus r6sistant que l'6tat frais~ sabl~ (E.F.S.) [2] de rfirne, puisque la colle est rest~e praf6rentiellement sur la t61e 7' 1 .

I1 faut noter que les courbes e=fz(z') ne mettent pas en ~vidence de contractions caract6ristiques lorsqu'on se rapproche de la valeur F, qui provoque la d~coh6sion de l'~prouvette.

Signalons enfin que notre syst6me de d6tection perrnet "

- - de localiser la r6gion off s'amorce le cisaillement du joint;

- ou de situer l'endroit os d6bute le d6collement des t61es darts le cas d'une rupture d'adh6rence;

- - et 'de pr6voir quelle est la force de l'6prouvette la plus r6sistante.

* 6

!

Z m m

.10 20 30 40 50

Fig. 8 b 2. - - Courbes repr6sentant s=f2(z' )dans ie cas o6 le joint de r6sine comporte un micro-d6faut. Jauges L, face 2.

2

>

4 0 p ! !

Fig. 8 c 2. - - Mierographie effectu6e au microscope ~lectronique ~i balayage sur le joint de r6sine.

263

V O L . 9 - N ~ 52 - M A T E R I A U X ET C O N S T R U C T I O N S

~ d o N 3 / 1 5 ~ 1 / 1 3

, .............. ~ g ~ 0 ~ ...........

§

daugeI1~ ....

1500

+ +

5O0

"x... "x

�9 ~ �9 . " "" ...

:~i .... ,, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~.

..' ,." . . . , .,..it" . . , . ~ " . . . , .~ ."

,.It "" . .at ' "' . ..Iv-' ' "

~ ' " . .~ r ' " " .- . .~ ." "'"

X ' " .~ r . . 2 r

...~'" ,~r"" . ~ r ' " "

.~" .~r ) e " ' " .. . . . . . . ' .~'" . de" , . J r""

. l r " " ~ ' " ' . ~ r " " ""

) r ' . .~" ,.~r .~.'4-'."; ~ ......

.,.~ .:S~? :~ ~ J4 m.rn-1

~60 260 360 460 �9

Fig. 9. - - Enregistrement des d6formations en des points bien d6termin6s de la surface des t61es dont les subjeetiles sont du type (R.G.S.).

6. DISCUSSION

Nous avons observ6 pour un certain nombre d'6prouvettes dont les subjectiles des t61es sont du type rugosit6 grossi6re sabl6e (R.G.S.) des contractions caract6ristiques sur les courbes e=f~ (z') lorsque les valeurs de z ' sont comprises entre 0 et - 4 4 ram. Cette anomalie se produit toujours dans la partie de la pi6ce off Ia contrainte est essentiellement transmise par l'Sme A au joint de colle J.

Afin de mieux analyser le ph6nom6ne, consid6rons les jauges I~, I 2 et 13 plac6es sur la plaque 7' 1 (face 1) de l'6prouvette EPR 19, d'abscisses respectives z '= -42 , -21 et 0 ram (fig. 9). Quand l'effort appliqu6 F, cro] de 0 /~ 1 500 daN la zone relative /t la jauge I1 ne se d6forme pratiquement pas au d6part, puis elle se contracte du fait que l'influence de l'firne est pr6- ponddrante.

ga partie qui correspond/t I 2 s'allonge lin6airement; il en est de marne pour celle qui est test6e par la jauge 13.

Quand l'effort atteint 1 400 daN, la zone 12 se contracte brutalement. C'est vraisemblablement l'apparition d'une fissure dans le joint qui produit une relaxation de la t61e. Simultan6ment, nous observons dans la zone (Ii) une dilatation qui ne peut s'expliquer que par l'influence de la micro-fissure situ6e au voisinage de I 2 : sa pr6sence d6solidarise localement l'firne de la t61e.

La fissure ne se propage pas brutalement; d'une part la r6gion (I3) se comporte normalement : elle continue & s'allonger sans 6tre perturb6e par le d6faut situ6 pr6s de 12 . D'autre part, la relaxation de la t61e au niveau (I2) est frein6e tant que l'effort n'a pas atteint 2 300 daN environ.

En outre, lors de la propagation lente de la fissure que traduit la courbe F , = f l (~2), l'influence de l'fime redevient pr6pond6rante dans la r6gion (I1) de la t61e puisque celle-ci se contracte de nouveau.

Enfin, quand l'effort F, devient 6gal 'h 2 300 daN, la fissure au voisinage de (Iz) se propage brutalement dans toute la zone n6gative du joint J.

Ainsi peut s'expliquer le comportement m6canique jusqu'/t la rupture d'une 6prouvette d'acier co116, soumise / t u n essai de cisaillement en traction.

CONCLUSIONS

Nous avons montr6 que l'6tat de surface ~ rectification grossi6re sabl6e ~> (R.G.S.) est celui qui conf6re aux 6prouvettes d'acier co116 la meilleure r6sistance m6canique au cisaillement. En particulier, la comparaison des courbes effort-allongement e= f2 (z'), pour diff6rents 6tats de surface, fait apparaitre clairement qu'~t partir d'un certain seuil de l'effort appliqu6, les d6formations sont toujours moindres /~ la surface des t61es dont les subjectiles sont du type (R.G.S.).

