Essai mécanique

Les essais mécaniques sont des expériences dont l'objectif est de caractériser les lois de comportements des matériaux. La loi de comportement établit une relation entre les contraintes et les déformations.

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Mécanique des milieux continus - Essai mécanique

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Solliciter une éprouvette en traction uniaxiale jusqu'à rupture pour déterminer ses caractéristiques mécaniques. Détermination après essai :... (source : materiaux.ecam)
Centre Technique d'Essais Mécaniques et d'Expertise, Laboratoire Européen privé et ... Usinage et essais de traction sur éprouvette type 7601A et 7601B... (source : centech-sa)

Les essais mécaniques sont des expériences dont l'objectif 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 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 par conséquent normaliser les essais. Des normes définissent donc :

quelle est la forme de la pièce d'essai dont on teste le matériau, on parle alors d'éprouvette normalisée,
comment sont exercés les efforts sur l'éprouvette, on parle alors d'essai normalisé.

Traction uniaxiale

Principe

Exemples d'éprouvettes de traction en alliage d'aluminium

L'éprouvette est tenue en deux points (par une pince ou un crochet), reliés à des filins. L'éprouvette est alors étirée à vitesse constante, et on relève la force de traction indispensable selon l'allongement. Ces essais permettent de tracer une courbe dite de traction à partir de laquelle les caractéristiques suivantes peuvent être déduites :

la déformation élastique selon la force appliquée d'où on peut déduire, connaissant les dimensions de l'éprouvette, le module d'Young ;
la limite élastique fréquemment notée R_e, ou bien la limite d'élasticité à 0, 2% R_{e0, 2} ;
la déformation plastique ;
la résistance à la traction ou tension de rupture fréquemment notée R_m, qui est la contrainte maximale atteinte en cours d'essais.

Éprouvette. * Lo longueur d'origine * So section d'origine * Do diamètre d'origine Éprouvettes conventionnelles :
$Lo = 5,65\times\sqrt{So}$
avec (Do=20mm, Lo=100mm) ou (Do=10mm, Lo=50mm)

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
* Rm contrainte maximale avant rupture
* Re limite apparente d'élasticité
* e allongement relatif, habituellement noté $ε$

Essais conventionnel. Lorsqu'il n'est pas envisageable de déterminer la limite apparente d'élasticité on définit une limite conventionnelle Rp0, 2 correspondant à un allongement relatif e=0, 2%.

Caractéristiques nominales ou apparentes

Limite d'élasticité : $R_{e}=\frac{F_{e}}{S_0}$
Résistance à la traction : $R_{m}=\frac{F_{m}}{S_0}$
Allongement à la rupture : $A\% = 100 \cdot \frac{L_f -L_{o}}{L_o}$

Dans cette expression, $L o$ et $L f$ sont respectivement les longueurs initiales et finales après rupture.

Striction à la rupture : $Z\% =100 \cdot \frac{S_o-S_f}{S_o}$

Dans cette expression, $S o$ et $S f$ sont respectivement les sections initiales et finales après rupture.

Module de Young, représenté par la pente de la courbe dans sa partie linéaire : $E=\frac{d\sigma }{d\epsilon }$ .
Cœfficient de Poisson : $\nu = \frac{\left( d_{o}-d\right) / d_{o}}{\left( L-L_{o}\right) / L_{o}}$

où $d o$ et $d$ sont respectivement le diamètre d'origine et le diamètre sous charge, $L o$ et $L$ la longueur d'origine et la longueur sous charge. $ν$ est défini dans le domaine élastique.

Les valeurs ci-dessus sont dénommées apparentes ou conventionnelles (en anglais engineering strain et engineering stress), car elles se réfèrent à la section d'origine de l'éprouvette. Les valeurs dites vraies ou rationnelles (en anglais true strain et true stress), sont aussi calculées, basées sur les sections effectivement mesurées à l'allongement reconnu. À partir de ces valeurs réelles, une courbe de traction dite rationnelle est tracée. Cette courbe met en évidence le phénomène d'écrouissage.

