Essais de Résilience,
de Fatigue et Divers
Essais de résilience :
But de ces essais :
Déterminer la résistance
au choc des pièces, qui est une caractéristique primordiale pour le choix des
matériaux dans la construction.
Formule fondamentale et interprétation de la résilience :
Si une force de poids P tombe d'une certaine
hauteur H on enregistre au niveau de l'éprouvette e un certain travail
disponible (Wd).
Après cassure de
l'éprouvette, on peut enregistrer un travail résiduel (Wr) ce qui permet de déduire le travail absorbé (Wa) ou travail nécessaire pour effectuer la rupture de cette
éprouvette.
En considérant la section nette de l'éprouvette (section restante après
entaille), on déduit :
Résilience = Travail absorbé / Section après entaille.
Si la résilience porte
symbole K, on a :
K = Wa / S. (W
en Joule ; S en cm²)
Éprouvettes d’essai :
La valeur K de la
résilience, donnée en joule par centimètre carré, doit être accompagnée d'un
repère désignant le type d'éprouvette et la forme de l'entaille, afin de
pouvoir faire des comparaisons ; on aura ainsi :
KUF : UF signifie
entaille Unifiée Français (I.S.O) ;
KM : M signifie entaille Mesnager (D.V.M).
Machines et méthodes d'essai :
Mouton Charpy :
Le bras portant le
marteau vient casser l’éprouvette dans sa chute en rotation, puis il remonte en
sens inverse après rupture. La valeur de la remontée est enregistrée sur le
cadran angulaire afin d'apporter plus de précision à l’essai.
Résultat obtenu :
Soit :
- travail disponible Wd = PH ;
- travail résiduel : Wr = pH ;
- travail absorbé : Wa = Wd –
Wr ou Wa = PH – Ph =
P(H-h) et résilience K =
P(H-h) / S.
La valeur de h est
obtenue en fonction de la valeur angulaire α donnée par la remontée du bras.
Autres méthodes :
Essais de fatigue :
But de ces essais :
Les essais usuels :
de traction, de résilience, de dureté ne permettent pas de qualifier les
matériaux en vue de toutes leurs applications. Ces essais supposent de des
efforts simples et constants alors que, dans la plupart des cas, les
sollicitations auxquelles sont soumises les pièces sont variables et répétées.
C'est pourquoi certaines pièces, qui ont été calculées en résistance des
matériaux pour résister à des efforts plus importants que ceux auxquelles elles
sont soumises, cassent au bout d'un certain temps.
Tous les essais
classiques étudiés précédemment ne font généralement intervenir que deux
paramètres. On a donc créé d'autres essais faisant intervenir un autre
paramètre : le facteur temps ; ce sont les essais de fatigue.
Durant tous ces essais,
la pièce est soumise à des sollicitations se rapprochant le plus possible de
celles enregistrées lors de son fonctionnement et durant un temps déterminé.
Ce temps est exprimé en
alternances, c'est-à-dire : périodes entre lesquelles l'effort est maximal
et minimal :
- Pour
les aciers : nombre minimal d'alternances : 30 millions.
- Pour
les alliages : nombre minimal d'alternance : 100 millions.
Cassure d'une pièce due à la fatigue :
Soient deux régions
distinctes :
- Une
région présentant une structure granuleuse.
- Une
région présentant des ondes, la surface est polie.
Processus de la cassure :
Tout d'abord, il faut se
remémorer le diagramme de traction.
La région nous
intéressant est la région A, c'est-à-dire la région de déformations élastiques.
Lorsque nous avons
étudié la traction, nous avons dit que dans cette région la pièce se déformait
si on la soumettait à une contrainte donnée Fe et si l’on
relâchait la charge, elle reprenait exactement sa forme initiale.
Ceci est vrai dans les
grandes lignes, mais en vérité, la pièce ne reprend sa forme qu'au bout d'un
certain temps (environ 10 à 20 minutes suivant l'effort). Cette caractéristique
est due à l'élasticité rémanente que possèdent tous les corps.
Donc, si l'on relâche la
charge, le point H ne reviendra pas en O mais en H’ :
H’ O --> élasticité rémanente.
De ce fait, on comprend
que, dans la pièce, il y ait formation de contraintes qui, à la longue, peuvent
donner naissance à une micro-fissure, qui, au cours du fonctionnement, augmente
avec les vibrations et s'achemine dans les joints des cristaux. Il se produit
une fissure circulaire qui diminue la section et provoque la cassure.
Les essais :
Afin de déterminer la
limite de fatigue, on a mis au point différents essais qui se rapprocheront le
plus possible des conditions de fonctionnement.
Courbe de Wôhler :
On expérimente une série
d'éprouvettes de même nature ; on applique des charges croissantes :
F1, F2, F3.
On enregistre le nombre
d'alternances : n1, n2, n3, pour lesquelles les éprouvettes se rompent.
On calcule les contraintes : f1, f2, f3,
correspondant à ces efforts, en appliquant les formules classiques de la
traction, de la torsion et l'on trace la courbe des contraintes en fonction du
nombre d'alternances (courbe ayant la forme hyperbole).
