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Article

1 - MÉCANISMES DE RUPTURE

2 - NOTION DE TEMPÉRATURE DE TRANSITION DE DUCTILITÉ

3 - ESSAIS DE CHOC AU MOUTON-PENDULE

4 - ESSAIS DE CHOC SUR GRANDES ÉPROUVETTES

5 - CORRÉLATIONS ENTRE RÉSULTATS D'ESSAIS

6 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : M4165 v1

Essais de choc au mouton-pendule
Essais de rupture - Essais par choc

Auteur(s) : Dominique FRANÇOIS

Date de publication : 10 déc. 2007

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RÉSUMÉ

Cet article traite des ruptures brutales qui interviennent au cours du chargement ou en fin de durée de vie lorsque les fissures à croissance lente atteignent une valeur critique. Après une description succincte des mécanismes de rupture brutale, la transition de ductilité des aciers ferritiques est présentée, avec un accent sur les facteurs influençant cette rupture et notamment la notion de température de transition fragile-ductile. Les essais de rupture par choc sont ensuite présentés, depuis les essais Charpy jusqu’aux essais utilisant des éprouvettes de plus grande taille.

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ABSTRACT

This article discusses the sudden breaks that occur during loading or end of life, when the slow-growing cracks reach a critical value. After a brief description of sudden fracture mechanisms, the transition of ferritic steels is presented, with emphasis on the factors influencing this fracture, including the notion of a ductile–brittle transition temperature. The damage by impact tests are subsequently presented, from Charpy tests through to testing using larger specimens.

Auteur(s)

INTRODUCTION

Les ruptures en service sont extrêmement coûteuses : lorsqu'elles surviennent, si par bonheur elles n'entraînent pas de pertes de vie humaine, en plus du remplacement des équipements détériorés, il convient de compter les heures et les productions perdues, l'image de marque abîmée, les marchés disparus... À titre d'exemples, la rupture de boulons du système de commande du gouvernail de l'Amoco Cadiz a provoqué son naufrage le 16 mars 1978 et la marée noire dont on se souvient ; la rupture de la cloison étanche de la queue du Boeing 747 du vol 123 de Japan Airlines a entraîné le 12 août 1985 la perte du contrôle de l'appareil et la mort de 120 personnes ; la rupture de la jante d'une roue a provoqué le 3 juin 1998 le déraillement du train à grande vitesse ICE Wilhem Conrad Röntgen près de Eshede en Allemagne, faisant 101 morts et une centaine de blessés.

Ces ruptures surviennent sous l'effet des sollicitations que supportent les pièces excédant la résistance à la rupture des matériaux dont elles sont constituées. Il importe évidemment de connaître le mieux possible cette dernière propriété, qui dépend de divers facteurs : température, vitesse de déformation, environnement.

Aussi de nombreux essais ont-ils été imaginés pour évaluer la résistance à la rupture des matériaux et certains d'entre eux sont depuis longtemps couramment pratiqués dans l'industrie. Pour en bien apprécier la portée et les limites, il est nécessaire de comprendre les mécanismes de rupture qui interviennent. Cela permet d'apprécier l'intérêt des essais de choc sur éprouvettes entaillées mis au point notamment par Georges Charpy il y a une centaine d'années [1]. Ces essais procurent des données précieuses pour évaluer la résistance à la rupture des matériaux sous forme de la résilience, énergie absorbée lors du choc. Ils permettent, tout particulièrement, de déterminer le risque de rupture fragile des aciers, aux températures inférieures à la température de transition fragile-ductile. Ils sont particulièrement utiles pour les constructions soudées. Simples à mettre en œuvre et peu coûteux, les essais Charpy sont donc extrêmement répandus et conservent une très grande utilité (voir « Relation résilience-ténacité. Apports de la modélisation numérique » [M 4 168]).

La résilience ainsi mesurée n'est qu'une donnée qui n'est pas transposable à une structure réelle. Elle ne donne qu'une indication relative. Les essais Charpy ont été instrumentés de façon à en tirer des données plus quantitatives fournies par l'enregistrement de la variation de l'effort exercé par le marteau au cours du choc (norme ISO 148-1).

La principale difficulté de transposition des résultats de résilience des essais Charpy tient à l'effet de taille, une structure de forte épaisseur étant plus fragile que les petites éprouvettes Charpy. Aussi, des essais utilisant des éprouvettes prélevées dans les tôles ou les produits devant réellement servir à la construction ont-ils été imaginés. Ils procurent par exemple la température de ductilité nulle d'un acier, désignée par l'acronyme NDT de l'anglais « nil ductility temperature ».

Dans cet article, nous n'envisageons que les ruptures brutales, celles qui surviennent au cours du chargement ou en fin de durée de vie lorsque les fissures à croissance lente atteignent une valeur critique. Nous excluons donc les essais destinés à apprécier les risques de rupture différée, par fatigue, par corrosion sous contrainte, par fluage. Ils sont abordés dans d'autres articles :

  • Essais de fatigue [M 4 170] [M 4 171] ;

  • Essais de fatigue-corrosion [M 135] ;

  • Essais de fluage [M 140].

