RECHERCHE

ESSAI MECANIQUE

Dans les essais CTOD, on utiliseune éprouvette dont l'épaisseur estégale à l'épaisseur du matériau àexaminer. Cette éprouvette est pourvued'une fissure réelle. L'essai estréalisé sous des chargesreprésentatives des conditions deservice. Une analyse fitness-for-purpose estdonc possible et permet decalculer la dimension critique desdéfauts. Donc, avant la fabrication, desstandards réalistes peuvent êtreétablis et des décisions peuventêtre prises quant aux techniquesEND (examen non destructif)appropriées. Pour des appareils etconstructions en service, il estpossible de prendre une décisionpour voir s'il est responsabled'utiliser un élément fissuré oudéfectueux jusqu'au moment où ilest possible de le réparer ou leremplacer. Une telle méthode d'approchetechnique critique peut faireépargner beaucoup de temps etd'argent à un opérateur: épargne qui peut s'élever àplusieurs centaines de millions s'il s'agit d'un équipementdans des installations de forage. Bien que l'essai CTOD ait été mis au point pour caractériser les métaux, cet essai est également utilisé pour déterminer la ténacité de matériaux nonmétalliques comme les

matières plastiques soudables.

EPROUVETTE CTODL'essai CTOD est un essai basé sur la mécanique de la rupture quiest utilisé quand quelque déformation plastique précède une rupturecatastrophique. L'ouverture en fond de fissure peut s'étirer et la fissure peuts'ouvrir, d'où déplacement del'ouverture. Au contraire deséprouvettes de résilienceCharpy V 10 x 10 mmmeilleur marchépourvues d'une entaille,l'épaisseur del'éprouvette CTOD est égale à l'épaisseurtotale du matériau. En outre, l'éprouvetteCTOD est pourvued'une fissure réelle et est mise sous charge de telle façonque la vitesse de l'essai correspond mieuxaux conditions deservice. Habituellement, onréalise trois essais àtempérature de service. Troisessais pour obtenir un résultatfiable et cohérent. L'éprouvette même estproportionnelle c.-à-d. que lalongueur, la profondeur et lalargeur de chaque éprouvette sontliées entre elles de sorte que,indépendamment de l'épaisseurdu matériau, chaque éprouvette a

des dimensions uniformes.

FORMES DE BASE

Il y a deux formes de base: • une éprouvette ayant une

section carrée ou• une section rectangulaire.Supposons que l'épaisseur del'éprouvette soit t, la profondeurde l'éprouvette est donc de 2tavec une longueur standard de4,6t. Au milieu de l'éprouvette, on fait,

mécaniquement,une entaille qui seprolonge par unefissure de fatigue detelle sorte que lagrandeur totale dudéfaut est égale àla moitié de laprofondeur de l'éprouvette (fig. 1). Un essai sur unesoudure de 100 mmd'épaisseur exigeradonc uneéprouvette ayant lesdimensionssuivantes: • 100 mm de

large, • 200 mm de profondeur et • 460 mm de longueur. La fabrication de l'éprouvette est donc une opération coûteuse. De plus, l'utilité de cet essaionéreux n'apparaît qu'aprèsl'essai.L'essai est réalisé en mettantl'éprouvette sous charge de

pliage en trois points et enmesurant la dimension del'ouverture de la fissure. Cette mesure est faite à l'aided'une jauge (strain gauge) fixée àune pince qui est coincée entredeux lames positionnées de façonprécise au début de la fissure (fig. 2).Par un pliage continu, unedéformation va apparaître aufond de la fissure jusqu'à ce qu'unpoint critique soit atteint. C'est le cas quand la fissure est suffisamment ouverte pour faire apparaître une fissure declivage. Ceci mène à une rupturepartielle ou complète del'éprouvette. L'essai peut être réalisé àdifférentes températures. En règle générale, à latempérature de service minimale,une valeur CTOD entre 0,1 et0,2 mm est nécessaire pourdémontrer une ténacité suffisante. Les valeurs nécessaires pourpouvoir calculer la ténacité sont premièrement la charge à laquelle la fissure apparaît et deuxièmement la mesure de l'ouverture de la fissure (fig. 3).

GRAPHIQUE CHARGE-DEPLACEMENTComme la longueur de la fissureet l'ouverture sont connues, il suffit d'une simple sommegéométrique pour calculerl'ouverture en fond de fissure.Durant l'essai, la charge etl'ouverture sont automatiquementenregistrées sur un graphique. Un tel graphique est comparable à une courbe detraction. La figure 4 donne un schéma desdifférentes formes de courbesqu'on peut avoir.• La courbe (a) correspond à un

essai où l'éprouvette s'estcassée de façon fragile avecune faible ou pas dedéformation plastique.