La courbe possède une
asymptote qui correspond à une valeur pour laquelle il n'y aura pas rupture de
l'éprouvette, quel que soit le nombre d'alternances.
Donc, si l'on reste en
dessous de l’asymptote, les éprouvettes par suite les pièces, auront une durée
illimité.
Courbe de Prot :
Malheureusement, les
essais classiques de fatigue, tels qu’ils conduisent à la courbe de Wôhler,
sont très longs.
Un autre mécanicien,
Prot, a déterminé d'autres essais plus rapides.
Dans ces essais, Prot a
diminué la durée de l'expérience.
Pour ce faire, il a fait
varier la charge en fonction du temps.
Nous obtenons une courbe ayant approximativement
la forme d'une droite.
Malheureusement, ces
essais ne sont pas aussi proches de la réalité que l’essai Wôhler. On ne
peut procéder que par comparaison. Cet essai ne peut servir qu'à déterminer
l'inffluence de tels ou tels facteurs sur la longévité d'une pièce.
Des deux essais
précédents, il ne faudra retenir que l’essai Wôhler car, malgré la durée assez
longue que l’essai, il se rapproche le plus de la réalité.
Facteurs influant sur la limite de fatigue :
Influence du nombre de cycles :
Les limites de fatigue
varient peu avec la fréquence des efforts.
La fréquence
expérimentale est comprise entre 50 et 200 cycles / s.
Influence de l'état de surface :
Les rayures d'outils qui
constituent des sources de cassure diminuent, dans des proportions sensibles,
la limite de fatigue.
On constate par exemple,
une diminution de 12 % de la limite de fatigue en passant d'une surface
rectifiée finement à une surface présentant des rayures d'outils de tour avec
une avance de 0,05 et de 20 % lorsque la surface est résinée et avec une avance
de 0,2.
Influence des traitements thermiques :
Certains traitements
thermiques mal conduits entraînent des décarburations qui provoquent une
rupture anticipée.
Il faut surtout éviter,
dans ce domaine, le phénomène de grossissement des grains.
Forme des pièces :
Les angles vifs, les
changements de sections diminuent les limites de fatigue.
Dimensions des pièces :
Les défauts prennent une
importance d’autant plus grande que la pièce est petite.
L'accident, facteur de sécurité :
Lorsqu’une pièce
travaille au-dessus de sa limite de fatigue, la rupture doit se produire
inévitablement après un nombre déterminé d’alternance ; l'accident est
certain à brève échéance.
La détérioration des
pièces en cours de service, lorsqu'elle se produit, doit constituer l’essai le
plus instructif.
Après avoir tout fait
pour éviter l'accident, il faut que le service des études qui a fixé les
dimensions et la nature des pièces, soit tenu très régulièrement au courant de
leur vie, de façon à pouvoir établir une relation exacte entre la valeur en
service et l'ensemble des propriétaires réelle des conditions imposées.
Aucun accident, aussi
bénin soit-il, ne doit rester sans enseignements. Après avoir créé l'organe, il
faut le faire évoluer et le perfectionner.
La vie et l'histoire de chaque pièce doivent
conduire à une plus grande sécurité pour l'avenir et à un meilleur prix de
revient.
Essais divers :
Essai par étincellographie :
But :
Identifié
approximativement la composition d'un alliage ferreux.
Principe :
Meuler un échantillon et
observer la gerbe d'étincelles produite (trajectoire, dimensions, forme,
couleur, nombre).
Conditions d’essai :
Facteurs :
- Variables :
Nature de l'alliage ;
- Invariables :
Nature et vitesse de la meule ; dimension de l'éprouvette.
Pratique de l’essai :
Discussion :
Une grande expérience
est nécessaire pour différencier les étincelles propres à chaque alliage.
Seul le carbone crée des
éclatements caractéristiques qui croissent avec le pourcentage et certains
éléments d'alliage modifient également les résultats.
Conclusion :
Sans prétendre remplacer
l’analyse chimiques ou spectrographique, l’étincellographie - essai simple,
économique - permet d'effectuer un tri rapide lors d'une réception par exemple
évitant certaines confusions.
Matériel :
- Éprouvette de nature
différente.
- Meule à grains à lumineux.
- Paire de lunettes.
- Paire de gants.
Cette étude est
présentée sous une forme expérimentale pouvant être réalisée facilement.
Essai macrographique :
But :
Mise en évidence des
procédés de fabrication ou d'assemblages.
Principe :
Attaque par impression
qui permet de déceler les parties sulfureuses des aciers.
Sous l'action d'un
acide, il y a dégagement d'hydrogène sulfuré qui noircit la surface d'un papier
émulsif sensible à ce gaz (type « Kodak G3 »).
Conditions de l’essai :
Facteurs :
- Variable :
Éprouvettes (procédés de fabrication).
- Invariable :
Méthode.
Pratique de l'essai :
- Scier l'éprouvette dans les
sens des fibres de préférence et à cœur (ceci afin d’éviter d’opérer la
macrographie sur une couche décarburée ou écrouie).
