Essais mécaniques - Partie 1

Essais de Traction et de Dureté

Essais de traction :

 

But :

L'essai de traction ou d'extension fait connaître principalement les caractéristiques de ténacité et d'élasticité d'un métal.

Principe :

On exerce sur les extrémités d'une tige, suivant l'axe longitudinal, un effort de traction lent, progressif, constant, avec une machine qui enregistre simultanément la valeur des efforts et des allongements.
Cette machine peut être mécanique, hydraulique, verticale ou horizontale.

Éprouvettes :

Il existe trois sortes des éprouvettes :

• Éprouvettes cylindriques ;
• Éprouvettes plates ;
• Micro-éprouvettes.

 

Éprouvettes cylindriques :

Lorsque la longueur et la section ne sont pas conformes aux valeurs courantes, les résultats doivent être comparables. La France emploie la relation suivante :

 

Éprouvettes plates :

La longueur et l’épaisseur sont choisies suivant les dimensions du matériau employé.

 

Résultats obtenus :

Diagramme :

OA : Période de déformation élastique : Fe est l'effort de limite élastique ;
AB : Période de déformation permanente : les allongements croissent plus vite que les efforts ;
BC : Période de striction : la charge diminue rapidement et le barreau s'étrangle en son milieu, c'est la striction ;
C : Période de rupture : la striction augmente, la rupture se produit.

Caractéristiques mécaniques et formules de base :

 

Résistance à la rupture (Rr) :

Contrainte de limite élastique (Re) :

Allongement (A%) :

L = Longueur avant essai ;
L’ = Longueur après rupture.

Module d'élasticité longitudinal (E) :

Valeur de E :

• Aciers courants :

1. E = 21000 à 22000 daN/mm² à 22°C ;
2. E = 20000 daN/mm²  à 200°C ;
3. E = 18600 daN/mm²  à 600°C.

• Aciers réfractaires :

1. E = 21000 daN/mm² à 20°C ;
2. E = 16000 daN/mm² à 600°C.

• Alliages légers 

1. E = 7500 daN/mm² à 20°C ;
2. E = 6500 daN/mm² à 200°C.

 

Écrouissage :

 A partir du point E, le métal pénètre dans la zone de plasticité ; on dit qu'il est écroui.

Cet écrouissage à froid apporte des modifications de Rr, Re et A%. Il y a donc lieu d'établir un coefficient d’écrouissage z%.

On a : 

en appliquant les valeurs connues de Su et So (respectivement : section avant essai et après rupture), on se rend compte que z% peut prendre des valeurs de 0 à 400.

Ce coefficient sert surtout pour le travail des tôles et est un indice de comparaison.

Influence de l’écrouissage (variation des propriétés).

Extension de l'essai de traction aux règles C.M :

 Domaine d'application :

Les présentes règles concernent l'utilisation de l’acier à l’édification :

• Des immeubles à usage d'habitation, de bureau, de locaux commerciaux ;
• Des constructions industrielles et agricoles.

Matériaux utilisés :

Tant pour les barres (acier laminé) que pour les rivets, boulons, électrodes, l'acier doit répondre à une résistance minimum de limite élastique :

Re = 24 daN/mm²

On disposera ensuite des caractéristiques : E26, E30 et E36.

 

Essais de dureté :

But de ces essais :

Nous verrons plus en détail que la mesure des caractéristiques mécaniques, et particulièrement les résultats après traitement thermique, imposent d'effectuer des essais non destructifs afin, par exemple, de déterminer la dureté.

D'autre part, cette caractéristique mécanique de base est indispensable pour permettre un choix judicieux des matériaux.

Principe et formule fondamentale :

La dureté est définie comme étant la résistance qu’oppose un corps à sa pénétration par un autre corps. Si l'on considère l’action (F) d'un corps pénétrant, il en résulte une empreinte de surface (S) sur le corps pénétré. Ce sont ces deux facteurs F et S qui permettent d'interpréter la dureté (H) tel que :

On donne : F en daN et S en mm² ; par contre : H est une unité de comparaison en fonction d'une échelle de référence.

Différents types d'essais :

Essais basés sur la rayure des corps :

Echelle de MOHS :

MOHS a établi une échelle de dureté relative et a proposé l'ordre suivant :

• Talc ;
• Gypse ;
• Calcite (constituant de marbres blancs) ;
• Fluorine (minérale fluorure de calcium) ;
• Apatite (minéral formé de phosphate, de calcium, de fluor, de chlore) ;
• Orthose (silicate d'aluminium et de potassium) ;
• Quartz hyalin ;
• Topaze blanche ;
• Corindon (le corindon artificiel abrasif est à base d'alumine) ;
• Diamant.

Un minéral de dureté 7,4 sera rayé par la topaze blanche, non par le quartz hyalin.

 

Méthode aux crayons :

Si l'on considère les repères marqués sur les crayons à mine, on peut remarquer les inscriptions suivantes :

• Soit H : mine relativement dure ; en effet : H signifie Hard ou bien ‘’dur’’ ;
• Soit B : mine relativement tendre ; en effet B signifie Black ou ‘’noir’’, donc qui marque, donc crayon tendre.

