L’essai de Flexion par choc

Historique:

L’essai de Flexion par choc est un essai simple à réaliser et peu couteux, il consiste à rompre une éprouvette préalablement entaillée sous l’action d’un choc avec une énergie connue et fixe.

L’objectif étant de mesurer l’énergie absorbée par l’éprouvette, ce qui caractérisera la ductilité du matériau (Verre: peu ductile en comparaison avec un acier inoxydable: très ductile).

Cet essai est très utilisé pour caractériser les aciers et les assemblages soudés dans divers secteurs d’activités (aéronautique, chaudronnerie, automobile, marine, construction métallique,..).

On retrouve l’origine de cet essai en 1824 et en 1892, Le CHATELIER introduit l’utilisation d’éprouvettes entaillées qui permet d’aborder les notions de comportement ductile et fragile dans les aciers qui n’étaient pas très propres  et d’obtenir des résultats quantitatifs.

En 1905, CHARPY conçoit une machine qui ressemble très fortement aux équipements d’aujourd’hui.

En 1914, on trouve 3 types d’essai (chute de masse: Drop weight, pendulaire: Pendulum Impact et roue en rotation: Flywheel).

La norme ASTM E23 voit le jour en 1933 et standardise la forme et les dimensions des éprouvettes, elle est révisée en 1964 suite à la parution en 1961 d’une note technique qui identifie les causes d’erreurs sur les résultats de cet essai.

  • Mauvaise installation de la machine (fondation trop légère et aucun amarrage)
  • Dimensions incorrectes des supports et du couteau
  • Friction excessive des parties mobiles
  • Perte de matière et des dimensions par usure et matage
  • Jeu insuffisant entre les extrémités de l’éprouvette et les supports latéraux
  • Éprouvettes d’essais mal usinées
  • Mode opératoire et refroidissement des éprouvettes inadaptés

Étude phénoménologique:

Cet essai contrairement à un essai de traction ne permet pas de connaitre le résultat par une relation mathématique, seul l’essai peut conduire au résultat.

L’énergie absorbée par l’éprouvette lors de la casse est donnée par la différence d’énergie potentielle Ep – Ep’ = mg (h – h’) avec m = masse du pendule (kg), g = accélération de la gravité (9,807 m.s-2) et h = hauteur du pendule en mètre.

Sachant qu’a l’impact, l’énergie potentielle est égale à l’énergie cinétique: Ec =½ mv2 avec m = masse du pendule et v = vitesse du pendule en m/s.

On peut donc écrire Ep = Ec et donc ½ mv2 =mgh et par conséquent: v2 =2gh.

Le pendule en bout de marteau à une vitesse d’environ 5 m/s, la hauteur h à l’origine est de 1,27 mètre et pour une énergie nominale de 300 joules, la masse du marteau est de 24 kg.

Pour une énergie de 450 joules sans modifier la masse du marteau, la hauteur devra être de 1,91 mètre environ et la vitesse au point d’impact sera de 6,1 m/s.

Éprouvettes:

Ce type de machine peut casser différentes éprouvettes, il s’agit d’éprouvettes de type ISO à entaille en V, en U, Mesnager eu DVM.

Les éprouvettes ont une longueur L = 55 mm, H = W = 10 mm.

L’entaille dépend du type d’éprouvette:

  • ISO ou ASTM type A avec entaille en V: profondeur = 2 mm, Angle = 45°, rayon à fond d’entaille = 0,25 mm.
  • ISO ou ASTM type C avec entaille en U: profondeur = 5 mm, rayon à fond d’entaille = 1 mm.
  • MESNAGER avec entaille en U: profondeur = 2 mm, rayon à fond d’entaille = 1 mm.
  • DVM avec entaille en U: profondeur = 3 mm, rayon à fond d’entaille = 1 mm.

L’utilisation d’éprouvettes dites « réduites » est possible si le produit ne permet pas d’usiner des éprouvettes standards: la largeur W sera ramenée à 7,5 mm, 5 mm ou 2,5 mm.

Essai:

L’éprouvette est posée sur un support dont la distance entre las faces d’appui est de 40 mm, la face de frappe par le marteau se fait toujours sur la face opposée à l’entaille.