- Approcher la surface par
rectification.
Discussion :
- Des traces foncées apparaissent
sur l’éprouvette ; elles proviennent de l'action des impuretés sur le
papier au bromure d'argent.
- Les traces sont continues
parallèles. Il en résulte que les zones pures du matériau ont été alignées
régulièrement suivant des axes orientés (fibres).
- En zone 3 on reconnaît les
formes des cordons successifs.
Conclusion :
Les macrographies
permettent de mettre en évidence :
- Que
la pièce a subi un changement de direction par conformation (pliage ou
forgeage).
- Le
nombre des passes réalisées ; la qualité de la soudure (pénétration,
homogénéité, etc...).
Essai macrographique sur la pièce par réactif :
Nous donnons ici deux
techniques simples pouvant facilement être réalisées, même par des non
spécialistes de macrographies.
Essai à chaud :
Il suffit de préparer
une solution de SO4H2 à 20%, diluée dans l'eau distillée, de polir l'éprouvette
préalablement sciée comme pour l'empreinte Baumann, et de l’immerger dans la
solution portée à une température de 80°C. Après un temps variable (10 à 30
minutes), il apparaît de véritables stries sur la pièce ; elles proviennent
de l'attaque de l'acide sur les impuretés contenues aux joints des grains des
matériaux. Les phénomènes mis en évidence sont les mêmes que précédemment.
Essai à froid :
Toujours pour la mise en
évidence des procédés de fabrication et éventuellement quelques défauts
internes (inclusions). On peut, après la préparation d'une pièce par sciage ou
tronçonnage, la polir (polissage plus poussé ; grain de 400 ou 600), puis
la badigeonner avec un réactif approprié qui comme pour les autres techniques,
fera apparaître des traces brunes sur la pièce.
Réactifs utilisés :
Technique de FRY :
- Chlorique
cuivrique : 1,5g.
- Acide
chlorhydrique : 30 cm3.
- Eau
distillée : 95 cm3.
- Alcool
éthylique : 30 cm3.
Cette solution peut être
bien préparée par un pharmacien.
Après quelques minutes,
un dépôt cuivrique que l'on enlève avec un tampon imbibé d'ammoniaque, le
fibrage apparaît.
On conserve presque
indéfiniment le résultat obtenu sur la surface de la pièce en interposant une
mince pellicule de vernis incolore.
Technique de Le
Chatelier-Dupuy :
- Chlorure
cuivrique : 1g.
- Acide
nitrique : 0,5 g.
- Acide
chlorhydrique concentré : 1,3 à 2,5 g.
- Eau
distillée : 10 cm3.
- Alcool
éthylique : 100 cm3.
Ce réactive s'applique
quelques minutes seulement ; il permet surtout de mettre en évidence les
régions riches en phosphore où les rayures se déclenchent plus facilement.
Réactif à l'acide
nitrique :
Acide nitrique à 50%
dans l'eau ou à 15 % dans l'alcool.
Ce réactif donne de bons
résultats en ce qui concerne la mise en évidence des différences de structures
après trempe sans revenu ; il est en outre bien adapté pour l'étude des
trempes superficielles et des cémentations par le carbone.
Essai par ressuage :
But :
Mettre en évidence les
défauts débouchant en surface (fissure, criques).
Principe :
Un liquide étalé en
surface s'infiltre dans les fissures de la pièce et réapparaît par impression
sur un dépôt spongieux.
Pratique de l’essai :
- Nettoyer soigneusement la pièce
à contrôler avec du tétrachlorure de carbone, toluène, etc..
- Imprégner la surface de la
pièce à contrôler avec un liquide pénétrant (parfois chauffé) :
- Huile minérale ou solution fortement colorée en rouge ;
- Formule de
« Leiris » ;
- Tétraline : 12
cm3 ;
- Xylène : 12 cm3 ;
- Rouge organol : 0,25 g
;
- Alcool protylique : 1
cm3.
Appliquer ce liquide soit pas immersion, badigeonnage, ou pulvérisation.
- Essuyer soigneusement
l'excédent du liquide.
- Saupoudrer la pièce avec un
talc ou de la silice.
- Le ressuage apparaît après
quelques minutes.
Complément d'information :
Contrôle par
fluorescence :
Plus grande détection
des défauts.
Principe :
Ce contrôle s'effectue
dans les mêmes conditions que le contrôle par ressuage.
La composition du
liquide est la suivante :
- Pétrole : 600 cm3 ;
- Huile minérale : 200 cm3 ;
- Sel M.D.M.C : 1g (acétate de diméthylcoéroxénol).
Pratique de
l’essai :
Le ressuage est mis en
évidence par un renforçateur (silice fossile) jouant le rôle de talc.
La surface est alors
éclairée par une lumière ultra-violette (lampe à vapeur de mercure).
Les défauts apparaissent
selon des traces jaunes sur fond très noir.
Conclusion :
Le ressuage est applicable aussi bien sur les métaux ferreux que non ferreux et alliages légers.
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