• La courbe (b) a un "pop-in"; une fissure fragile s'est initiéemais s'est propagée sur unecourte distance; la fissure s'est arrêtée dans unmatériau plus dur. Ceci peutarriver plusieurs fois; la courbe se présente en dentsde scie. Ou après cette déformationpop-in, elle peut continuer àcroître d'une façon ductilecomme dans

• (c), où on a un comportement

MMT0123F34_OK.odt

ESSAI CTODCet article est consacré à un essai qui permet de mesurer, de manière quantitativeet précise, la résistance à la rupture: l'essai CTOD (Crack Tip OpeningDisplacement).

Par Gene Mathers

MESURER DE MANIERE QUANTITATIVE ETPRECISE LA RESISTANCE A LA RUPTURE

Figure 1: Eprouvette de pliage pour des mesures CTOD ayant une section rectangulaire proportionnelle

BIEN QUE L'ESSAICTOD AIT ETE MIS

AU POINT POURCARACTERISER LES

METAUX, CET ESSAIEST EGALEMENT

UTILISE POURDETERMINER LA

TENACITE DEMATERIAUX NON

METALLIQUES COMMELES MATIERESPLASTIQUESSOUDABLES

RECHERCHEcomplètement plastique.

CONTROLE DE LA SURFACEDE LA FISSUREL'emplacement de la fissure, dansla zone affectée thermiquementou dans le métal de base, estimportante car une fissure defatigue mal positionnée ne donnepas l'information sur le domainevoulu; on n'a pas de valeurvalable. Afin de s'assurer que la fissure setrouve bien dans la bonne zone,la surface est souvent polie et décapée et ensuite contrôlée au microscope avantque l'entaille ne soit ajoutée etque la fissure de fatigue soitintroduite. Ceci permet de positionner lafissure très précisément. Cet examen peut être refait après l'essai afin de confirmer la validité des résultatsde l'essai. Quand l'éprouvette secasse, la surface derupture est examinéeafin de s'assurer quela fissure de fatigue aun front de fissure desurface assez plat (fig. 5).

Front de fissureirrégulierLes tensions internes,présentes dans unesoudure, peuvent être la cause d'un front de fissureirrégulier. Si c'est le cas, l'essai peut êtreinvalidé.

EviterAfin d'éviter ce problème,l'éprouvette peut être empreintelocalement à hauteur de l'entailleafin de redistribuer les tensionsinternes.

On voit souvent deux empreintes de chaque côté del'éprouvette. Pour introduire une fissure de fatigue, on doit appliquer un faible intervalle de tensions. L'application de tensions élevéesafin d'accélérer la formationd'une fissure de fatigue peutdonner à la fissure de fatigue ungrand domaine déforméplastiquement, ce qui rend les résultats de l'essai nonvalables.

Constatation d'autres causesD'autres causes invalidant l'essai ne peuvent hélas êtreconstatées qu'après l'essai et le contrôle de la surface defissure. La longueur exacte de la fissurede fatigue est mesurée – c'estnécessaire pour l'analyse – mais

quand la longueurde la fissure netombe pas dans lesvaleurs posées parla spécification, l'essai n'est pasvalable.L'essai doit êtrerecommencé: • si la fissure de

fatigue ne setrouve pas dans unseul plan,

• si la fissure formeun angle avecl'entaille ou

• si la fissure ne se trouve pas dans le bon

domaine.

Cet article est une adaptation de'Job Knowledge for welders' de TWI Connect réalisée par Theo Luijendijk, rédactionLastechniek et traduite en français par Marie-Christine Ritzen(IBS).

NORMES PERTINENTES• BS 7448 Partie 1 - 4 Fracture

Toughness Tests• BS 6729 Determination of

the Dynamic Fracture Tough-ness of Metallic Materials

• BS 7910 Guide on Methodsfor Assessing the Acceptabilityof Flaws in Metallic Structures

• ASTM E1820 Standard TestMethod for Measurement ofFracture Toughness

• EN ISO 15653 Méthoded'essai pour la déterminationde la ténacité quasistatique àla rupture des soudures

Figure 2: Montage caractéristique de l'essai. L'éprouvette peut facilement êtreimmergée dans un bain à basse température

Figure 3: Position de l'éprouvette CTOD juste avant la propagation de la fissure.

Figure 5: Surface de rupture d'une éprouvette CTOD. L'entaille se trouve en-dessous.L'extrémité de la fissure de fatigue (partie plus claire) n'est pas droite mais quelque peucourbe

Figure 4: Charge lors du déplacement de l'ouverture de fissure. Trois typescaractéristiques du comportement de la fissure

AFIN D'EVITER UN FRONT DE

FISSURE IRREGULIER,L'EPROUVETTE

PEUT ETRE EMPREINTE

LOCALEMENT A HAUTEUR DE

L'ENTAILLE AFIN DE REDISTRIBUER

LES TENSIONSINTERNES