Caractérisation mécanique

1. Caractérisation mécanique • Caractéristiques mécaniques des matériaux doivent être définissables sans ambiguïté en fonction des qualités ou des capacités attendues • Pas indépendantes des conditions de mesure Présentation des grandeurs mesurables Essais permettant de les obtenir

2. 1 Propriétés mécaniques des matériaux • 1.1 Qualités mécaniques attendues • Rigidité : déformation réversible faible par rapport au chargement • appliqué (≠ souplesse) • Résistance aux efforts : • (a) rupture : aptitude à ne pas se rompre sous l'effet d'un chargement • (b) plastification : aptitude à ne pas se déformer de manière irréversible sous l'effet d'un chargement • Ductilité : capacité à se déformer avant de rompre • Résilience : capacité à emmagasiner de l'énergie au cours d'une déformation élastique

3. Ténacité : capacité à absorber de l'énergie au cours d'une évolution • irréversible (plastification, rupture) • Résistance à la fatigue : capacité à supporter des sollicitations mécaniques cycliques plus ou moins régulières, alternées, répétées… • Résistance aux chocs : capacité à absorber de l'énergie lors d'une rupture par choc • Dureté : résistance à l'enfoncement d'un pénétrateur (liée à la résistance à la plastification) • Résistance au fluage : aptitude à durer sous l'effet d'une charge imposée à température élevée

4. Résistance à la propagation de fissures : sensibilité à l'effet d'entaille • Amortissement : incapacité à restituer au cours de la relaxation des sollicitations qui lui sont appliquées toute l'énergie emmagasinée lors de la mise en charge • Résistance à l'usure : résistance à l'enlèvement de matière par frottement (couple de matériaux) • Corrosion sous contrainte : couplage de deux sollicitations (chimique et mécanique)

5. 1.2 Caractéristiques mécaniques des matériaux • Modules d'élasticité Module de Young E Pente de la courbe contrainte - déformation dans le domaine élastique en traction pure ou en flexion (unité : Pa) Module de Coulomb G Pente de la courbe cisaillement - glissement dans le domaine élastique en torsion pure (unité : Pa) e g E G t s

6. Fmax Fe sR= se= S0 S0 • Résistance à la rupture • Charge maximale applicable à une section d'éprouvette sollicitée en traction pure sans rupture(unité : Pa) • Limite d'élasticité • Charge maximale applicable à une section d'éprouvette sollicitée en traction pure sans entraîner de déformation plastique (unité : Pa)

7. Dl DS A%= S%= MPa m S0 l0 • Allongement et striction • - Allongement relatif de l'éprouvette de longueur initiale l0 après rupture • - Striction : variation relative de la section après rupture • Ténacité • - Résistance à la rupture d'un matériau en présence d'une fissure (ou résistance à la propagation de fissure) • - K1C facteur d'intensité de contrainte critique (unité : )

8. - Amplitude des contraintes à la pointe de la fissure - I indique le mode de sollicitation tendant à ouvrir l'entaille Mode I (ouverture) Mode II (glissement droit) Mode III (glissement vis)

9. s log(N) 103 104 105 106 107 • Résistance aux chocs ou résilience • - Energie absorbée lors de la rupture par choc en traction ou en flexion • (unité : J/cm2) • - Dépend des conditions de choc (plusieurs types d'essais) • - KCV, KV, KCU • Limite d'endurance conventionnelle • - Contrainte maximale pour laquelle le matériau peut endurer une infinité de cycles sans rompre (unité : Pa)

10. Résistance au fluage • - Contrainte qui à une température donnée entraîne une vitesse de déformation de 0,001% par heure • - Contrainte s1000 , s10000 …entraînant à une température donnée la rupture après une durée de 1000h, 10000h… • Dureté • - Plusieurs échelles de dureté : Vickers, Rockwell, Brinell… • - Force appliquée sur le pénétrateur / surface de l'empreinte • - Profondeur de pénétration de l'indenteur • - Considérée comme une grandeur repérable (sans unité)

11. K1C K1SCC log(t) • Seuil de non propagation en corrosion sous contrainte • - K1SCC = limite inférieure de K1C obtenue en milieu corrosif • - Valeur maximale de K1C pour laquelle une fissure ne se propage pas quel que soit le temps de maintien en milieu corrosif • Capacité d'amortissement • - Frottement interne au matériau • - énergie dissipée par le matériau au cours de sollicitations cycliques

12. Pt f = Pn • Coefficient de frottement et vitesse d'usure • - Caractérisation de deux matériaux et de l'environnement (air, graisse…) • - Coefficient de frottement f Pn Pt Pt Pn - vitesse d'usure proportionnelle à (1) action normale de contact Pn (2) probabilité de détacher un fragment de matériau par usure (3) inverse de la dureté du matériau - Quantité de matière enlevée par unité de distance de frottement

13. 2 Essais mécaniques Objectif : définir les principaux essais mécaniques - définition du principe - description des appareillages - analyse des résultats, critique - paramètres à prendre en compte

14. 2.1 Essai de traction • Principe de l'essai • - Appliquer un effort de tension croissant suivant l'axe de l'éprouvette • - Choix d'imposer un effort ou une déformation avec une vitesse constante • Eprouvettes • - Forme déterminée par le système de fixation • - Contrainte et déformation uniformes sur une longueur significative • - Pas de rupture dans les zones d'application des efforts l0

