caracterisation des materiau
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methode pour caractériserTRANSCRIPT
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Mthodes de caractrisation mcanique des matriaux
Marc Bltry
2006-2007
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Table des matires
1 Introduction 2
2 Essais mcaniques uniaxiaux 3
2.1 Fluage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Essais de traction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Essais dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Essais multiaxiaux 12
3.1 Traction biaxiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 Traction-torsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4 Essais d'indentation 14
4.1 Macroduret . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2 Microduret . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.3 Nanoduret (indenteur Berkovitch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5 Essais de fatigue 17
5.1 Eprouvettes et essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.2 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
6 Caractrisation de la rupture 20
6.1 Essais de rsilience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6.2 Mesure de tnacit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6.3 Contrle non destructif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
A Extensomtrie 25
A.1 Extensomtrie avec contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
A.2 Extensomtrie sans contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
B Mesures de champs cinmatiques : corrlation d'images 28
B.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
B.2 Aspects pratiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
C Pour aller plus loin 30
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Chapitre 1
Introduction
Les essais mcaniques sont l'tape indispensable pour accder aux grandeurs caractristiques des
matriaux, du module d'Young la limite d'lasticit, en passant par la tnacit ou la rsistance
la fatigue, et ce dans des conditions variables, par exemple de temprature ou de vitesse de
sollicitation.
Le propos de ce document est de prsenter les techniques exprimentales les plus couramment
utilises, aussi bien dans les laboratoires universitaires qu'industriels, pour caractriser le com-
portement mcanique des matriaux. Les techniques abordes seront : les essais uniaxiaux (quasi-
statiques et dynamiques), les essais multiaxiaux, les mesures d'indentation, les essais de fatigue
et les techniques gravitant autour du phnomne de rupture. En outre, les annexes apportent un
complment sur les mthodes de mesure de la dformation et de la contrainte.
Il s'agit ici de donner les grandes ides et les modes opratoires propres chacune des techniques
abordes, sans entrer dans trop de dtails, chacune d'entre elles pouvant faire l'objet d'un ou de
plusieurs ouvrages elle toute seule. L'intention de ce document est de donner un "bon sens
physique" au futur ingnieur sur ce que l'on peut mesurer, comment et avec quelle prcision, dans
un temps relativement restreint, l'annexe C la n de ce document s'eorant de proposer quelques
pistes pour aller plus loin.
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Chapitre 2
Essais mcaniques uniaxiaux
La caractrisation des lois de comportement des matriaux sur une plage de vitesses importante
implique d'utiliser des techniques varies, avec des prcautions propres chacune d'entre elles. Les
rsultats sont d'exploitation plus ou moins aise, et l'on distinguera les essais quasistatiques des
essais dynamiques. Les premiers permettent, par leur caractre uniaxial, une exploitation relative-
ment directe des rsultats, alors que les seconds, qui impliquent des vitesses de dformation leves,
imposeront une modlisation qui prend en compte la propagation des ondes lastiques dans les ma-
triaux et pourront imposer l'utilisation des lments nis an d'tre "proprement" compris. La
gure 2.1 prsente les techniques utiliser en fonction de la vitesse de dformation laquelle la loi
de comportement du matriau doit tre value.
Toutes ces techniques ne peuvent pas non plus mettre en jeu les mmes nergies, comme le
montre l'image de gauche de la gure 2.1, et ne permettent donc pas de caractriser des chantillons
de mme taille. Certaines d'entre elles sont trs consommatrices de matire, ce qui peut poser des
problmes de cot ou de faisabilit, alors que d'autres peuvent tre pnalisantes en ne permettant
pas de tester des chantillons de taille satisfaisante. Tout cela dpend, bien sr, de ce que l'tude
est appele caractriser.
Fig. 2.1: Image de gauche : gamme d'nergies atteignables par les direntes techniques de carac-
trisation. Image de droite : techniques utiliser en fonction de la plage de vitesse de dformation
vise (tir de [ec01]).
Dans ce chapitre, nous allons prsenter quatre types d'essai : les essais de uage et l'essai de
traction (quasistatique) d'un usage trs rpandu, alors que les deux autres, traction grande vitesse
et essais Hopkinson, par leur complexit de mise en uvre, se rencontrent plutt dans le cadre des
laboratoires de recherche.
