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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

Caractérisation mécanique Caractéristiques mécaniques des matériaux doivent être définissables sans ambiguïté en fonction des qualités ou des capacités

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Page 1: Caractérisation mécanique Caractéristiques mécaniques des matériaux doivent être définissables sans ambiguïté en fonction des qualités ou des capacités

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

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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

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• 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

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• 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)

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1.2 Caractéristiques mécaniques des matériaux

• Modules d'élasticité

EG

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)

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• 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)

R=Fmax

S0

e=Fe

S0

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• Allongement et striction

- Allongement relatif de l'éprouvette de longueur initiale 0 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 : )

A%=

0

%=S

S0

mMPa

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- 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)

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• 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)

log(N)107106105104103

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• Résistance au fluage

- Contrainte qui à une température donnée entraîne une vitesse de

déformation de 0,001% par heure

- Contrainte 1000 , 10000 … 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)

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• 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

K1C

log(t)

K1SCC

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• Coefficient de frottement et vitesse d'usure

- Caractérisation de deux matériaux et de l'environnement (air, graisse…)

- Coefficient de frottement f

f =Pt

Pn

Pn

Pn

Pt

Pt

- 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

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2 Essais mécaniques

Objectif : définir les principaux essais mécaniques

- définition du principe

- description des appareillages

- analyse des résultats, critique

- paramètres à prendre en compte

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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

0

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• 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

EprouvetteMors de serrage

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• Résultat : courbe de traction

- Courbe représentant l'effort F exercé en fonction de l'allongement

ou de la déformation

- Courbe contrainte – déformation

F

O

AB

OA : élastique linéaire (réversible)

AB : plastique (irréversible, non linéaire)

Déformation vraie : réelle = ln (1+)

Contrainte vraie : réelle = (1+)

O

vraie

conventionnelle

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• 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

E =k0

S0

%=S

S0

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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)

=Mtx

IX

r

G =k0

IX

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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

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- Expressions de la dureté :

• Essai Vickers

- Même principe que Brinell et Meyer avec pénétrateur pyramidal (136°)

- Nécessite un très bon état de surface

HV =2×0,102 F sin (68°)

d2

HM =d2

4FHB =

2F

D (D - D2-d2 )

(surface apparente) (surface calotte sphérique)

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ab c

e = a-c

F0 F0 + F1 F0

HRC = 100 -e

0,002HRB (ou F) = 130 -

e

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

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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

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• Dispositif expérimental

- Dispositif classique : mouton pendule

- Mesure de la différence entre l'angle au départ et à l'arrivée

Position de départ

Percuteur

Éprouvette

Cadran

appuis

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• 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

Température

Fragile Ductile

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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

Contraintes alternées Contraintes répétées Contraintes ondulées

t

tt

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• Caractéristiques obtenues

- Diagramme de Wöhler

log(N)107106105104103

- Limite d'endurance : plus grande contrainte pour laquelle la durée de vie

est infinie

- Aspect statistique : pour N donné, valeur de correspondant à une

probabilité de survie (ou de rupture) de 0,5

- Influence de la fréquence, et de l'environnement

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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

2/1BW

PYK

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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

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t

0

t

t

0

t

Mise en charge

Courbes réellesCourbes théoriques

temps

Fluage primaire

Fluage secondaireFluage tertiaire

tR

Rupture

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• 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)

T

CCC

0

3

21 etσCε

Temps

Temps

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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