Introduction
En ingénierie, les matériaux sont exposés à différents types de charges. Les charges auxquelles les matériaux peuvent être soumis sont les suivantes : traction, compression, flexion, cisaillement ou torsion. Dans le même temps, ces charges peuvent varier de manière statique ou dynamique. Le matériau peut devoir résister à une ou plusieurs de ces charges en même temps. Dans ce cas, il est nécessaire de savoir quel matériau utiliser dans quelles conditions. Pour regrouper les matériaux, leurs réactions sous certaines charges sont observées à l'aide d'essais, et les propriétés mécaniques des matériaux sont ainsi révélées.
Les essais permettant d'obtenir les propriétés d'élasticité peuvent être classés en deux catégories : statiques et dynamiques. Pour qu'un essai soit statique, la force doit être appliquée à une fréquence maximale de 1 Hz, à un moment constant et unique. Dans ce cas, la contrainte est constante et le rapport d'allongement est inférieur à 0,25 dans l'essai statique. Les essais dynamiques sont utilisés pour ces types de charges, car les essais statiques ne peuvent pas constituer un modèle adéquat pour les charges qui changent soudainement. Dans les essais dynamiques, la charge est variable et une déformation sinusoïdale est appliquée à l'échantillon. Ces essais peuvent également être réalisés à des températures élevées ou basses. Les essais dynamiques permettent d'obtenir des informations sur la dureté et l'amortissement. Les essais de fatigue peuvent être considérés comme une sous-branche des essais dynamiques. La charge est appliquée de manière cyclique. Ces essais sont réalisés avec des cycles de traction-tirage, de compression-compression ou de compression-traction inverse. L'essai de fatigue permet de déterminer la durée de vie des matériaux. La résistance à la fatigue et la résistance à la fissuration sont également déterminées par l'essai de fatigue.
Essai de traction
L'essai de traction est l'un des essais les plus courants en ingénierie pour déterminer les propriétés de résistance des matériaux. Il permet de déterminer les propriétés mécaniques des matériaux isotropes. Cet essai repose essentiellement sur l'application d'une force de traction sur l'échantillon à partir de faces opposées dans la même direction, et sur le contrôle de la contrainte exercée sur le matériau jusqu'à ce que celui-ci se rompe. L'essai de traction permet d'obtenir la limite d'élasticité, la résistance maximale à la traction, la ductilité, le module d'Young, le module de cisaillement et le coefficient de Poisson du matériau.
Courbes de contrainte - déformation
Courbes de contrainte et de déformation
La contrainte de traction nominale appliquée au matériau pendant l'essai est la suivante :
Où F est la force de traction et A_0 est la surface de la section transversale sous tension. La déformation est définie comme suit;
Où L_0 est la longueur initiale de l'échantillon et Δ_L est l'allongement du matériau après l'essai.
Les valeurs dérivées de l'essai permettent d'obtenir la courbe contrainte-déformation. Cette courbe révèle le point de rupture du matériau, sa limite d'élasticité, sa résistance maximale à la traction et son état de fragilité et de ductilité. Un autre avantage est qu'elle fournit des informations quelles que soient les dimensions du matériau.
Le diagramme ci-dessus montre la courbe contrainte-déformation d'un matériau fragile.
Pour la plupart des courbes, la partie initiale est linéaire. La valeur de la limite d'élasticité est obtenue sur la courbe lorsqu'une courbe parallèle à la pente de la courbe est tracée à partir du point où l'allongement de la courbe contrainte-déformation est de 0,2%. La limite d'élasticité permet de déterminer la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter sans subir de dommages permanents. Jusqu'à cette limite, l'objet se trouve dans la zone élastique. Ensuite, le matériau entre dans la zone plastique, où les forces exercées sur lui provoquent des dommages permanents.
Limite d'élasticité
La pente de la ligne imaginaire que nous avons tracée pour trouver la limite d'élasticité nous donne le module d'Young, qui est une propriété importante du matériau. Le module d'Young est obtenu par :
L'équation suivante représente le coefficient de Poisson, qui est la valeur négative du rapport entre le déplacement horizontal et le déplacement vertical :
Test
La plupart des coupes transversales des échantillons utilisés dans l'essai de traction sont illustrées dans la figure. Les échantillons peuvent se présenter sous la forme d'une feuille ou d'un cylindre.
Différents types de fixation peuvent être utilisés en fonction des matériaux et des niveaux de sensibilité des mesures. Chaque méthode de fixation présente des avantages et des inconvénients qui lui sont propres.
Test de compression
L'essai de compression démontre comment les matériaux se comportent lorsqu'ils sont comprimés ou écrasés. L'essai dure généralement jusqu'à ce que la substance se décompose ou jusqu'à une limite prédéterminée. La charge que le matériau peut supporter avant de se déchirer et l'étendue de sa dégradation jusqu'à ce point sont ainsi calculées. Pour tester un matériau, celui-ci est souvent chauffé ou refroidi et soumis à de nombreuses directions de force de compression. Toutefois, les tests peuvent être effectués dans des conditions variées.
