TP2 : Essai de traction Objectifs : Connaître le comportement en traction de matériaux différents : 3 métaux et un polymère Comprendre la relation contrainte - déformation Déduire de l essai les propriétés mécaniques accessibles Echantillons : alliage d aluminium 1050 (Al 99,5) ou 2014A (AU4G) polychlorure de vinyle (PVC) acier doux C10 cuivre Notions pour l Essai de Traction uniaxiale Norme NF EN 10002 : Matériaux métalliques, Essai de Traction 1 (2001), 4 (1994) et 5 (1991) 1. L essai de traction est le moyen le plus couramment employé pour caractériser le comportement mécanique d un matériau sous une sollicitation progressive à vitesse de chargement faible ou modérée. Des éprouvettes du matériau concerné, en forme de barreau cylindrique ou parallélépipédique, comportant une partie centrale calibrée, raccordée à chaque extrémité à deux têtes de section plus importante, sont fixées dans une machine de traction. Figure 1 : Eprouvette de traction cylindrique La section de l éprouvette est constante, et notée S0 La longueur totale de l éprouvette est notée lc La machine impose un allongement croissant à l éprouvette, et enregistre simultanément l effort appliqué F l allongement Δl = l - li Selon l équipement utilisé, li est soit la longueur totale initiale lc, soit une longueur initiale de référence l0, entre deux repères tracés sur l éprouvette : l 0 Figure 2 : Avant l essai l 0 + Δl Figure 3 : En cours d essai L essai est généralement poursuivi jusqu à rupture, après quoi on mesure un allongement rémanent noté ΔlR. Au cours de l essai, pour les matériaux dits fragiles, la rupture intervient avant toute déformation plastique (= permanente), et se produit de façon brutale, avec une cassure rectiligne : Figure 5, rupture fragile, Annexe 1.
Sinon, pour les matériaux dits ductiles, on observe d abord un allongement élastique (= réversible) généralement proportionnel à la charge (loi de Hooke) ; puis le matériau entre dans le domaine de déformation plastique (= permanente), et la courbe devient plus ou moins parabolique, avec une réduction localisée de la section de l éprouvette (striction) avant la rupture : Figure 6, rupture ductile, Annexe 1. 2. Courbes de traction 2.a. 2.b. On peut tracer la courbe charge en fonction de l allongement, soit F en fonction de Δl. Mais les résultats dépendent de la forme et de la taille de l éprouvette, donc ne sont pas propres au matériau. Courbe conventionnelle : On préfèrera donc tracer la courbe en rapportant la force F à la section initiale S0, et en rapportant l allongement Δl à la longueur initiale li : on obtient la courbe donnant la contrainte σ en fonction de la déformation ε (= allongement relatif). Soit σ = F / S0 en fonction de ε = Δl / li Cette courbe établie à partir de la longueur et de la section initiales est appelée courbe conventionnelle. Voir Figure 4 ci-dessous σ = F / S 0 F : force appliquée F S 0 : section initiale Δl : allongement l 0 : longueur initiale σ : contrainte ε : déformation l 0 S 0 ε = Δl / l 0 F Figure 4 : courbe de traction conventionnelle 3. Propriétés mécaniques du matériau déduites de l essai de traction σ = F / S 0 OA : régime élastique (réversible), généralement linéaire ; B AB : déformation plastique uniforme (écrouissage) ; Rm BC : réduction localisée de la section (striction) ; C C : rupture ; Re A CD : retrait élastique. E : module de Young ; pente E E Re : limite élastique ; Rm : résistance à la traction (contrainte maximale) ; D ε R = Δl R / l i : déformation rémanente ou après rupture ; O ε R ε = Δl / l 0 Z% = (S0 Sf) / S0 x 100% : coefficient de striction.
