Essais Mecaniques

Essais mécaniques Les essais mécaniques sont des expériences dont le but est de caractériser les lois de comportements des matériaux (mécanique des milieux continus). La loi de comportement établit une relation entre les contraintes (pression=force/surface) et les déformations (allongement unitaire sans dimensions). Il est à noter qu'il ne faut pas confondre une déformation avec un déplacement ou une dilatation. Cependant, la déformation d'une pièce dépend de la forme de la pièce et de la manière dont sont exercés les efforts extérieurs sur cette pièce. Il faut donc normaliser les essais. Des normes définissent donc : la forme de la pièce dont est fait le matériau ; on parle d'éprouvette normalisée ; Comment sont exercés les efforts sur l'éprouvette ; on parle d'essai normalisé.

Traction uniaxiale L'éprouvette est tenue en deux points (par une pince ou un crochet). Une force de traction est appliquée à vitesse constante. Ces essais permettent de tracer une courbe dite de traction à partir de laquelle les caractéristiques suivantes peuvent être déduites : Lo longueur initiale So section initiale • la déformation élastique en fonction de la Do diamètre initial force appliquée d'où on peut déduire, Eprouvettes connaissant les dimensions de conventionnelles: l'éprouvette, le module d'Young ; • la limite élastique souvent notée Re, ou bien la limite d'élasticité à 0,2% Re0,2 ; avec (Do=20mm, • la déformation plastique ; Lo=100mm) ou • la résistance à la traction ou tension de (Do=10mm, Lo=50mm) rupture souvent notée Rr,

Selon le matériau, la température et la vitesse de déformation, la courbe peut avoir différentes formes.

Courbe de traction d'un matériau ductile présentant un décrochement R contrainte = F Force / S Surface Rr contrainte maximale avant rupture Re limite apparente d'élasticité ε allongement relatif

Quand il n'est pas possible de déterminer la limite apparente d'élasticité on définit une limite conventionnelle Rp0,2 correspondant à un allongement relatif ε=0,2%.

Caractéristiques nominales ou apparentes Limite d'élasticité :

Résistance à la traction :

Allongement à la rupture :

Dans cette expression, Lo et Lf sont respectivement les longueurs initiales et finales après rupture. Striction à la rupture :

Dans cette expression, So et Sf sont respectivement les sections initiales et finales après rupture. Module de Young, représenté par la pente de la courbe dans sa partie linéaire : . Coefficient de Poisson :

où do et d sont respectivement le diamètre initial et le diamètre sous charge, Lo et L la longeur initiale et la longeur sous charge. ν est défini dans le domaine élastique. Les valeurs ci-dessus sont dénommées apparentes, car elles se réfèrent à la section initiale de l'éprouvette. Les valeurs dites vraies, sont également calculées, basées sur les sections effectivement mesurées à l'allongement considéré. À partir de ces valeurs réelles, une courbe de traction dite rationnelle est tracée. Cette courbe met en évidence le phénomène d'écrouissage.

Essai de flexion par choc sur éprouvette entaillée Charpy L'essai de flexion par choc sur éprouvette entaillée Charpy a pour but de mesurer la résistance d'un matériau à la rupture brutale. Il est fréquemment appelé essai de résilience Charpy ou même essai Charpy. Il porte le nom de l'ingénieur français Georges Charpy (1865-1945) qui en fut un des principaux théoriciens et promoteurs. Il mit en particulier au point la machine qui permet de réaliser l'essai et qui est appelée Mouton Charpy.

Principe de l'essai L'essai est destiné à mesurer l'énergie nécessaire pour rompre en une seule fois une éprouvette préalablement entaillée. On utilise un moutonpendule munit à son extrémité d'un couteau qui permet de développer une énergie donnée au moment du choc. Cette énergie est classiquement dans le cas de la norme européenne de 300 joule.

Mouton-pendule et des hauteur à prendre en compte pour le calcul de l'énergie absorbée. Erreur !

Forme des éprouvettes L'énergie absorbée est obtenu en comparant la différence d'énergie potentielle entre le départ du pendule et la fin de l'essai. La machine est muni d'index permettant de connaître la hauteur du pendule au départ ainsi que la position la plus haute que la pendule atteindra après la rupture de l'éprouvette. L'énergie obtenue (en négligeant les frottements) est égale à :

W = m . g . h – m . g . h’ m : masse du mouton-pendule g : accélaration de la pesanteur (environ 9.81 m.s-2 h : hauteur du mouton-pendule à sa position de départ h' : hauteur du mouton-pendule à sa position d'arrivée

Dureté (matériau) À la différence des minéraux dont la dureté est historiquement caractérisée par rayage (cf. Échelle de Mohs), on utilise généralement des essais de rebondissement ou de pénétration pour caractériser la dureté des métaux. Ces essais ont l'avantage d'être plus simples à réaliser et de donner des résultats reproductibles.

