L`essai de traction

TS CM
Technologie De Construction
avril 2005
Thème 7 : Essais mécaniques des aciers
page 1
Essais mecaniques
1 Rappels : Usage, nuance et qualité
1.1 Désignation
Le système de désignation des aciers précise :
•
•
•
Exemple :
L'usage de l'acier, par exemple « construction métallique (S ) »
Sa caractéristique de base, la nuance
Des caractéristiques secondaires, la qualité
S 235 JRG2 :
acier de Structure
ReH de 235 Mpa…
énergie de rupture 27 J à 20°C
non-effervescent (désoxydé au manganèse).
1.2 Nuance
La nuance d'un acier de CM, définie par la norme NF EN 10025, détermine les valeurs
garanties des caractéristiques :
•
•
•
De limite élastique, ici la limite supérieure d'écoulement ReH. 235 MPa (e≤16 )
De résistance à la traction Rm
340-470 MPa
De l'allongement à la rupture A%
26% (e≤40 mm)
Ces caractéristiques dépendent de
l’épaisseur du produit (pour un profilé,
on considère l’épaisseur la plus grande).
1.3 Qualité
La qualité permet de définir des variantes
d’un acier :
1. résistance à la rupture fragile (essai
de résilience)
2. teneurs en éléments chimiques (pour
la soudabilité)
3. conditions de désoxydation
(effervescent ou non, calmé)
Les valeurs courantes sont :
a. JR
mesure à
b. J0
mesure à
c. J2
mesure à
20°C
0°C
-20°C
TS CM Tech. Const.
L'essai de traction
Essais mecaniques
page
2
2 Essai de traction
2.1 Rôle et cadre
L'essai consiste à soumettre une éprouvette à un effort de traction croissant en vue de
déterminer ses caractéristiques mécaniques. Cet effort et l'allongement de l'éprouvette peuvent être
mesurés simultanément ; on obtient une courbe de traction.
Le mode opératoire et les méthodes de dépouillement sont indiqués dans la norme
NF EN 10002
Les résultats sont influencés par :
•
•
•
•
La vitesse de mise en charge ; elle ne doit pas dépasser 30 MPa / s en zone élastique et
15% / min en zone plastique.
La température : ambiante pour les produits courants.
La rigidité de la machine dont les déformations perturbent les mesures d'allongement.
Les proportions de l'éprouvette.
2.2
2.3 Eprouvette proportionnelle
• Produit d'épaisseur >3 mm
Pour les éprouvettes cylindriques, on choisit :
1. L0 = 5 d0 c'est à dire L0 = 5. 65 S0
2. longueurs entre repères : 50 et 100 mm
pour les valeurs conseillées.
2.4 Courbes typiques des aciers
On distingue deux types principaux de courbes de traction suivant la présence ou non d'un
crochet et d'un palier à la limite d'élasticité. La courbe a correspond à des aciers ferritiques (aciers
courants de CM ou inoxydables au
chrome) ; la courbe b avec un passage
progressif correspond à des aciers
austénitiques (aciers alliés ou inoxydables
au chrome-nickel). Ce passage progressif
nécessite la définition d'une limite
conventionnelle (Rp0.2).
2.5 Caractéristiques étudiées
2.5.1 Charges unitaires
L'effort de traction mesuré est
ramené à une contrainte par division par la section initiale de l'éprouvette (S0) ; on obtient des
charges unitaires (inférieures aux contraintes réelles) notées :
•
ReH
limite supérieure d'écoulement.
TS CM Tech. Const.
•
•
•
ReL
Rp
Rm
L'essai de traction
Essais mecaniques
page
3
limite inférieure d'écoulement.
charge unitaire à la limite conventionnelle d'élasticité
résistance à la traction.
2.5.2 Limite de proportionnalité (d'élasticité)
Courbes avec crochet et palier
La partie linéaire avant ReH est la zone élastique traduite par la loi de Hooke σ = E. ε
Le module d'élasticité E n'est pas mesuré expérimentalement sur cette courbe, mais par l'étude des
fréquences de vibration du matériau.