Lorsque nous utilisons des t61es dont les subjectiles sont du type (R.G.S.), la rupture s'effectue pr6f6ren- tiellement dans le joint de colle. Les contractions longitudinales et les dilatations transversales, observ6es dans la partie n6gative des plaques au moment off F, se rapproche de la valeur qui entrahae sa ruine, peuvent s'expliquer par la formation d'une micro-fissure dans le joint de r6sine J qui ne se propage pas instanta- n6ment.

Par contre, dans le cas des ruptures d'adh6rence aux inter-faces colle-acier, en pr6sence de subjectiles du type (R.G.) ou (R.F.), nous ne d6celons pas de variations dimensionnelles aussi marqu6es.

Notre technique extensom6trique permet de d6ter- miner l'effort critique au-dessus duquel il n'y a pas formation de micro-fissures dans le joint J. I1 faudra donc rechercher la composition optimale de l'6prouvette (fractions volumiques de la colle et de l'acier pour le meilleur 6tat de surface) pour que ce seuil soit relev6 au maximum.

En outre, cette m6thode permet, connaissant la vitesse de traction, d'6valuer la vitesse de propagation lente d'une fissure form6e dans le joint..

Enfin, notre syst6me de d6tection est tr+s sensible puisqu'il peut mettre en 6vidence la pr6sence de d6fauts (du type bulle) dans le joint J.

264

RI~FI~RENCES

Ill GILIBERT Y., DELMAS J. P., COLLOT C. - - Contribution d l'6tude des b&ons plaqu(s. Mat6riaux et Construction, n ~ 41, 1974, p. 319-327.

[2] GILIBERT Y., COLLOT C. - - Contribution dt l'&ude de l'adh~sivit( colle-acier en fonct ion des Orals micro- g~om~triques des sznJ~tces rect!fi'~es et rectifi~es sabl~;es. A paraitre : Mat6riaux et Constructions, n ~ 48, 1975, p. 425-437.

[3] R.N.U.R. -E.N.S .A.M. - - M6thode de calcul raise au point par BERGER C., R6gie Nationale des Usines Renault, 10, avenue E.-Zola, 92109 Boulogne-Billan- court, l~cole Nationale Sup6rieure d 'Arts et M6tiers, Centre R6gional de Chgdons-sur-Marne, 51000 Ch~- lons-sur-Marne.

Y. G I L I B E R T - J . B E R N A S C O N I - C . C O L L O T

[4] BERNASCONI J., GILIBERT Y. - - M6thode tie trac( auto- mdtique des courbes de dOformations et de contraintes engemtrL;es fi la smface d '.~;prouvettes de traction rOalis(es en acier ou en &;ton plaque. A paraitre : Univ. et A.R.E.R.S. , septembre 1976.

[5] R6sine raise au point par la Societ6 Sonal, 68, rue Nollet, 75017 Paris.

[6] G[LIBERT Y., MILLER H., GAUTRON G. - - Adaptation d'une perceuse fraiseuse fi commande nurn&ique pour la d&ermination prOcise de l'emplacement d'extenso- mktres ~!lectriques fix& sur les t6les d'~;prouvettes en bdton plaqud. A para~tre dans la Revue de l 'Association des Professeurs de Technologic de l 'Enseignement Public.

[7] Vishay Micromesures. - - Encyclop6die Vishay d'analyse des contraintes. Tech. note. Transverse sensivity errors, 98, boulevard Gabriel-P6ri, 92240 Malakoff.

SUMMARY

Measurement of deformation and stress developed during a tensile shear test on the surface of bonded steel plates. - - Our first tests on plated concrete and bonding of steel on steel aimed at selecting the shape and dimensions of the web A, of the joint J and the sheets Tso as to ensure reproducibility o f experimental results.

This work particularly demonstrated that the best shear resistance values are obtained when the surface of specimens is prepared and made even by coarse sanding.

In the present report we endeavour to analyse the experimental results from the preceding tests. Using the relative deformations recorded, we calculate the corresponding elastic stresses. Three types of curves can be traced :

- - t y p e 1 curves represent the tensile forces in relation to the micro-deformations;

- - type 2 and 3 curves represent the relative deformations and the surface stresses according to the location of strain gauges on the sheets.

We demonstrate that :

- - t h e comparison of the load-elongation curves s = fz (z')for different surface states clearly shows that, after a certain threshold of applied load, the deJormations are always less on sheets whose bonding smfaces are made even by coarse sanding;

- - the longitudinal contractions and the transverse expansions observed in the negative part of the plates when F,, approaches the value which causes its failure can be explained by the formation of a microcrack in the resin joint J; the crack does not spread immediately;

- - with our strain-gauge technique it is possible to determine the critical load above which no micro- cracks will form in the joint J;

- - our detection system is very sensitive since it can reveal faults (of the bubble type) in the joint J.

265

Documents

Mesure des déformations et des contraintes engendrées, lors d'un essai de cisaillement en traction, à la surface de plaques d'acier collées