Qu’est-ce qu’un essai de fracture ?

L’essai de fracture est l’un des essais mécaniques les plus importants visant à comprendre la capacité d’un matériau à résister à la propagation des fissures, influençant ainsi sa résistance à la rupture, une pierre angulaire de la caractérisation des matériaux.

Ce guide complet explore en détail les essais de fracture, en élucidant leur signification, les méthodologies, les normes, les avantages et les machines d’essai appropriées.

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Que mesure un essai de fracture ?

Les essais de résistance à la fracture permettent d’évaluer la résistance d’un matériau à la propagation des fissures en le soumettant à une charge progressivement croissante jusqu’à la rupture. L’amorce d’une rupture provient généralement de défauts inhérents au matériau, tels que des rayures, des bosses ou des sites de corrosion, qui se propagent en fissures critiques conduisant à une défaillance structurelle. Ces essais, souvent menés conjointement avec des évaluations de la corrosion, de la fatigue ou des températures élevées, fournissent des informations précieuses sur les performances d’un matériau dans diverses conditions environnementales.

Quel est l’objectif des essais de fracture ?

Les essais de résistance à la fracture permettent de mieux comprendre l’intégrité structurelle et la durabilité d’un matériau, ce qui est crucial dans diverses applications industrielles. Un matériau présentant une ténacité élevée à la fracture signifie une résistance accrue à la propagation des fissures, ce qui indique une tolérance aux dommages et une résistance à la fatigue supérieures. Par conséquent, ces tests jouent un rôle crucial dans la sélection des matériaux, l’optimisation de la conception et la garantie de la sécurité opérationnelle dans une multitude de disciplines d’ingénierie.

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Comment effectuer un essai de fracture ?

La méthodologie des essais de ténacité à la fracture repose sur l’application de charges incrémentales au matériau jusqu’à ce que la rupture se produise. Avant les essais, il est impératif de procéder à une préparation méticuleuse, ce qui implique la création d’une entaille de fatigue pour faciliter l’amorçage des fissures, généralement obtenue par usinage par décharge électrique (EDM).

Pour réaliser un essai de fracture, l’étape initiale consiste à préparer un échantillon d’essai présentant une fissure préexistante. Cette fissure facilite la propagation intentionnelle de la fissure pendant l’essai. L’utilisation d’une machine d’essai universelle (UTM) est impérative pour réaliser des essais de ténacité à la rupture, étant donné sa souplesse d’adaptation à diverses méthodologies d’essai, y compris les essais de traction. En outre, le respect des normes de référence est primordial, comme le prescrivent des organisations renommées telles que l’ASTM et l’ISO. Ces normes définissent des exigences spécifiques concernant l’étalonnage des machines et la configuration des essais, garantissant l’uniformité des procédures dans les différents scénarios d’essai.

L’une des méthodes couramment utilisées dans les essais de fracture est l’essai de déplacement de l’ouverture de la pointe de la fissure (CTOD). Cette méthode consiste à soumettre un échantillon de matériau pré-fissuré à un essai de flexion à 3 points. Les étapes de la procédure pour effectuer un test CTOD sont les suivantes :

Préparation de l’échantillon : Usinage d’une entaille au milieu de l’échantillon de matériau, suivi de l’induction d’une fissure de fatigue au niveau de l’entaille usinée.
Procédure de chargement : Placement de l’échantillon dans une machine de flexion à 3 points pour appliquer la charge requise.
Mesure de la déformation : Fixation de jauges de contrainte de part et d’autre de la fissure pour mesurer méticuleusement les variations de contrainte tout au long du processus d’essai.
Analyse des défaillances : Application d’une charge progressive jusqu’à ce que la défaillance se produise, en documentant méticuleusement les résultats qui en découlent pour une analyse et une évaluation complètes.

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Normes populaires en matière d’essais de fracture

ASTM D5528 : pour la ténacité interlaminaire des composites polymères unidirectionnels.
ASTM D6671 : Méthode d’essai standard pour la ténacité à la rupture interlaminaire mixte Mode I-Mode II des composites unidirectionnels à matrice polymère renforcée par des fibres.
ASTM E208 : Méthode d’essai standard pour la réalisation d’un essai de chute de poids afin de déterminer la température de transition de non ductilité des aciers ferritiques.
ASTM E399 : Méthode d’essai standard pour la ténacité à la rupture linéaire-élastique en déformation plane des matériaux métalliques.
ASTM E561 : Méthode d’essai standard pour la détermination de la courbe KR.
ASTM E604 : Méthode d’essai standard pour le test de déchirure dynamique des matériaux métalliques.
ASTM E740 : Standard Practice for Fracture Testing with Surface-Crack Tension Specimens (Pratique standard pour les essais de rupture avec des échantillons de tension de fissure superficielle).
ASTM E1304 : Méthode d’essai standard pour la résistance à la rupture en plan (Chevron-Notch) des matériaux métalliques.
ASTM E1681 : Méthode d’essai standard pour la détermination du facteur d’intensité de contrainte seuil pour la fissuration assistée par l’environnement des matériaux métalliques.
ASTM E1820 : Méthode d’essai standard pour la mesure de la résistance à la rupture.
ASTM E1921-22a : Méthode de test standard pour la détermination de la température de référence, T0, pour les aciers ferritiques dans la gamme de transition.
ISO 12135 : Matériaux métalliques-Méthode d’essai unifiée pour la détermination de la résistance à la rupture quasi-statique.
ISO 17281 : Plastiques – Détermination de la ténacité à la rupture (GIC et KIC) à des vitesses de chargement modérément élevées (1 m/s).

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