TS CM Technologie De Construction page 1 avril 2005 Thème 7 : Essais mécaniques des aciers Essais mecaniques 1 Rappels : Usage, nuance et qualité 1.1 Désignation Le système de désignation des aciers précise : L'usage de l'acier, par exemple «construction métallique (S )» Sa caractéristique de base, la nuance Des caractéristiques secondaires, la qualité Exemple : S 235 JRG2 : acier de Structure R eh 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 R eh. 235 MPa (e 16 ) De résistance à la traction R m 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 20 C b. J0 mesure à 0 C c. J2 mesure à -20 C
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 : 2.2 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. 2.3 Eprouvette proportionnelle Produit d'épaisseur >3 mm Pour les éprouvettes cylindriques, on choisit : 1. L 0 = 5 d 0 c'est à dire L0 = 565. 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 (R p0.2 ). 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 (S 0 ) ; on obtient des charges unitaires (inférieures aux contraintes réelles) notées : R eh limite supérieure d'écoulement.
3 R el limite inférieure d'écoulement. R p charge unitaire à la limite conventionnelle d'élasticité R m résistance à la traction. 2.5.2 Limite de proportionnalité (d'élasticité) Courbes avec crochet et palier La partie linéaire avant R eh 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 R eh et R el 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 A r. 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 A Z. Allongement réparti Striction 2.5.5 Allongement à la rupture L'allongement défini par la norme est l'allongement total A % : L L A u 0 % = 100 L 0
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 A r et A Z 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 R e et R m a la forme des courbes de la figure cidessous. Pour les aciers doux aux très basses températures, il y a augmentation très forte de R e et R m, 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.
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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 K CV. Cette résilience dépend beaucoup de la température. a. JR mesuré à 20 C b. J0 mesuré à 0 C c. J2 mesuré à -20 C d. 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 R eh, 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.
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