Manipulation Lire attentivement les consignes et respecter les étapes! La machine est reliée au logiciel testxpertii. Les éprouvettes n ont pas la forme requise pour l essai normalisé de traction, mais les résultats vous permettront de comparer les comportements respectifs des 4 échantillons. L écartement initial entre les mors, noté lc, est fixé à 150 mm. Attention : la machine détermine l allongement Δl de la région de l éprouvette située entre les deux bras de l extensomètre, d écartement initial l0 = 100 mm (longueur initiale de référence). Les étapes 8 à 13 devront êtes répétées pour chacune des quatre éprouvettes ; il faudra imprimer deux procès-verbaux (étape 15) : un premier pour le PVC et l aluminium (il est conseillé de commencer par le PVC), et un deuxième pour l acier et le cuivre. 1. Mesurez la largeur et l épaisseur initiales des quatre échantillons et notez les valeurs. 2. Tracez deux repères centrés sur chaque éprouvette correspondants à l écartement initial entre les mors lc = 150 mm. 3. Consultez le classeur et les schémas expliquant les différentes parties de la machine de traction Zwick/Roell. 4. Mettre en route la machine de traction : sectionneur noir en bas sur le coté droit. 5. Les touches TEST et POS s allument. En attendant qu elles s éteignent (environ une minute correspondant à des tests internes), ouvrez une session Windows sur l ordinateur connecté à la machine. 6. Quand les touches TEST et POS se sont éteintes, lancez le logiciel testxpertii à partir du menu démarrer, en tant qu utilisateur : etudiant (mot de passe : etudiant). Vérifiez que vous utilisez le programme «traction_final». 7. Appuyer sur la touche < ON > de la console de commande sur la machine de traction, qui doit alors s allumer. Les trois valeurs en bas de la fenêtre doivent alors s'afficher sur fond blanc. 8. Sur l ordinateur : cliquer sur le bouton < Pos. Init. > pour amener les mors en position initiale (vérifier que l espacement entre les mors est alors bien de lc = 150 mm). Régler la force F à «0 N» avec le bouton < Force0 >. 9. Sur l ordinateur : notez les valeurs de l épaisseur et de la largeur de l éprouvette (icônes vertes en bas à droite). Vérifiez le réglage de la longueur initiale de référence (distance entre les bras de l extensomètre) : l0 = 100 mm ; de même pour l écartement initial entre outillages : lc = 150 mm. Enfin, renommez l essai courant avec le nom du matériau testé. 10. Vérifiez que le mors du bas est bloqué en position ouverte. Enfoncer une éprouvette dans le mors du haut jusqu au repère de référence (que vous avez tracé à l étape 2) supérieur ; centrer l éprouvette sur l axe de traction et la positionner bien verticalement avant de fermer le mors. 11. Vérifiez que l éprouvette est bien centrée par rapport au mors du bas, puis fermer délicatement le mors du bas sur l éprouvette. 12. Lancer l essai de traction en cliquant sur le bouton < Début >. 13. Lorsque l essai est terminé (après la rupture de l éprouvette), sortez des mors les deux morceaux de la pièce. 14. Reprenez la démarche précédente à l étape 8 pour les autres échantillons. 15. Pour imprimer les courbes et les résultats, cliquez sur < Fichier >, puis sur l option < Imprimer le procès-verbal >, en utilisant l'imprimante <hp laserjet 1200>. Exploitation des résultats 1) Mettez les courbes des procès-verbaux en couleur, ajoutez les légendes et tracez le retrait élastique. Relevez vos résultats : longueur de référence initiale, section initiale, force maximale, allongement à la force maximale, force de rupture, allongement à la rupture mesuré par la machine, écartement initial entre les repères, écartement final entre les repères (mesuré en mettant les deux morceaux de la pièce bout à bout), dans un tableau permettant de comparer les 4 matériaux. 2) Décrivez les différents types de rupture observés. Vous pouvez vous aider des planches présentant des essais sur le PVC et l alliage d aluminium. 3) Pour les 4 éprouvettes, déterminez l allongement entre les mors après rupture (longueur finale mesurée entre les repères en mettant les deux morceaux de la pièce bout à bout) et comparez-le avec celui mesuré à la rupture par la machine (noté «Ar trav»). Pourquoi les deux valeurs ne correspondent-elles pas? Quelle propriété cela concerne-t-il? 4) Caractérisez les allongements après rupture des 4 échantillons par une grandeur propre au matériau, indépendante de la géométrie. Quelle propriété cela concerne-t-il? 5) Déterminez la limite élastique (Rp0,2) des quatre matériaux étudiés. Que signifie Rp0,2? A quelle propriété correspond cette grandeur? 6) Donnez les valeurs de la résistance à la traction des 4 matériaux. A quelle propriété correspond cette grandeur? 7) Tracez les courbes de traction conventionnelles (contrainte σ - déformation ε ) de chacun des 4 échantillons sur un même graphe. 8) Quelle autre grandeur mécanique pouvez-vous déduire des mesures? Calculez-la pour chacun des 4 matériaux. Quelle propriété cela concerne-t-il? Commentez les valeurs obtenues. 9) Calculez le coefficient de striction de chaque échantillon. Quelle propriété cela concerne-t-il? Ces résultats confirment-ils ceux concernant la déformation rémanente? 10) D après vos résultats, classez les 4 matériaux étudiés par ordre décroissant de : a) rigidité ; b) résistance ; c) ductilité.
ANNEXES TP Essai de Traction ANNEXE 1 : Types de ruptures Figure 5a : Rupture fragile : schématisation Figure 5b : Rupture fragile A gauche, rupture par clivage de fer à basse température : image macroscopique. A droite, rupture inter granulaire d un acier rompu par choc : image au microscope électronique à balayage (G. Henry). Figure 6a : Rupture ductile : schématisation Figure 6b : Rupture ductile A gauche, rupture ductile avec striction : aspect macroscopique. A droite, faciès de rupture ductile d un acier inoxydable : image au microscope électronique à balayage (IRSID).
ANNEXES TP Essai de Traction ANNEXE 2 : Comportement de divers matériaux σ = F / S 0 σ = F / S 0 élast. plastique élast. E E ε = Δ l / l 0 ε = Δ l / l 0 Figure 7a : Matériau ductile Figure 7b : Matériau fragile