Voir aussi : effet Portevin-Lechatelier, nuage de Cottrell.

Normes

Européennes (CEN)

EN 10002-1 : Matériaux métalliques - Essai de traction - partie 1 : méthode d'essai à température ambiante.
EN 10002-5 : Matériaux métalliques - Essai de traction - Partie 5 : méthode d'essai à température élevée.

Internationales (ISO)

ISO 6892 : Matériaux métalliques - Essai de traction à température ambiante.
ISO 10618 : Fibres de carbone - Détermination des propriétés en traction sur fils imprégnés de résine.
ISO 527-1 : Plastiques -- Détermination des propriétés en traction

Américaines (ASTM)

ASTM E8 : Standard test methods for tension testing of metallic materials. (il existe la norme ASTM E8M qui est la version métrique).
ASTM E21 : Standard methods for elevated temperature tension tests of metallic material.

Compression uniaxiale

Compression isostatique

Cisaillement

Par définition, un dispositif est soumis à cisaillement quand les contraintes prépondérantes sont dues à l'effort tranchant.

Résilience

Article détaillé : Résilience (physique) .

L'essai de résilience est un complément à l'essai de traction. Il s'agit de rompre en un seul coup une éprouvette entaillée pour mesurer l'énergie indispensable pour effectuer cette rupture. Cet essai est réalisé sur un mouton à pendule (exemple : Mouton Charpy).

Types d'essais

Essai de flexion par choc sur éprouvette entaillée Charpy
Essai de flexion par choc Izop

Norme

Américaine

ASTM E23 : Standard test methods for notched bar impact testing of metallic materials.

Européenne :

EN 10045-1 : Matériaux métalliques - Essai de flexion par choc sur éprouvette Charpy - Partie 1 : méthode d'essai.
EN 10045-2 : Matériaux métalliques - Essai de flexion par choc sur éprouvette Charpy - Partie 2 : vérification de la machine d'essai (mouton-pendule).

Dureté

Article détaillé : Dureté (matériau) .

Types d'essais

Minéraux :

Mohs

Métaux :

Dureté Vickers (HV), dureté Brinell (HB) et dureté Rockwell (HR)

Roches :

Shore

Voir aussi :
ductilité

Normes

Internationale (ISO) et européenne (CEN)

EN ISO 2039-2 : Plastiques - Détermination de la dureté - Partie 2 : dureté Rockwell.
EN ISO 6506-1 : Matériaux métalliques : essai de dureté Brinell - Partie 1 : méthode d'essai.
EN ISO 6507-1 : Matériaux métalliques - Essai de dureté Vickers - Partie 1 : méthode d'essai
EN ISO 6508-1 : Matériaux métalliques : essai de dureté Rockwell- Partie 1 : méthode d'essai (échelles A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T).

Américaine

ASTM E10 : Standard method for Brinell hardness of metallic materials.
ASTM E18 : Standard methods for rockwell hardness and rockwell superficial hardness of metallic materials.
ASTM E140 : Standard hardness conversion tables for metal.

Flexion

Article détaillé : Flexion (matériau) .

La résistance à la flexion d'un matériau, sous forme de poutre essentiellement, peut-être mesurée par une machine sous différents types de mises en charge. Les mesures des déformations et des contraintes sont réalisées à partir de jauges d'extensométrie et affichées sur un banc de mesure.

Torsion

Article détaillé : Torsion.

Fatigue

Article détaillé : Fatigue (matériau) .

L'essai de fatigue consiste à appliquer sur une pièce une charge variable alternée (moyenne des contraintes appliquées est nulle) ou répétée (moyenne des contraintes appliquées est non nulle). Il va essayer de reproduire au mieux les conditions d'exploitation de la pièce.

Les ruptures par fatigue sont associées principalement au nombre total d'applications d'une charge et non au temps de service ou à l'âge de la pièce. La rupture par fatigue ne donne aucun signe préalable avant de casser, c'est pourquoi elle peut fréquemment surprendre l'utilisateur.

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