Test d’impact Charpy V Notch et test Charpy vs Izod

Qu’est-ce que la ténacité ?

Avant d’examiner les essais d’impact, définissons d’abord ce que l’on entend par « résistance » puisque l’essai d’impact n’est qu’une méthode par laquelle cette propriété du matériau est mesurée. La ténacité est, en gros, une mesure de la quantité d’énergie nécessaire pour provoquer la rupture et la défaillance d’un élément – une pièce d’essai ou un pont, ou un récipient sous pression. Plus il faut d’énergie, plus le matériau est résistant. 

Qu’est-ce que le test de barre ou d’impact Charpy V Notch ?

Test Charpy V-Notch (nommé d’après le professeur Georges Charpy) effectué avec un ensemble de 3 échantillons usinés standard (encochés) et les casser avec une charge d’impact (taux de déformation élevé) à la température de fonctionnement minimale. selon les spécifications matérielles. Le test CVN mesure la quantité d’énergie absorbée lors de la rupture ; qui est une mesure de la résistance à l’entaille du matériau. Ce test est particulièrement utile pour les aciers ferritiques qui présentent un comportement de transition ductile à fragile (DBTT) avec une température décroissante. Par conséquent, il est important de connaître la ténacité Notch au minimum. température spécifiée. pour s’assurer que le matériau sélectionné est adapté à une application particulière pendant mini. température de service de conception.

L’aire sous une courbe contrainte/déformation produite à partir d’un essai de traction est une mesure de la ténacité de l’éprouvette dans des conditions de charge lente. Cependant, dans le cadre d’un essai de choc, nous examinons la ténacité à l’entaille, une mesure de la résistance du métal à la rupture fragile ou rapide en présence d’un défaut ou d’une entaille et des conditions de chargement rapide.
C’est pendant la Seconde Guerre mondiale que l’attention s’est portée sur cette propriété de « ténacité à l’entaille » due à la rupture fragile des Liberty Ships entièrement soudés, alors en construction aux USA. A partir de ce travail, la science de la ténacité à la rupture s’est développée et a donné lieu à une série de tests utilisés pour caractériser la « ténacité à l’entaille » dont fait partie le test Charpy-V décrit dans cet article.

Importance du test Charpy V Notch ou de ténacité

Pourquoi l’encoche Charpy V ou le test de ténacité est-il si important ?

Parce que lorsqu’un matériau est utilisé en dessous de la température de transition fragile ductile ou également appelée température DBTT, 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. Ce type de mécanisme de défaillance doit être évité à tout prix.

Fracture fragile et ductile dans l’essai d’impact Charpy

Si l’échantillon fracturé par CVN présente une fracture plate et brillante sans lèvre de cisaillement, on parle alors de fracture fragile, sinon les bons matériaux ductiles présentent un aspect gris terne et rugueux avec des lèvres de cisaillement. Comme le montre la figure ci-dessous, l’échantillon A a une fracture ductile, l’échantillon B est un mélange de ductile et cassant et l’échantillon C a une fracture fragile.

Facteurs affectant la ténacité d’un matériau

Plusieurs variables ont une influence essentielle sur la ténacité du matériau, et ce sont les suivantes : 

  • Température
  • Taux de déformation ou taux de chargement
  • Effet d’entaille

Vous devez savoir que le métal peut posséder un niveau de ténacité satisfaisant sous des charges statiques, mais il peut échouer sous certaines charges dynamiques ou même un impact. Si nous pouvons parler d’une règle générale, à la fois la ductilité et la ténacité peuvent diminuer tandis que le taux de chargement augmente. La température est une autre variable qui a une influence essentielle sur la ténacité du matériau. Lorsque la température baisse, la ductilité et la ténacité diminuent. La dernière variable est appelée effet d’entaille, et cela est dû à la répartition du stress. Parfois, un matériau qui peut afficher une ténacité élevée lorsque la contrainte que nous appliquons est uniaxiale. Pourtant, lorsque l’on utilise une pression multiaxiale en présence d’une encoche, le matériau ne peut pas résister aux deux types de déformation : à la fois plastique et élastique, dans des directions diverses. 

Procédure d’essai d’impact

Pour effectuer l’essai, l’éprouvette standard est appuyée à ses deux extrémités sur une enclume et frappée sur la face opposée à l’encoche par un pendule comme indiqué dans l’animation de droite. L’échantillon est fracturé et le pendule se balance, la hauteur de l’oscillation étant une mesure de la quantité d’énergie absorbée lors de la fracturation de l’échantillon.
Classiquement, trois spécimens sont testés à n’importe quelle température, et les résultats sont moyennés.

essai de choc

La ténacité d’un matériau définit sa capacité à absorber l’énergie avant qu’il ne se brise. La ténacité aux chocs peut être déterminée avec un test Charpy. L’essai consiste en la rupture d’une éprouvette par une seule surcharge par un pendule. Un pointeur est utilisé pour mesurer dans quelle mesure le pendule oscille après avoir heurté l’échantillon. L’énergie absorbée par l’éprouvette est calculée à partir de cette valeur, qui est la ténacité au choc.