15. Dispositif • - Alignement de l'éprouvette avec l'axe de traction • - Capteurs d'efforts dynamométriques ou à jauges • - Allongements : déplacement des mors, extensomètre ou jauges Traverse supérieure mobile Capteur de force Mors de serrage Eprouvette

16. F B A Dl O s vraie conventionnelle e O • Résultat : courbe de traction • - Courbe représentant l'effort F exercé en fonction de l'allongement Dl ou de la déformation e • - Courbe contrainte – déformation OA : élastique linéaire (réversible) AB : plastique (irréversible, non linéaire) Déformation vraie : eréelle = ln (1+e) Contrainte vraie : sréelle = s (1+e)

17. DS kl0 E = S%= S0 S0 • Caractéristiques mécaniques conventionnelles obtenues • - limite d'élasticité : généralement la limite conventionnelle à 0,2 ou 0,02 % • - résistance à la traction • - allongement à la rupture • - coefficient de striction • - module d'Young • - coefficient de Poisson • Paramètres influençant les résultats • température, raideur de la machine, vitesse de déformation

18. kl0 G = IX Mtx t = r IX • 2.2 Essai de torsion • Principe de l'essai • - Appliquer un moment de torsion et mesurer l'angle de rotation d'une extrémité à l'autre de la barre • Intérêt de l'essai • - Sollicitation non uniforme sur la section • - Permet obtenir le module de Coulomb (cisaillement)

19. 2.3 Essais de dureté • Principe de l'essai • - Plusieurs types : Indentation, rayure, rebondissement… • - Pénétrateur enfoncé dans le matériau sous l'effet d'une force constante • - Mesure de la taille de l'empreinte ou de sa profondeur • - Peu destructifs  employés dans l'industrie • - Liée à la limite d'élasticité et résistance en traction • Essai Meyer – Essai Brinell • - Pénétrateur : bille polie (acier trempé ou carbure de tungstène) • - Mesure du diamètre de l'empreinte

20. 2×0,102 F sin (68°) HV = d2 pD (D - D2-d2 ) • - Expressions de la dureté : • Essai Vickers • - Même principe que Brinell et Meyer avec pénétrateur pyramidal (136°) • - Nécessite un très bon état de surface 2F 4F HB = HM = pd2 (surface apparente) (surface calotte sphérique)

21. F0 F0 + F1 F0 e HRB (ou F) = 130 - 0,002 e = a-c e a c HRC = 100 - b 0,002 • Essai Rockwell • - Mesure de l'enfoncement rémanent du pénétrateur après une surcharge • (profondeur de l'empreinte) • - Plusieurs types de pénétrateur : cône diamant ou bille d'acier

22. 2.4 Essais de choc • Principe de l'essai • - Rompre par un choc une éprouvette entaillée • - Mesure de l'énergie nécessaire à cette rupture / section • au droit de l'entaille Charpy Izod Energie mesurée relative au type d'essai employé

23. Dispositif expérimental • - Dispositif classique : mouton pendule • - Mesure de la différence entre l'angle au départ et à l'arrivée Cadran Position de départ Percuteur Éprouvette appuis

24. Caractéristiques obtenues • - Estimation de la résistance aux chocs : énergie / unité de surface • - Observation des faciès de rupture → comportement du matériau • - Paramètre important : température • → Observation de la transition fragile / ductile Entaille Entaille Rupture fragile Rupture ductile KV Fragile Ductile Température

25. 2.4 Essais de fatigue • Principe de l'essai • - Solliciter un échantillon avec des cycles d'efforts répétés • - Application à la traction, compression, torsion, flexion, fissuration • - Pas de forme générale d'éprouvette étant donné la variété d'essais s s s t t t Contraintes alternées Contraintes répétées Contraintes ondulées

26. s log(N) 103 104 105 106 107 • Caractéristiques obtenues • - Diagramme de Wöhler - Limite d'endurance : plus grande contrainte pour laquelle la durée de vie est infinie - Aspect statistique : pour N donné, valeur de s correspondant à une probabilité de survie (ou de rupture) de 0,5 - Influence de la fréquence, et de l'environnement

27. 2.5 Essais de ténacité - Essais sur éprouvettes entaillées pour déterminer K1C - 2 géométries : traction compacte (CT) ou flexion - B : épaisseur, W : largeur, Y : fonction de la longueur d'entaille

28. 2.5 Essais de fluage • Principe de l'essai • - Fluage : déformation plastique évoluant avec le temps, dans un matériau soumis à une contrainte constante (rupture possible) • - Application d'un effort constant, mesure de l'allongement • Machines et éprouvettes • - Essais à haute température → sélection des appareils de mesure

29. e Rupture Fluage primaire Fluage tertiaire Fluage secondaire temps tR s s t t e e e0 e0 t t Courbes théoriques Courbes réelles Mise en charge

30. e s Temps Temps • Caractéristiques obtenues • - Durée de vie pour une contrainte donnée, ou contrainte pour une durée de vie de 1000 h, 10000 h… • - Loi de comportement • Exemple : Loi Puissance • Essai de relaxation • - Souvent associé au fluage • - Déformation constante imposée, mesure de la contrainte (fonction du temps)

31. Conclusions • Grande variété de propriétés → nombreux essais possibles • Difficulté de mettre en pratique les conditions théoriques • Nécessité des normes d'essais • Importance des paramètres extérieurs