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NOTE DE L'ÉDITEUR
Les normes ISO 179-2 de décembre 1997, ISO 179-2/AC1 de novembre 1998 et ISO 179-2/A1 de juin 2011 citées dans cet article ont été remplacées par la norme ISO 179-2 : Plastiques - Détermination des caractéristiques au choc Charpy - Partie 2: Essai de choc instrumenté (Révision 2020)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2005 (Juin 2020).
RÉSUMÉ
L’essai Charpy, proposé il y a plus d’un siècle, fait l’objet d’un regain d’intérêt du fait des développements expérimentaux et des progrès considérables effectués dans le domaine de la modélisation numérique du comportement, de l’endommagement et de la rupture des matériaux. La modélisation numérique permet actuellement de décrire convenablement le comportement élasto-viscoplastique des matériaux, la déchirure ductile et la rupture fragile dans le cadre de l’approche locale de la rupture.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Clotilde BERDIN : Maître de Conférences, École Centrale Paris
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Claude PRIOUL : Professeur à l’Université Paris 13 (IUT de Saint Denis)
INTRODUCTION
L’essai Charpy, proposé il y a plus d’un siècle, fait l’objet d’un regain d’intérêt du fait des développements expérimentaux et des progrès considérables effectués dans le domaine de la modélisation numérique du comportement, de l’endommagement et de la rupture des matériaux.
La modélisation numérique permet actuellement de décrire convenablement le comportement élasto-viscoplastique des matériaux, la déchirure ductile et la rupture fragile dans le cadre de l’approche locale de la rupture.
Un congrès, à l’occasion du centenaire de l’essai Charpy, a fait le point sur les développements de ses aspects expérimentaux et sur sa modélisation utilisée pour déterminer la transition ductile-fragile de différents matériaux. On souhaite, en général, en tirer des caractéristiques qui permettent le dimensionnement de structure et, en particulier, la résistance à la propagation de fissure, la ténacité.
Ce dossier présente quelques aspects de la modélisation numérique de l’essai Charpy et son utilisation pour prévoir la « ténacité » dans le cadre de l’approche locale de la rupture.
Pour modéliser l’essai Charpy, l’étude de l’influence des conditions suivantes est nécessaire :
-
caractérisation des champs mécaniques et développement de la plasticité ;
-
effets d’inertie ;
-
raideur de la machine d’essai ;
-
conditions de contact ;
-
prise en compte de l’élévation de température due à la déformation plastique et au chargement rapide ;
-
simulation bi ou tri-dimensionnelle ;
-
effet de la déchirure ductile.
On présente ensuite l’application de l’approche locale de la rupture pour prévoir la « ténacité » dans la transition ductile-fragile. On s’intéresse donc aux matériaux présentant de la rupture fragile et ductile, ainsi qu’une transition dans un domaine de température défini.
Les applications traitent du cas des métaux mais la démarche est générale. Dans un premier temps, il est nécessaire de déterminer précisément les variables mécaniques entrant dans le modèle de prévision de la rupture fragile. Ainsi, on présente d’abord la modélisation de l’essai de ténacité et de l’essai Charpy dans le bas de la transition ductile-fragile. On s’intéresse ensuite à l’influence de la déchirure ductile sur le déclenchement du clivage dans le domaine de la transition.
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5. Bilan et voies d’amélioration
La prévision de la distribution de ténacité à partir de la résilience par des approches non empiriques est donc possible. Elle nécessite la modélisation numérique des essais et, en particulier, celle de l’essai Charpy qui présente quelques difficultés.
On retiendra que la modélisation de l’essai Charpy dans la transition ductile-fragile nécessite au moins les conditions suivantes :
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un calcul élasto-viscoplastique (sans prise en compte des effets d’inertie) ;
-
la modélisation des contacts ;
-
la prise en compte de la déchirure ductile précédant le clivage ;
-
un calcul tri-dimensionnel.
Réaliser le calcul en conditions adiabatiques (avec un comportement dépendant de la température) permettra d’améliorer la modélisation. Avec ces hypothèses, on obtient une modélisation « satisfaisante » de cet essai, à savoir une évaluation correcte de la contrainte principale maximale qui sert à calculer la probabilité de rupture par clivage, tout en minimisant l’effort numérique (les calculs dynamiques ne sont pas nécessaires).
La prise en compte de la complaisance de la machine pourra se faire par une correction sur les valeurs de déplacements à rupture.
Pour les cas des faibles temps à rupture, le calcul dynamique en transitoire est nécessaire.
En revanche, pour des temps à rupture élevés, on pourra s’interroger sur les conditions thermiques liées à la dissipation de l’énergie de déformation plastique.
La procédure appliquée ensuite suit celle de l’approche locale de la rupture. On doit noter que celle-ci nécessite souvent une base expérimentale conséquente pour l’identification des paramètres des modèles.
Par ailleurs, l’utilisation de ces paramètres, identifiés sur un type d’essai et utilisés pour simuler un autre type d’essai (ou la rupture d’une structure industrielle), suppose implicitement que les mécanismes d’endommagement soient les mêmes.
On doit impérativement vérifier, au moins par des analyses fractographiques, que cette hypothèse est justifiée. Ce point est, sans doute, particulièrement critique pour la rupture par clivage : des résultats montrent que ces mécanismes peuvent évoluer avec la température ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FRANCOIS (D.), PINEAU (A.) - From Charpy to present impact testing. - ESIS Pub. 30, Elsevier, 483 p. (2002).
-
(2) - BESSON (J.) - Local approach to fracture. - Les presses de l’École des Mines de Paris, 428 p. (2004).
-
(3) - BERDIN (C.), HAUSILD (P.) - Damage mechanisms and local approach to fracture, part. I, Ductile fracture. - In Transferability of fracture mechanical characteristics, eds DlouhΔ I., Kluwer academic publishers, 167-180 (2002).
-
(4) - HAUSILD (P.), BERDIN (C.) - Damage mechanisms and local approach to fracture, part. II, Brittle fracture prediction in the ductile-to-brittle transition. - In Transferability of fracture mechanical characteristics, eds DlouhΔ I., Kluwer academic publishers, 181-192 (2002).
-
(5) - BEREMIN (F.M.) - A local criterion for cleavage fracture. - Metallurgical Transactions, 14A, 2277-2287 (1983).
-
(6) - TANGUY (B.), BESSON (J.),...
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