Test de déplacement d’ouverture de pointe de fissure (CTOD)

Qu’est-ce que le test CTOD?

Le test CTOD est utilisé pour déterminer la ténacité à la rupture (résistance à la fracture) d’un matériau avec une fissure artificielle, et un test pour déterminer le déplacement de l’ouverture de la pointe de fissure pour générer une fracture instable (valeur CTOD limite). Il est généralement réalisé en chargeant une éprouvette CTOD sur un système de flexion 3 points comme illustré dans la figure 1 ci-dessous. Ces essais sont réalisés à l’aide d’une éprouvette pleine épaisseur contenant une encoche usinée qui se prolonge par fissuration par fatigue.

Lorsqu’un matériau présentant un défaut reçoit une charge, une fissure se propage rapidement à partir du défaut, entraînant une rupture à une certaine plage de température (fracture instable).

Disposition d'essai CTOD
Figure 1. Disposition d’essai CTOD

Normes d’essai CTOD

  • BS 7448 (Partie 1-4) : Essais de ténacité mécanique à la rupture
  • ISO 12135 : Matériaux métalliques – Méthode d’essai unifiée pour la détermination de la ténacité quasistatique à la rupture
  • ASTM E 1820 : Méthode d’essai standard pour la mesure de la ténacité à la rupture
  • WES 1108 :  Méthode d’essai standard pour la mesure de la ténacité à la rupture par déplacement d’ouverture de pointe de fissure (CTOD)
  • BS7910 : Guide sur les méthodes d’évaluation de l’acceptabilité des défauts des structures métalliques.
  • ISO 15653 : Matériaux métalliques – Méthode d’essai pour la détermination de la ténacité quasistatique à la rupture des soudures

CTOD Préparation des échantillons

Pour préparer une éprouvette pour un essai CTOD, une encoche est usinée au centre de l’éprouvette, puis une véritable fissure de fatigue est soigneusement induite à la base de l’entaille. La fissure doit être suffisamment longue pour traverser toute zone présentant une déformation plastique causée par le processus d’usinage. L’encoche est illustrée dans la figure ci-dessous.

CTOD Éprouvette d'essai

CTOD Éprouvette d'essai

Importance du test CTOD

Le test CTOD forme spéciale de test de ténacité à la rupture utilisé lorsqu’une certaine déformation plastique peut se produire dans le matériau avant la rupture. Cela permet à la pointe d’une fissure de s’étirer et de s’ouvrir, ce qui est également appelé « déplacement de l’ouverture de la pointe ».

Contrairement à l’éprouvette Charpy-V carrée peu coûteuse de 10 mm sur 10 mm avec une encoche en V usinée tranchante, l’échantillon CTOD peut avoir toute l’épaisseur du matériau, contiendra une véritable fissure et sera chargé à un taux plus représentatif des conditions de service réelles . Habituellement, trois tests sont effectués à la température appropriée pour assurer la cohérence des résultats CTOD.

L’éprouvette elle-même est « proportionnelle » – la longueur, la profondeur et l’épaisseur de chaque éprouvette sont interdépendantes de sorte que, quelle que soit l’épaisseur du matériau, chaque éprouvette ait les mêmes proportions.

Test CTOD

Charpy V Notch vs CTOD

Le test de ténacité le plus couramment utilisé est le test CVN. Elle est réalisée en prélevant plusieurs petits échantillons usinés sur l’éprouvette et en les cassant avec impact à la température minimale de fonctionnement de la pièce. Le test CVN est un test relativement peu coûteux et simple qui mesure des valeurs qualitatives.

Les résultats d’un test CVN vérifient que la température de fonctionnement n’est pas tombée en dessous de la température de transition ductile-fragile du matériau. Pourquoi est-ce important? Parce que lorsqu’un matériau est utilisé en dessous de cette température, il est sujet à une rupture fragile. Une défaillance fragile signifie qu’il y aura peu ou pas d’avertissement avant que le matériau ne tombe en panne de manière catastrophique. Ceci est similaire à un morceau de verre ou à un brise-glace lorsqu’une force est appliquée. Ce type de mécanisme de défaillance doit être évité à tout prix.

Les tests CTOD sont effectués sur un échantillon représentatif de l’épaisseur réelle d’une pièce (ou mis à l’échelle de manière appropriée) et soumis à des conditions de charge et des températures en service. La pièce d’essai comporte une ouverture usinée ainsi qu’une fissure de fatigue de dimensions connues. La pièce est ensuite placée sous une charge progressive, reflétant les conditions de service jusqu’à ce que la fissure s’ouvre ou se clive suffisamment, ce qui peut être une rupture partielle ou complète.

Quelles propriétés obtenons-nous d’un test CTOD ?

L’information qui nous intéresse est la charge à la rupture, le déplacement de l’ouverture (largeur) au moment où la fissure s’est propagée. Ces informations, ainsi que les données de charge/déplacement collectées tout au long du chargement d’essai, sont ensuite utilisées pour déterminer la ténacité du matériau. Il y a beaucoup plus d’analyses des variables de test, qui simulent les conditions requises pour des tests CTOD précis, mais ce n’est pas l’objet de cette colonne.

Les résultats d’un test CTOD peuvent aider à déterminer ou à prédire quand les réparations nécessaires sont nécessaires à une structure. Dans de nombreux cas, une petite fissure dans une structure ne signifie pas qu’elle va échouer ou qu’elle nécessite une réparation immédiate. Être capable de planifier les réparations lorsque cela est jugé nécessaire peut faire gagner du temps et potentiellement des dizaines de milliers de dollars ou plus en perte de production. Le test CTOD permet d’économiser les temps d’arrêt et les réparations inutiles, et il réduit les coûts globaux de maintenance d’une structure.