Mesure de dureté par rebondissement : essai Shore On laisse chuter bien verticalement d'une hauteur fixe une petite masse d'acier terminée par un diamant arrondi. La masse est guidée dans sa chute par un tube lisse. La dureté est évaluée ensuite d'après la hauteur du rebond. De manière simplifiée, cet essai mesure l'énergie de déformation plastique : si le choc est parfaitement élastique (pas de déformation plastique, pièce à tester très dure), la pointe rebondit théoriquement jusqu'à sa hauteur de lâcher (en négligeant les frottements) ; on peut relier la différence de hauteur h à l'énergie cinétique ∆Ec absorbée lors du choc : où m est la masse lâchée et g est l'accélération de la gravité. Dans le cas d'un objet extrêmement mou, la pointe s'enfonce et ne rebondit pas. Les appareils sont en principe étalonnés pour obtenir une dureté de 100 pour un acier trempé à 0,9 % de carbone et d'environ 35 pour les aciers doux. Notons cependant que les résultats de l'essai Shore dépendent beaucoup de l'état de la surface de la pièce testée. L'appareil doit être tenu de manière bien verticale pour éviter d'avoir des frottements qui fausseraient la mesure. La masse de la pièce à mesurer doit être beaucoup plus importante que la masse de la masse utilisée dans l'appareil de mesure.

Dureté Brinell (symbole HB) : Elle est obtenue par calcul. Après essai, on mesure l'empreinte laissée par une bille polie (diamètre :1-2,55-10 mm) et la valeur de la charge F appliquée pour obtenir cette empreinte (essai usuel : F = 3 000 daN, d --10 mm, pendant 15 à 60 secondes). Utilisation : tous métaux.

Dureté Vickers (symboleHV) : Elle est obtenue par calcul ; le principe est identique au précédent mais avec une pyramide droite en diamant à base carrée dont l'angle au sommet est de 136°. Utilisation: tous métaux. Variante : essai Knoop (microdureté, empreinte en forme de losange, matériaux durs pour petites pièces et fines sections).

Dureté Rockwell (symbole HR) C'est l'essai de dureté le plus connu mondialement. Dans ce cas, la dureté, contrairement à Brinell et Vickers, est obtenue par lecture directe d'une longueur d'enfoncement d'un pénétrateur, bille acier ou cône diamant. Une précharge (Fo) permet de faire une empreinte initiale et, par là, d'éliminer les incertitudes propres aux défauts de la surface. Échelles de mesure : HRC (pour ferreux), HRD et HRA avec cônes (pour matériaux durs et très durs : carbures, aciers trempés...) ; HRB (non ferreux et métaux en feuilles) ; HRE, HRF, HRG (pour métaux doux) ; HRM et HRR avec billes (pour matières plastiques).

Photoélasticité La photoélasticité permet une étude détaillée des régions chargées. On y observe les zones d’isocontraintes ainsi que leur progression. Cette méthode est très efficace pour l’étude des concentrations de contraintes comme : les trous, les encoches, les épaulements… Pour modéliser l’objet de l’étude, on utilise une matière plastique transparente. Un système optique spécial (polariscope) permet d’observer les variations de contraintes avec les modifications de couleurs de la pièce. Ci-contre, un exemple d’une visualisation des contraintes au niveau du contact entre deux dents d’un engrenage : les zones très colorées subissent les contraintes les plus élevées.

Principe de fonctionnement du polariscope

3. Extensométrie électrique C'est la méthode expérimentale la plus usuelle pour vérifier les résultats théoriques (calculs de contraintes, de déformations...). Les jauges sont collées sur la surface à étudier et mesurent les déformations en un point donné. La déformation subie est transformée en variation de résistance électrique mesurée par un pont d'extensométrie : c'est le principe du pont de Wheatstone. Les contraintes sont ensuite obtenues par calcul à partir des lois de la résistance des matériaux ou élasticité. Jauges de contraintes : sous l'effet d'un allongement la section du brin (fil) de la jauge diminue, il en résulte une variation de la résistance électrique du fil. Dans certains capteurs (forces, pressions, couples, déplacements...) on utilise généralement quatre jauges judicieusement disposées. Une jauge peut servir très longtemps, cependant il n'est pas possible de la décoller sans la détruire. Elles sont souvent fabriquées de la même manière que les circuits imprimés et sont disponibles dans plusieurs formes et dans de nombreuses dimensions (0,1 mm à 10 cm et plus).