2.1 Fluage
Le uage d'un matriau se produit haute temprature et correspond un rgime de d-
formation lente, sous charge constante, la contrainte tant potentiellement infrieure la limite
d'lasticit. Ces essais intressent donc les domaines o les matriaux sont soumis des tempra-
tures leves, tels que l'aronautique ou le nuclaire.
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Les essais de uage ncessitent l'usage d'une machine de mise en charge, d'un four et d'un
extensomtre. Dans le cas des mtaux, les essais de uage sont le plus souvent eectus en trac-
tion, quoique des essais de compression sont galement possibles pour des matriaux fragiles, le
risque d'endommagement tant plus limit dans ce mode (les ssures perpendiculaires l'axe de
sollicitation ne pouvant pas se dvelopper).
2.1.1 Eprouvettes
Les prouvettes de uage sont analogues celles utilises en pour les essais de traction uniaxiale
ordinaires : prouvettes cylindriques ou plates, encore que d'autres gomtries peuvent tre utilises
selon la disponibilit du matriau ou les contraintes gomtriques. Il est prfrable, toutefois,
tant donne la faible vitesse de dformation, de disposer d'prouvettes relativement longues pour
augmenter la prcision de la mesure du dplacement.
2.1.2 Dispositif d'application de la charge
Lors d'une exprience de uage, il est plus courant de travailler charge qu' contrainte
constante, toutefois il est possible d'eectuer des essais contrainte constante, ce qui implique
de faire varier la charge applique au fur et mesure de la dformation de l'chantillon. Les dispo-
sitifs de uage sont gnralement composs d'un poids et d'un bras de levier reli un mors sur
lequel l'prouvette est xe (cf. gure 2.2 pour une photo d'un montage de uage type). Il peut
tre ncessaire, pour conserver l'quilibre de cette balance, de disposer d'un moteur qui compense
l'longation de l'prouvette, les dispositifs correctement conus pouvant tout de mme assurer une
prcision satisfaisant les normes pour des angles du bras de levier de l'ordre de 10
. Il faut por-
ter une attention particulire l'alignement des ttes d'amarrage, an de limiter les moments de
exion imposs l'prouvette (la norme ASTM recommende un dformation en exion infrieure
10 % de la dformation axiale).
Une tape sensible de l'essai de uage est la mise en charge qui doit tre accomplie de faon
soigne pour viter de perturber l'essai. L'prouvette doit dj tre la temprature de l'essai
pour cette opration. La mise en charge peut tre ralise soit de manire "instantanne" pour
s'approcher de la courbe thorique de uage, mais cela peut entraner une perturbation du dis-
positif de mesure de la dformation ou un eet de choc sur l'prouvette qui entrane l'apparition
d'un transitoire. Autrement, on peut procder un chargement progressif qui a l'avantage d'tre
reproductible, soit par paliers discontinus (ajout de masses), soit en augmentant continment la
charge, typiquement l'aide de petites billes de plomb.
Fig. 2.2: Dispositif d'essai de uage (tir de [Han]).
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2.1.3 Four
Les fours utiliss sont en gnral des fours tubulaires rsistance lectrique qui chaue par
radiation. Les variations de temprature ayant un impact fort sur les rsultats de uage, il est
important d'assurer un contrle prcis de la temprature (la norme xe une variation maximale
de 1,7 C au-dessous de 980 C et 2,8 C au-dessus. La monte en temprature elle seulepeut durer plusieurs heures pour viter de dpasser la temprature d'essai, ce qui invaliderait
les rsultats. La mesure de temprature est gnralement eectue par un thermocouple x sur
l'chantillon. Les prouvettes longues peuvent imposer d'utiliser plusieurs thermocouples an de
s'assurer de l'homognit de la temprature.
2.1.4 Mesure du dplacement
La mesure du dplacement est eectue par extensomtrie. L'annexe A.1 dtaille les direntes
techniques d'extensomtrie existantes. Dans le cas des essais de uage, la temprature leve interdit
le plus souvent de placer l'extensomtre directement dans le four et on utilise un systme de tiges
capables de supporter la temprature d'essai, transfrant la dformation un LVDT (cf annexe
??) comme prsent sur la gure 2.3. Il est aussi possible de faire appel de l'extensomtrie sans
contact, ce qui implique de disposer d'une fentre dans le four pour suivre la dplacement des
points de la surface pris comme repres.
Fig. 2.3: Dispositif de mesure de la dformation pour essai de uage (tir de [Han]).