Il découle de cela un ingénieux système qui utilise des crayons normalisés et parfaitement taillés sur lesquels on exerce une charge déterminée. Ils sont montés sur un support et l'ensemble permet de tracer un sillon sur le matériau à essayer. On mesure ensuite la rayure obtenue et une échelle de comparaison permet d'évaluer la dureté. Le procédé s'applique surtout sur les matériaux présentant une faible résistance à la pénétration tels que : revêtements plastiques ou dépôts de peinture.

Essais basés sur la pénétration : 

Essai Brinell (HB) :

Principe :

Soit :

• Un pénétrateur : une bille en acier de ø D ;
• Une pièce tel que : L ≥ 4 d.

On applique une force F (progressivement pendant 15 secondes) qui donne une empreinte de surface S sur la pièce.

On obtient : 

HB est donnée en unité Brinell. Il faut que F = KD², avec K = 30, 10, 5 ou 2 ; cela en fonction du matériau à essayer, ainsi que de son épaisseur. Le diamètre D de la bille peut être de 10, 5, 2,5 ou 1 mm.

Valeur de F en fonction de D pour différents matériaux :

Interprétation de la dureté HB :

Depuis l'empreinte de diamètre d laissée sur la pièce par la bille, on déduit directement HB en fonction de la force appliquée, du diamètre D de la bille et en utilisant un abaque ou une échelle de transformation qui est établie depuis la formule :

Lecture du diamètre de l'empreinte d :

Soit directement sur la machine, en mesurant avec une réglette graduée l'image de l'empreinte sur un écran.

Soit sur la pièce par le même procédé, mais en utilisant une loupe binoculaire graduée ou un microscope.

Soit avec une réglette graduée type ‘’Le Chatelier’’.

 

Variante de l'essai Brinell :

Essai pratique «Morin-Turpin» :

Principe :

En appliquant une force F quelconque et par simple lecture de l'empreinte obtenue sur la pièce, on détermine directement la dureté H’ de cette pièce, par comparaison, sur un graphique fourni avec l’appareil.

Valeur de la dureté H’ obtenue :

On a :

La dureté H de l'étalon connue : 

La dureté H’ de la pièce inconnue : 

On peut écrire :

On déduit :

Essai Brinell (machine portative) :

Il existe une machine Teswell est une machine portative simple permettant d'appliquer la méthode Brinell sur des matériaux de forme particulière et d'exécuter l’essai par déplacement de la machine.

Essai Rockwell (HR) :

Principe de la méthode :

Un pénétrateur (cône ou bille) sur lequel est appliquée une charge P pénètre dans la pièce d'une profondeur variable e. C'est cette profondeur de pénétration qui permet de définir la dureté HR.

Pratique des essais :

Suivant le type de pénétrateur utilisé (qui est fonction de la dureté des matériaux à essayer), on rencontre deux pratiques de base :

• L’essai HRc Rockwell cône pour matériaux durs.
  
  On utilise un cône en diamant, d'angle au sommet de 120°, terminé par une calotte sphérique.

1.       Une charge Po de 10 daN est appliquée sur le pénétrateur (charge automatique, par mise en contact pièce-cône sur la machine) ;

2.       Par action d'un levier, on applique une surcharge P’ de 140 daNt (après sélection sur la machine), ce qui donne une charge totale de 10 + 140 = 150 daN ;

3.       Par action inverse du même levier, on supprime la surcharge, de 140 daN ; il reste donc la seule charge initiale Po de 10 daN. C'est la différence entre les pénétrations ‘’1.’’ et ‘’3.’’ qui donne la valeur e de pénétration réelle retenue pour la mesure de la dureté HRC. Cette valeur est directement lue sur le cadran disposé sur la machine.

 

• L’essai HRb Rockwell bille pour matériaux tendres.
  On rencontre ici le même principe que pour l’essai HRc mais le pénétrateur est une bille d'acier (en pouce) ; la charge initiale Po est toujours de 10daN, mais la surcharge P’ est de 90 daN (présélectionnée) ; ce qui donne :                Po + P’ = 10 + 90 = 100 daN.
  La dureté HRb et lue directement sur le cadran incorporé sur la machine (chiffres procédés de ‘’B’’).
  Il est à remarquer que seule méthode Rockwell (HRc et HRb) permet de fournir un résultat direct de la mesure de dureté recherchée, ce qui en fait un procédé largement utilisé dans les ateliers de traitements thermiques.

Essai Vickers (HV) :

Cette méthode est surtout utilisée en microdureté pour les pièces mince et très dures.

Principe :

Sur un pénétrateur en diamant en forme de pyramide à base carrée avec un angle de 136°, on exerce une charge P (quelques grammes à quelques kilogrammes) variable en fonction de l'épaisseur et de la dureté des pièces. On obtient une empreinte dont on mesure la diagonale.

On a : 

Ou encore Hv : lue sur un abaque en fonction de la valeur de d.

Mesure de d :

Soit par microscope d'atelier comportant une règle graduée.

Soit directement sur la machine qui est universelle et qu'elle permet d'effectuer les essais HRB, HRc, HRb et HV.

Essais basés sur le rebondissement ou sclérographie :

Principe :

Une bille parfaitement calibrée et guidée tombant d'une hauteur définie sur une pièce, rebondira à une certaine hauteur définie h en fonction de la dureté de cette pièce.

C'est cette hauteur qui est enregistrée et qui permet de définir la dureté généralement donnée comme méthode Shore.

Domaine d’application des différents essais :