Les matériaux présentant une résistance élevée à la traction ont généralement une faible résistance à la compression. C'est pourquoi ces matériaux sont soumis à des essais de compression. Les matériaux sur lesquels sont effectués le plus grand nombre d'essais de compression sont généralement des matériaux fragiles, par exemple les composites, le béton, le bois, le métal et les briques ; les polymères, les plastiques et les mousses.
Une courbe force-déformation est obtenue à la suite de l'essai de compression. La force est ensuite convertie en contrainte pour créer une courbe contrainte-déformation. Cette courbe est très similaire à la courbe contrainte-déformation de l'essai de traction. Seuls les axes sont orientés dans le sens du raccourcissement.
Contrainte de compression - % Déformation en compression
Les calculs effectués pour l'essai de traction sont également valables pour l'essai de compression. La force de compression est exprimée comme suit ;
Broyage
L'écrasement est utilisé pour exprimer à quel point le matériau a été raccourci pendant l'essai.
Exprimer l'écrasement.
Gonflement
Le gonflement est l'augmentation de la section transversale du matériau testé. Les matériaux ductiles sont plus enclins au gonflement. Il est formalisé par :
Test
Les matériaux fragiles font généralement l'objet d'essais de compression. Les caractéristiques de compression des mousses rigides sont fournies par la norme ISO 844 à titre d'exemple. Les valeurs et formes de la section transversale, les valeurs de température et d'humidité et les résultats attendus des échantillons sont indiqués dans cette norme. Les contraintes sont exprimées en kPa.
La valeur de l'élasticité à la compression dans la norme est la suivante :
Ici, σ_e, est la force à la fin de la région élastique conventionnelle, h_0 est l'épaisseur initiale du matériau, et x_e est la trajectoire prise par la force générant la contrainte.
Voici quelques-unes des normes élaborées pour les essais de compression :
ASTM D575-91 - Méthodes de test standard pour les propriétés du caoutchouc en compression
ASTM E9-19 - Méthodes standard de test de compression des matériaux métalliques à température ambiante
TS EN ISO 14126 - Composites plastiques renforcés par des fibres - Détermination des propriétés de compression dans le sens du plan
Description de la technique
L'évaluation du comportement mécanique d'un échantillon dans des conditions de traction et de compression peut être effectuée pour fournir des données de base sur les propriétés des matériaux qui sont essentielles pour la conception des composants et l'évaluation des performances de service. Les exigences relatives aux valeurs de résistance à la traction et à la compression et les méthodes d'essai de ces propriétés sont spécifiées dans diverses normes pour une grande variété de matériaux. Les essais peuvent être réalisés sur des échantillons de matériaux usinés ou sur des modèles grandeur nature ou à l'échelle de composants réels. Ces essais sont généralement réalisés à l'aide d'un instrument d'essai mécanique universel.
Un essai de traction est une méthode permettant de déterminer le comportement des matériaux soumis à une charge de traction axiale. Les essais sont réalisés en fixant l'échantillon dans l'appareil d'essai, puis en appliquant une force à l'échantillon en séparant les têtes de la machine d'essai. La vitesse de la traverse peut être modifiée pour contrôler le taux de déformation de l'échantillon. Les données de l'essai sont utilisées pour déterminer la résistance à la traction, la limite d'élasticité et le module d'élasticité. La mesure des dimensions de l'échantillon après l'essai permet également d'obtenir des valeurs de réduction de la surface et d'allongement pour caractériser la ductilité du matériau. Les essais de traction peuvent être réalisés sur de nombreux matériaux, y compris les métaux, les plastiques, les fibres, les adhésifs et les caoutchoucs. Les essais peuvent être réalisés à des températures inférieures à la température ambiante ou à des températures élevées.
Un essai de compression est une méthode permettant de déterminer le comportement des matériaux sous une charge de compression. Les essais de compression sont réalisés en chargeant l'échantillon entre deux plaques, puis en appliquant une force à l'échantillon en rapprochant les traverses. Au cours de l'essai, l'échantillon est comprimé et la déformation en fonction de la charge appliquée est enregistrée. L'essai de compression est utilisé pour déterminer la limite élastique, la limite proportionnelle, la limite d'élasticité, la limite élastique et (pour certains matériaux) la résistance à la compression.
Informations analytiques
Résistance à la compression - La résistance à la compression est la contrainte de compression maximale qu'un matériau est capable de supporter sans se rompre. Les matériaux fragiles se fracturent pendant les essais et ont une valeur de résistance à la compression définie. La résistance à la compression des matériaux ductiles est déterminée par leur degré de déformation pendant les essais.
Limite élastique - La limite d'élasticité est la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter sans déformation permanente après suppression de la contrainte.
Élongation - L'allongement est la quantité d'extension permanente d'un échantillon qui a été fracturé lors d'un essai de traction.