2.1.5 Rsultats types
Typiquement, le uage des matriaux prsente trois phases : le uage primaire, pendant lequel la
vitesse de dformation dcroit continment, le uage secondaire, vitesse de dformation minimum,
et enn le uage tertiaire pendant lequel la vitesse de dformation augmente jusqu' la rupture de
l'chantillon. La gure 2.4 prsente une courbe type d'essai de uage.
Fig. 2.4: Courbe type de uage.
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2.2 Essais de traction
L'essai de traction constitue un des essais les plus utiliss pour la caractrisation mcanique
des matriaux. Etant purement uniaxial du moins tant qu'il n'y a pas de striction (diminution
catastrophique de la section de l'prouvette au centre de celle-ci), il permet de s'aranchir des
mthodes de calcul inverse pour aboutir directement une loi de comportement uniaxiale. Il permet
de dterminer de nombreuses grandeurs normalises, comme la contrainte rupture, la contrainte
maximale, la limites d'lasticit, etc. ncessaires dans les calculs de structure. Nous donnons ici
tout d'abord la description gnrale d'une machine de traction, puis des lments concernant les
prouvettes, les mesures de dformation et de charge applique.
Fig. 2.5: Image de gauche : prouvettes de traction plates et cylindriques ; les extrmits sont plus
paisses pour moins se dformer, elles se raccordent la section utile (plus troite et longue pour
obtenir un tat de contrainte rellement uniaxial) par des congs usins de faon viter de trop
fortes concentrations de contraintes (donc avec un rayon de courbure aussi grand que possible).
Image de droite : exemple de dispositif de traction du Centre des Matriaux.
2.2.1 Description gnrale d'une machine de traction
Une machine de traction est constitue d'un bti portant une traverse mobile. L'prouvette de
traction, visse ou enserre entre des mors, selon sa gomtrie, est amarre sa partie infrieure
la base de la machine et sa partie suprieure la traverse mobile (dans le cas d'une machine
mcanique) ou au vrin de traction (dans le cas d'une machine hydraulique). Le dplacement de la
traverse vers le haut ralise la traction. Une machine de traction comporte une cellule de charge,
qui permet de mesurer l'eort appliqu l'prouvette et le dplacement de l'prouvette peut tre
suivi de diverses faons. Les dispositifs exprimentaux sont gnralement asservis et peuvent tre
pilots vitesse de monte en charge, charge constante, vitesse de dformation constante, etc.
selon ce qui peut tre propos par le systme de pilotage.
2.2.2 Eprouvettes
Les prouvettes de traction adoptent deux gomtries : cylindrique ou plate. La section doit tre
constante sur une longueur susante pour obtenir un tat de contrainte homogne pendant l'essai.
Aux deux extrmits sont usines des ttes d'amarrage avec des rayons de courbures susamment
grands pour viter des concentrations de contrainte excessives. Dans le cas des prouvettes plates,
le centrage de l'prouvette peut devenir problmatique si des trous calibrs ne sont pas percs dans
les ttes.
2.2.3 Mesure du dplacement
La mesure du dplacement peut se faire de deux faons : soit en mesurant le dplacement de la
traverse, soit en plaant un dispositif de mesure sur la section utile de l'prouvette. Les mesures
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peuvent atteindre une prcision d'environ 1 0,1 m avec les dispositifs les plus sensibles, horsmesures de champs.
Dplacement de la traverse
Cette mthode de mesure implique l'ensemble de l'prouvette, et donc des zones o l'uniaxialit
de la contrainte n'est pas vrie, ce qui introduit une erreur dans la mesure. En outre, lorsque le
dplacement est valu directement grce celui de la traverse, la raideur de la machine intervient
dans les rsultats de dformation obtenus : elle se comporte comme un ressort de raideur K (N/m)
en srie avec l'prouvette. Si la force mesure par la cellule de charge est F, v le dplacement de latraverse ou du vrin, L0 la longueur initiale de l'prouvette et la dformation, on peut crire :
L/L0 + F/(KL0) = v/L0 (2.1)
Si K est grand, il est clair que la dformation mesure est proche de celle du matriau test : il faut
donc disposer d'une machine aussi raide (ou "dure") que possible. Plus la machine sera molle, plus
les rsultats direront du comportement vrai du matriau, au point de masquer des phnomnes
comme des chutes de la charge. L'quation 2.1 se drive en :
F = vS0L0
d
d
(1 +
1K
S0L0
d
d
)1(2.2)
o d/d reprsente l'crouissage. Dans le cas o le matriau prsenterait un adoucissement (d/d