 Schéma du test Izod et du test Charpy
Figure 1. Schéma du test d’Izod et du test de Charpy

Spécimen d’essai pour l’essai d’impact Charpy

Spécimen CVN

Le spécimen Charpy peut être utilisé avec l’un des trois types différents d’encoche, un “trou de serrure”, un “U” et un “V”. Le trou de serrure et l’encoche en U sont utilisés pour le test de matériaux fragiles tels que la fonte et pour le test des plastiques.
L’éprouvette à encoche en V est l’éprouvette de choix pour les essais de soudure et c’est celle dont il est question ici.
L’échantillon Charpy-V standard, illustré dans la figure ci-dessous, mesure 55 mm de long, 10 mm de côté et possède une encoche de 2 mm de profondeur avec un rayon de pointe de 0,25 mm usiné sur une face.

Spécimen CVN

Normes d’essai d’impact Charpy

  1. ASTM E23 : Essais d’impact de barres entaillées de matériaux métalliques
  2. DIN EN ISO 148-1 2011 : méthode d’essai d’essai de choc au pendule Charpy partie 1
  3. EN 10045-1 : Essai de choc Charpy sur matériaux métalliques – Méthode d’essai
  4. EN-875 : Essai de choc Charpy sur soudures
  5. ISO 9016 : Essais destructifs sur les soudures des matériaux métalliques – essai de choc – emplacement des éprouvettes, orientation des entailles et examen.
  6. ASTM E2248 – 18 : Méthode d’essai standard pour l’essai d’impact des spécimens miniaturisés Charpy V-notch.

Transition ductile à fragile dans les essais d’impact

Une caractéristique des aciers au carbone et faiblement alliés est qu’ils présentent un changement de comportement à la rupture lorsque la température chute avec le mode de rupture passant de ductile à fragile.
Si l’essai d’impact est effectué sur une plage de températures, les résultats de l’énergie absorbée en fonction de la température peuvent être tracés pour donner la courbe « S » illustrée dans la figure ci-dessous.

Courbes schématiques d'énergie Charpy-V et de % d'âge de cristallinité
Courbes schématiques d’énergie Charpy-V et de % d’âge de cristallinité

Cela montre que la rupture de ces types d’aciers passe d’être ductile sur le plateau supérieur à fragile sur le plateau inférieur lorsque la température diminue, en passant par une zone de transition où la rupture sera mélangée.
De nombreuses spécifications parlent d’une température de transition, une température à laquelle le comportement de rupture passe de ductile à cassant. Cette température est souvent déterminée en sélectionnant, de manière assez arbitraire, la température à laquelle le métal atteint une valeur d’impact de 27 Joules – voir, par exemple, les exigences d’essai d’impact de la norme EN 10028 Partie 2 Acier pour applications sous pression.
Ce que montre la courbe, c’est qu’une rupture ductile absorbe une plus grande quantité d’énergie qu’une rupture fragile dans le même matériau. Connaître la température à laquelle le comportement de rupture change est donc d’une importance cruciale lorsque la température de service d’une structure est prise en compte – idéalement, en service, une structure devrait fonctionner à des températures de plateau supérieur.

La forme de la courbe en S et les positions des étagères supérieure et inférieure sont toutes affectées par la composition, les conditions de traitement thermique, que l’acier ait été soudé ou non, l’apport de chaleur de soudage, les consommables de soudage et un certain nombre de facteurs supplémentaires. Tous les facteurs doivent être contrôlés si une bonne ténacité à l’entaille est requise. Cela signifie qu’un contrôle étroit des paramètres de soudage est essentiel si le test d’impact est une exigence de spécification.

Résultats quantitatifs & Résultats qualitatifs

  1. Le  résultat quantitatif de l’impact teste l’énergie nécessaire pour rompre le matériau et peut être utilisé pour mesurer la ténacité du matériau. Il existe un lien avec la limite d’élasticité mais il ne peut pas être exprimé par une formule standard. En outre, la vitesse de déformation peut être étudiée et analysée pour son effet sur la rupture.
  2. Les résultats qualitatifs de l’essai d’impact peuvent être utilisés pour déterminer la ductilité d’un matériau. Si le matériau se casse sur un plan plat, la fracture était fragile, et si le matériau se casse avec des bords dentelés ou des lèvres de cisaillement, alors la fracture était ductile. Habituellement, un matériau ne se brise pas d’une manière ou d’une autre, et ainsi comparer les surfaces déchiquetées et planes de la fracture donnera une estimation du pourcentage de fracture ductile et cassante.

Pourcentage de cristallinité et d’expansion latérale dans le test d’impact Charpy

L’apparence d’une surface de fracture donne des informations sur le type de fracture qui s’est produite – une fracture fragile est brillante et cristalline, une fracture ductile est terne et fibreuse.
Le pourcentage de cristallinité est donc une mesure de la quantité de fracture fragile, déterminée en évaluant la quantité de fracture cristalline ou fragile sur la surface de l’échantillon cassé.

 Courbes schématiques d'énergie Charpy-V et de % d'âge de cristallinité

L’expansion latérale est une mesure de la ductilité de l’éprouvette. Lorsqu’un métal ductile est rompu, l’éprouvette se déforme avant de se rompre, une paire d'”oreilles” étant pressée sur le côté de la face de compression de l’éprouvette, comme illustré sur la figure ci-dessus. La quantité de déformation de l’échantillon est mesurée et exprimée en millimètres d’expansion latérale. L’ASME B31.3, par exemple, exige une expansion latérale de 0,38 mm pour les matériaux de boulonnage et les aciers avec un UTS supérieur à 656 N/mm2, plutôt que de spécifier une valeur d’impact.