Modules d'élasticité - Le module d'élasticité est le rapport entre la contrainte (en dessous de la limite proportionnelle) et la déformation, c'est-à-dire la pente de la courbe contrainte-déformation. Il est considéré comme la mesure de la rigidité d'un métal.
Limite proportionnelle - La limite proportionnelle est la plus grande quantité de contrainte qu'un matériau est capable d'atteindre sans s'écarter de la relation linéaire de la courbe contrainte-déformation, c'est-à-dire sans développer de déformation plastique.
Réduction de la surface - La réduction de la surface est la différence entre la surface de la section transversale originale d'un échantillon de traction et la plus petite surface à la rupture après l'essai.
Souche - La déformation est le changement de taille ou de forme d'un matériau sous l'effet d'une force.
Point de rendement - La limite d'élasticité est la contrainte d'un matériau (généralement inférieure à la contrainte maximale atteignable) à laquelle une augmentation de la déformation se produit sans augmentation de la contrainte. Seuls certains métaux ont une limite d'élasticité.
Limite d'élasticité - La limite d'élasticité est la contrainte à laquelle un matériau présente un écart spécifié par rapport à une relation linéaire entre la contrainte et la déformation. Un décalage de 0,2% est souvent utilisé pour les métaux.
Résistance ultime à la traction - La résistance ultime à la traction, ou RAT, est la contrainte de traction maximale qu'un matériau peut supporter sans se rompre. Elle est calculée en divisant la charge maximale appliquée pendant l'essai de traction par la section originale de l'échantillon.
Applications typiques
Traction et compression les propriétés des matières premières pour les comparer aux spécifications du produit
Obtenir des données sur les propriétés des matériaux pour la modélisation par éléments finis ou la conception d'autres produits afin d'obtenir le comportement mécanique et les performances de service souhaités.
Simulation de la performance mécanique des composants en service
Exemples d'exigences
Les essais de traction standard sur les métaux et les plastiques sont réalisés sur des éprouvettes spécialement préparées. Il peut s'agir d'échantillons cylindriques usinés ou de plaques plates (dogbone). Les échantillons doivent présenter un rapport spécifique entre la longueur et la largeur ou le diamètre dans la zone d'essai (jauge) afin de produire des résultats reproductibles et de se conformer aux normes. méthode d'essai Les produits tubulaires, les fibres et les fils peuvent être soumis à des essais de traction à taille réelle. Les produits tubulaires, les fibres et les fils peuvent être soumis à des essais de traction à taille réelle à l'aide de dispositifs spéciaux qui favorisent une préhension optimale et la localisation de la rupture.
L'échantillon le plus couramment utilisé pour les essais de compression est un cylindre circulaire droit aux extrémités plates. D'autres formes peuvent être utilisées, mais elles nécessitent des fixations spéciales pour éviter le flambage. Les configurations spéciales pour les essais de composants ou les simulations de service dépendent de la machine d'essai spécifique à utiliser.
Différence entre l'équipement d'essai de traction et l'équipement d'essai de compression
Dans le cas des essais de traction, la machine d'essai exerce une charge ou une force de tension qui sépare les échantillons d'essai de traction. Dans le cas des essais de traction sur plastiques, l'échantillon est écarté pour mesurer la résistance à la traction et d'autres propriétés, notamment la rigidité et la limite d'élasticité. Il existe plusieurs normes industrielles communes qui fournissent des méthodes reconnues pour les essais de traction sur les plastiques. Les normes ASTM D638 et ISO 527-2 présentent toutes deux une géométrie et des dimensions d'échantillon normalisées similaires mais différentes. Ces essais nécessitent des pinces de traction qui sont censées saisir l'échantillon et s'ajuster au fur et à mesure qu'il s'amincit au cours du processus d'essai. Ces accessoires sont différents des dispositifs de compression.
Dans les essais de compression, la machine d'essai exerce une charge ou une force de poussée ou de compression pour écraser l'échantillon d'essai jusqu'à ce qu'il se brise ou s'écrase. Les essais de compression d'un matériau polymère en mousse structurelle sont couverts par ASTM D1621 qui spécifie le type de plaques de compression et de déflectomètre utilisés. L'échantillon est placé entre des plateaux de compression jusqu'à ce que la structure cellulaire cède ou se rompe.
Une machine d'essai universelle peut effectuer des essais de traction et de compression, ou les deux. La traverse peut être utilisée pour tirer ou comprimer l'échantillon d'essai qui est situé entre la plaque de base et la tête mobile.
Les montages d'essai de traction, ou pinces, et les capteurs de déformation (connus sous le nom d'extensomètres) ne peuvent pas effectuer d'essais de compression. De plus, les mâchoires de traction sont spécialement adaptées pour couvrir la géométrie et les dimensions exactes de l'éprouvette. Les plateaux d'essai de compression et le déflectomètre sont également capables d'effectuer uniquement un essai de compression, et les deux ensembles d'accessoires sont donc nécessaires dans ce cas.
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