Qu’est-ce que les tests d’impact?
Le test d’impact est utilisé pour comprendre et évaluer la fragilité des métaux. La fragilité des métaux est associée à la caractéristique ou à la propriété que ce métal doit obtenir la rupture (ou la fracture) sans subir une déformation appréciable.
L’essai a gagné l’importance de la seconde guerre mondiale, quand les navires ont commencé à employer des plaques soudées à la place de la construction rivetée traditionnelle.
Jusque-là, ce comportement fragile n’était pas compris parce qu’il ne pouvait pas être prédit par un autre test effectué, comme le test de traction.
Le test de traction est un test de résistance uniaxial/uniaxial normalement effectué à température ambiante et n’était donc pas représentatif des conditions de travail que les navires « ibert » des États-Unis subissaient:
- Des températures plus basses;
- État de stress triaxial (Tension sur les trois axes - X, Y et Z);
- Charge appliquée dynamiquement (impact);
Après d’importantes pertes humaines et matérielles dues à l’incapacité d’entretenir ces navires, des essais spécifiques pour les impacts ont été développés.
La résistance à l’impact est grandement affectée par la température, mais aussi par des conditions qui ne peuvent pas être facilement mises en œuvre dans un test de traction commun :
- Existence de fissures ou d’encoches;
- Vitesse de chargement;
Les navires de transport américains étaient douteux où ils ont été fabriqués et testés, contrairement à eux dans les eaux froides de l’Europe. Avec cela, nous concluons qu’il ya des matériaux fragiles et des matériaux fragiles, tels que les soudures des navires de liberté.
Même en utilisant des matériaux douteux, avec une résistance suffisante pour résister à une certaine application ou charge, il a été constaté dans la pratique qu’un matériau douteux peut se briser faiblement après une température donnée.
Le test d’impact consiste à soumettre un corps d’essai normalisé à motifs à une flexion causée par l’impact d’un marteau dans la figure ci-dessous.
Le test d’impact permet d’obtenir l’énergie utilisée dans la déformation et la fracture du corps d’essai. Cette énergie est la mesure de la différence entre la hauteur initiale du pendule h et la hauteur maximale atteinte après la rupture du corps d’essai h'.
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Notez que plus le h', plus l’énergie était absorbée par le corps d’essai. D’autre part, plus l’énergie absorbée (plus grand h'), plus le comportement du matériau à cette température est fragile.
Objet du test d’impact
Le test d’impact est appliqué selon les exigences des normes (ASME, AWS, DIN, ISO, etc.) et nous avons plusieurs raisons de l’utiliser.
L’une des raisons est d’évaluer les matériaux dans les équipements qui fonctionneront à basse température. Plus précisément, il est utilisé dans l’évaluation du comportement fragile des matériaux et agit comme un outil auxiliaire pour l’étude de la température de transition dúctil-fragile des matériaux.
Toutefois, le résultat de cette évaluation a une signification et une interprétation limitées et son résultat n’est pas concluant. Pour cette raison, le test devrait être limité à la comparaison des matériaux testés dans les mêmes conditions.
Pour obtenir des résultats plus quantifiables, l’essai CTOD et, alternativement, le test de poids de chute doivent être utilisés.
L’explication de la limitation du test d’impact est due au fait que les composants des contraintes triaxiales présentes dans l’organisme d’essai pendant l’essai ne peuvent pas être mesurés de manière satisfaisante parce qu’ils dépendent de plusieurs facteurs.
Ainsi, nous ne pouvons pas relier l’énergie absorbée par le corps d’essai au comportement du métal à tout impact, ce qui ne se produirait que si la pièce entière était testée dans des conditions de travail.
Vous pouvez également utiliser le test d’impact pour évaluer le succès (ou l’échec) des conditions de fabrication telles que le soudage ou les cycles de traitement thermique imposés.
