Essai de Résilience [PDF]

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TP Essai de résilience - Résistance au choc. Rappel 1- Définition du principe de l'essai L’essai de résilience (essai au choc) consiste à rompre, par un seul choc, une éprouvette préalablement entaillée en son milieu et à mesurer l’énergie W (en joules) absorbée par la rupture. La résilience est définie par la lettre K (Joules/cm²). L’essai se réalise sur une machine appelée mouton pendule rotatif ou mouton de Charpy. On mesure la résistance au choc du matériau. 2- Mouton de Charpy Un marteau de masse m est fixé à l'extrémité d'un pendule (fig. 1 et 2). Ce pendule peut tourner dans le plan vertical autour d'un axe horizontal. L'éprouvette repose sur un support et se trouve au point le plus bas sur la trajectoire du marteau. Pour effectuer un essai, on écarte le bras jusqu'à ce que le marteau atteigne sa position initiale P et on le lâche. Quand le pendule vient frapper l'éprouvette, il a une énergie cinétique qui est égale à l'énergie potentielle qu'il avait à sa position de départ W0 = mgh0. Après la rupture, le marteau remonte. Dans son point culminant (hauteur h1), l’énergie cinétique résiduelle s'est de nouveau transformée en énergie potentielle W1=mgh1 L'énergie W dépensée pour rompre l'éprouvette vaut alors : W = W0 - W1 = mg (h0-h1) Il faut absolument mentionner le type d'échantillon normé qu'on a utilisé pour sa détermination. Les éprouvettes les plus fréquemment utilisées aujourd'hui sont les types ISO-V et ISO-U (fig. 3).Elles ont une entaille en forme de V ou U pour fixer l'endroit de la fissure. Il est à noter que seuls des résultats obtenus sur des éprouvettes de dimensions identiques devraient être comparés. Pour obtenir la résilience Kc, on divisera encore la valeur de l’énergie W par la section de l'échantillon à l'endroit de la fissure. L'unité habituelle pour exprimer la résilience Kc est le J/cm2. Kc =

1

𝑾 𝑺

(J/cm2)

Fig.1 Mouton de Charpy

Fig.2 Appui de l’éprouvette vue d’en haut

3- Les éprouvettes L'effet de la forme de l'éprouvette sur l'énergie de rupture est très prononcé. La fig. 3 montre les formes et dimensions géométriques de 3 types d'éprouvettes standardisées. Elles ont toutes une longueur de 55 mm et une section nominale de (10x10) mm2, mais se distinguent dans leur forme et leur profondeur d'entaille qui se trouve sur le côté opposé à l'endroit où le marteau frappe (fig. 2). Elle a pour objet de garantir un état de contrainte triaxiale, déjà lors de l'amorçage de la fissure, plutôt que de provoquer l'effet d'entaille. C'est pour cette raison que le fond de l'entaille n'est pas pointue mais cylindrique (rayon de 0.25 ou de 1 mm selon type d'éprouvette). L'aire de la section restant à l'endroit de l'entaille est, selon la définition de la résilience Kc, la section à utiliser pour le calcul de sa valeur. Les trois éprouvettes ne sont pas équivalentes. L'énergie de rupture (J) et la résilience (J/cm2) varient avec la profondeur de l'entaille et le rayon de courbure au fond de l'entaille. Si l'on fait varier le rayon à fond de l'entaille, on modifie la concentration et la triaxialité des contraintes à son extrémité. La résilience est minimale pour une fissure aiguë (rayon = 0, effet d'entaille) et elle augmente avec le rayon.

Fig. 3 Eprouvettes Charpy standardisées. Le type le plus utilisé est l'éprouvette ISO-V.

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4- Températures pour les essais de résilience Généralement les essais sont réalisés à température ambiante (20°C) et à des températures inférieures à 0°C. Des gaz ou liquides sont utilisés pour abaisser les températures des éprouvettes si nécessaire (alcool, fréon, azote liquide) Pour la résilience Charpy V(KcV), plutôt utilisée pour des températures inférieures à 0°C, aujourd’hui tends à se développer même à température ambiante. 5- Evolution de la résilience en fonction des températures.

Fig. 4 Evolution de la résilience en fonction des températures.

6- L'expérience 1. Comprendre le fonctionnement d’un essai de résilience. 2. Mesurer l'énergie de rupture d’une éprouvette Charpy V en acier à la température ambiante et d’en déduire sa résilience. 3. Mesurer l'énergie de rupture d’une éprouvette Charpy U en acier à la température ambiante et d’en déduire sa résilience. 4. Savoir déterminer visuellement si les deux ruptures sont fragiles ou ductiles d’après les faciès des deux éprouvettes après rupture.

- La surface de la cassure fragile est brillante et composée de multiples petites facettes en forme de grains. On remarque que l’éprouvette fragile garde sa section d’origine et n’a pas été déformée ;

3

Fig. 5 Faciès des cassures fragiles

- La surface de la cassure ductile est très différente : le faciès est une aire avec des plages mates et grisâtres. L’éprouvette présente une déformation importante et on peut mesurer une expansion latérale significative.

Fig. 6 Faciès des cassures ductiles

7- Travail à faire 1. Préparer la machine : relever le marteau et descendre le curseur de mesure. 2. Faire un essai à vide pour contrôler le « zéro » de la machine. La lecture de la position du curseur se fait toujours quand le marteau est en position haute. Redescendre le curseur. 3. Contrôler l’écartement des supports (40mm selon la norme). 4. Déposer le premier échantillon sur les supports, il doit être centré et l’encoche doit être du côté opposé au point de contact du marteau. Déclencher le marteau. 5. Remonter le marteau en position haute et lire l’énergie de rupture. Redescendre le curseur. 6. Récupérer l’échantillon et observer le mode de rupture (fragile, ou ductile). 7. Refaire la même chose avec le deuxième échantillon. 9- Sécurité ATTENTION : Le mouton pendule est extrêmement dangereux ! 1. Assurez-vous que personne n’est dans l’axe de la machine avant de déclencher l’essai. Stoppez l’essai en cas de doute. 2. Avertissez vos collègues avant le déclanchement. 4

3. Des fragments d’échantillons peuvent partir lors du choc, portez des lunettes pour tous les essais.

10- Compte rendu 1. Décrire le mode opératoire de l’essai de résilience ; 2. Faire une étude comparative entre les valeurs expérimentales et analytiques des énergies et des résiliences des deux échantillons sachant que la longueur du pendule est R = 80 cm et la masse utilisée est m = 20 kg. Eprouvette V W0 (J)

α (°)

Eprouvette U β (°)

W0 (J)

5

α (°)

W1 (J)

β (°)