2.5.3 Palier plastique
Les phénomènes du crochet et du
palier correspondent à une déformation
hétérogène de l'éprouvette, c'est à dire à la
naissance d'une petite zone plastifiée qui se
propage ensuite à toute l'éprouvette ; la
charge recommencera à croître lorsque toute
la tige sera plastifiée (cf. figures en dernière
page).
L’existence de ce palier est fondamentale
pour la CM : adaptation plastique de
l’additif 80.
Le rapport entre ReH et ReL dépend
des rigidités de la machine et de l'éprouvette
ainsi que des concentrations de contraintes
au raccord des têtes.
2.5.4 Déformation plastique répartie et
striction
Entre le palier plastique et la résistance à la
traction, l'éprouvette est déformée plastiquement tout en
gardant sa forme cylindrique ; si la charge est retirée,
l'éprouvette garde un allongement rémanent. Cet
allongement est appelé allongement réparti Ar.
Après la résistance à la traction et jusqu'à
rupture, l'éprouvette se déforme en diabolo et la charge
admise par l'éprouvette diminue : c'est la striction.
L'allongement correspondant est l'allongement de
striction AZ.
Allongement
réparti
2.5.5 Allongement à la rupture
L'allongement défini par la norme est l'allongement total A% :
L − L0
A% = 100 ⋅ u
L0
Striction
TS CM Tech. Const.
L'essai de traction
Essais mecaniques
page
4
La valeur intéressante en CM est celle de l'allongement réparti (avant la rupture) ; cette valeur
dépend de la longueur de l'éprouvette.
L'allongement de striction dépend lui de la section de l'éprouvette ; c'est pourquoi on définit des
éprouvettes proportionnelles où le rapport entre Ar et AZ est constant quelle que soit la taille
2.6 Influence de la température
Les propriétés de l’acier évoluent en fonction de la température.
On a ainsi, de part et d’autre de la température ambiante, vers les hautes températures,
l’évolution des propriétés à chaud et, vers les basses températures, l’évolution des propriétés à
froid.
La tendance générale de l’évolution de Re et Rm a la forme des courbes de la figure cidessous.
Pour les aciers doux aux très basses températures, il y a augmentation très forte de Re et Rm,
avec baisse d’allongement et apparition de phénomènes de fragilité.
Au-dessus de la température ambiante, on observe une baisse de Re et R, jusque vers 400 °C,
où les phénomènes de fluage l’emportent ; il n’est plus possible alors de mesurer la limite élastique.
TS CM Tech. Const.
L'essai de traction
Essais mecaniques
page
5
TS CM Tech. Const.
L'essai de traction
Essais mecaniques
page
6
TS CM Tech. Const.
L'essai de traction
Essais mecaniques
page
7
3 Essai de résilience
3.1 Essai
Cet essai consiste à rompre d’un seul coup de « mouton de Charpy » une éprouvette entaillée en V.
On mesure l’énergie absorbée par le choc grâce à la hauteur de remontée.
Cette résilience est désignée par le symbole KCV.
Cette résilience dépend beaucoup de la
température.
a.
b.
c.
d.
JR
J0
J2
…
mesuré à
mesuré à
mesuré à
20°C
0°C
-20°C
4 Choix de la qualité
La qualité d’un acier est choisie en fonction de trois facteurs :
1. conditions de service = position de la contrainte par rapport à ReH,
2. vitesse de mise en charge (chocs…),
3. conséquence de la ruine (effets locaux, effondrements…)
Ces facteurs permettent de décider de la qualité selon la température de service et l’épaisseur de la
pièce étudiée.
TS CM Tech. Const.
L'essai de traction
Essais mecaniques
page
8
TS CM Tech. Const.
L'essai de traction
Essais mecaniques
page
9