L’éprouvette ISO à entaille en V est de loin la plus utilisée, elle à l’avantage de ne pratiquement pas présenter de phénomène de bimodalité de la rupture que l’on observe avec les éprouvettes ayant un rayon de fond d’entaille de 1 mm (certaines éprouvettes cassent en absorbant une énergie très faible, et d’autres ne cassent pas mais se déforment, passent entre les appuis et encaissent une énergie considérable, il parait parfaitement légitime de penser que le phénomène de choc est double, suivant que l’éprouvette casse ou résiste).

Cet essai est généralement réalisé à température ambiante mais est souvent pratiqué à basse température: 0°C, -20 °C (Alcool), jusqu’à -155°C (Fréon), jusqu’à -195°C dans l’Azote liquide et à -269°C dans l’hélium liquide.

Le résultat est fortement dépendant du temps de transfert de l’éprouvette sur les supports et de la durée de l’essai (ne pas dépasser 5 secondes pour éviter le réchauffement de l’éprouvette).

Il n’est pas conseillé de dépasser 80 % de l’énergie nominale du pendule soit respectivement (240 et 360 Joules pour 300 et 450 Joules).

Expression des résultats:

le terme « Résilience » qui n’est plus employé aujourd’hui désigne l’énergie de rupture ramenée ou non à la section sous entaille de l’éprouvette, elle s’exprime en Joules/cm2 ou en Joules.

Les notations sont:

  • KCV: Résilience sur éprouvette ISO à entaille en V (Joules/cm2) – Plus utilisé
  • KV2: Énergie absorbée par flexion par choc sur éprouvette ISO à entaille en V et couteau de 2 mm (Joules)
  • KV8: Énergie absorbée par flexion par choc sur éprouvette ISO à entaille en V et couteau de 8 mm (Joules)
  • KCU: Résilience sur éprouvette ISO à entaille en U (Joules/cm2) – Plus utilisé
  • KU2: Énergie absorbée par flexion par choc sur éprouvette ISO à entaille en U et couteau de 2 mm (Joules)
  • KU8: Énergie absorbée par flexion par choc sur éprouvette ISO à entaille en U et couteau de 8 mm (Joules)

Courbe de transition vitreuse:

Certains matériaux perdent rapidement leur ductilité en deçà d’une certaine température et deviennent très cassant (Rupture et naufrage du Vraquier «FLARE» dans le Détroit de Cabot le 16 janvier 1998).

On casse des éprouvettes à différentes températures depuis l’ambiante jusqu’à – 150°C par exemple, on détermine une courbe en établissant la relation Energie = f(T°C).

On distingue 3 zones distinctes:

  • Zone 1: rupture ductile à forte énergie absorbée
  • Zone 2: rupture ductile fragile qu’il faudra éviter lors de l’utilisation du matériau
  • Zone 3: rupture fragile à faible énergie absorbée

Si l’on observe les faciès de rupture des éprouvettes pour les différentes température d’essai, on constate qu’il change:

  • Faciès de rupture à nerfs/fibreux (striction avant rupture) = ductilité
  • Faciès de rupture à grains (absence de déformation plastique) = fragilité

Taux de cristallinité:

Il s’agit de définir à partir du faciès de rupture le taux de cristallinité qui est représenté par le ratio en % de la surface à grain sur la surface totale du faciès soit 80 mm2 pour une entaille en V.

Expansion latérale:

Il s’agit de déterminer la déformation latérale maximale sur l’éprouvette en mm, cette dernière témoigne également de la ductilité du matériau.

Essais instrumentés:

Les machines équipées de capteurs permettent de déterminer une courbe d’effort en fonction du temps.

La puissance mécanique du mouton est donnée par la relation:

La puissance corrigée en tenant compte de la vitesse V après impact est donnée par la relation:

D’après la seconde loi de Newton, on sait que la ∑F = mV et donc:

En combinant les deux relations, on obtient:

avec m = masse du pendule

En utilisant la relation de l’énergie cinétique, on obtient:

avec Ec = Énergie corrigée

Ea = Énergie calculée à partir de l’aire sous la courbe effort/temps

E0 = Energie initiale du mouton