Après une description succincte des mécanismes de rupture brutale, nous montrons pourquoi les aciers ferritiques présentent une transition de ductilité et nous mettons en évidence les facteurs qui ont une influence sur cette rupture. Nous développons alors la notion de température de transition fragile-ductile. Puis nous décrivons les essais de rupture par choc en commençant par les essais Charpy pour ensuite passer aux essais utilisant des éprouvettes de plus grande taille.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m4165


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3. Essais de choc au mouton-pendule

3.1 Intérêt des essais de choc au mouton-pendule

Instinctivement, pour casser un morceau de métal, nous tapons dessus à coups de marteau. Cette action intuitive est bien justifiée, car la déformation à grande vitesse provoquée par le choc entraîne une augmentation de la limite d'élasticité et, corrélativement, de la résistance à l'instabilité plastique, de la déformation de rupture, et une diminution de la contrainte de clivage pour les métaux cubiques centrés ou hexagonaux. La sollicitation par choc augmente donc la fragilité. À la fin du XIXe siècle, sollicités par des éclatements de chaudières à vapeur, des ingénieurs ont cherché à mettre au point des essais de rupture par choc. La chute d'une masse d'une hauteur donnée permet d'exercer un choc calibré sur une éprouvette, mais, lorsqu'elle produit la rupture, aucune indication n'est fournie sur l'énergie que cette dernière a consommée. Il faut alors faire des essais comparatifs, par exemple à diverses températures. L'utilisation d'un mouton pendule a procuré le moyen de déterminer précisément cette énergie de rupture en comparant la hauteur de chute à celle de remontée du pendule après rupture de l'éprouvette heurtée au passage du marteau.

Par ailleurs, nous avons vu que la présence d'une entaille augmente la limite d'élasticité par effet de confinement de la déformation plastique. Les entailles, comme l'intuition le suggère une fois encore, ont un effet fragilisant. Or, les structures comportent des variations de forme, des trous, voire des fissures accidentelles, qui sont le siège de concentrations de contraintes et de confinement de la plasticité. Il importe donc, pour se mettre à l'abri des ruptures, d'effectuer des essais dans les conditions les plus sévères possible et donc de les faire sur des éprouvettes entaillées. De plus, dans le même ordre d'idée, les entailles devraient être aussi aiguës que possible. À la limite, il serait judicieux d'utiliser des éprouvettes préfissurées. Comme il est néanmoins plus facile de réaliser des entailles par usinage, de nombreuses formes ont été expérimentées : entailles en U, en trou de serrure par exemple. Un accord très général s'est maintenant dégagé pour l'utilisation de l'éprouvette Charpy avec entaille en V. Les essais de choc sur de telles éprouvettes sont normalisés (ISO 148-1). C'est uniquement cet essai qui...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - FRANÇOIS (D.), PINEAU (A.) -   From Charpy to Present Impact Testing  -  . ESIS publication, 30, Elsevier (2002).

  • (2) - FRANÇOIS (D.), PINEAU (A.) -   Physical Aspects of Fracture  -  . NATO Science series (2001).

  • (3) - PINEAU (A.) -   Physical Mechanisms of Damage  -  , in BESSON (J.). – Local Approach to Fracture. Les Presses de l'École des Mines, Paris (2004).

  • (4) - FRANÇOIS (D.), PINEAU (A.), ZAOUI (A.) -   Comportement mécanique des matériaux  -  . Hermès, Paris (1994).

  • (5) - FRANÇOIS (D.), PINEAU (A.), ZAOUI (A.) -   Mechanical Behaviour of Materials  -  . Kluwer Acad. Pub., Dordrecht (1998).

  • (6) - TANGUY (B.) -   Testing  -  , in BESSON (J.). – Local Approach to Fracture. Les Presses de l'École des Mines, Paris (2004).

  • ...

NORMES

  • Matériaux métalliques. Essai de flexion par choc sur éprouvettes Charpy. Partie 1 : méthode d'essai - NF EN 10045-1 - 10- 90

  • Matériaux métalliques. Essai de flexion par choc sur éprouvettes Charpy. Partie 2 : vérification de la machine d'essai (mouton- pendule) - NF EN 10045- 2 - 12-92

  • Matériaux métalliques. Essai de flexion par choc sur éprouvette Charpy. Partie 1 : méthode d'essai - ISO 148- 1:2006 - 2-06

  • Vérification des machines d'essai par choc (moutons-pendules) pour l'essai des aciers - ISO 148- 2:1998 - 12-98

  • Matériaux métalliques. Essai de flexion par choc sur éprouvette Charpy. Partie 3 : préparation et caractérisation des éprouvettes de référence Charpy V pour la vérification des machines d'essai (mouton-pendule) - ISO 148-3:1998 - 12-98

  • Matériaux métalliques. Méthode unifiée d'essai pour la détermination de la ténacité quasi statique - ISO 12135:2002 - 12-02

  • ...

ANNEXES

  1. 1 Organisme

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