Une autre application très courante est également pour la validation de la procédure de soudage utilisée dans un joint soudé donné. Il ne suffit pas de savoir si le matériau est approprié, la soudure doit également être évaluée.
Types de spécimens
L’organisme d’essai est normalisé par les normes (ASTM A370 par exemple) et fourni avec un cran de mesures également normalisées pour permettre l’emplacement de la fracture et de produire un état triaxial de stress.
Les spécimens généralement utilisés pour effectuer l’essai d’impact sont : spécimen charpy et spécimen d’izod, tous deux spécifiés par la norme ASTM E23.
De ces deux, le type de cp (corps de preuve) charpy est le plus utilisé sans aucun doute. Il est tellement utilisé que le test d’impact est parfois appelé « charpy » (prononcé avec un son plus fort en Y).
Corps d’essai de Charpy
Les spécimens charpy sont classés comme types A. B et C, avec une section carrée de 10 mm, une longueur de 55 mm et des encoches au centre du spécimen.
Le type A a l’encoche sous forme de V, de type B sous la forme d’un trou de serrure et de type C sous forme de spécimens de type U. Charpy sont soutenus de façon centralisée et la distance entre ces supports est de 40 mm.
La figure ci-dessous montre la forme, les dimensions et les encoches de ces trois types de spécimens.
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Le corps d’essai Charpy est pris en charge sur la machine d’essai.
Corps d’essai d’Izod
Le corps d’essai Izod a une section carrée de 10 mm, longueur de 75 mm, encoche à une distance de 28 mm d’une extrémité, en forme de V.
Les spécimens avec des encoches plus profondes (Exemple Izod et Charpy de type A) sont utilisés pour montrer la différence dans les énergies absorbées dans les tests métalliques les plus douteux. Ces cps ont tendance à causer des fractures fragiles plus facilement.
Lors des essais de matériaux plus fragiles, tels que le FoFo (fonte) ou les métaux coulés sous pression, les spécimens n’ont généralement pas besoin de l’encoche. C’est parce que le matériau est déjà naturellement plus fragile.
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Le corps d’essai d’Izod est réglé (coincé) dans la machine d’essai.
Spécimens réduits
Dans le cas des matériaux dont les dimensions ne permettent pas la fabrication de spécimens normaux (épaisseur inférieure à 11 mm), il est possible d’enlever les spécimens réduits. Toutefois, la longueur, le rayon de fente et l’angle d’encoche du corps d’essai restent constants.
L’usinage notch
Nous devons disposer d’un équipement adéquat et de moyens de contrôle du profil des fentes, car une petite variation dans l’usinage des machines à sous peut introduire des erreurs majeures dans le résultat du test.
Remarque : Petrobras, à travers ses normes, nécessite la vérification de l’encoche dans un projecteur de profil avant d’effectuer le test d’impact charpy par exemple.
La fente peut être utilisée au moyen d’une machine à broached, planer ou fraisage, et son profil doit être contrôlé par un projecteur de profil.
Chaque fois que je vais suivre un test d’impact, je demande à l’opérateur de mettre un corps d’essai sur le projecteur de profil afin que je puisse évaluer la conformité de l’encoche.
Les encoches doivent être usinées après traitement thermique, le cas échéant. Les spécimens à fentes sous la forme d’un « trou de serrure » doivent avoir le trou circulaire soigneusement ouvert avec la vitesse de coupe basse.
La coupe de rainure peut être effectuée par n’importe quelle méthode applicable, mais de sorte que la surface du trou n’est pas défectueuse.
Enlèvement des spécimens
Les normes précisent le lieu d’enlèvement des spécimens, puisque leur orientation et leur orientation pour la préparation de l’encoche impliquent des changements significatifs dans les résultats de l’essai.
Nous avons suivi trois positions d’enlèvement et/ou de positionnement de l’encoche sur des spécimens charpy, prises à partir de différentes positions d’une plaque d’acier.
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Trois possibilités d’enlèvement et de positionnement de l’encoche dans les spécimens de Charpy
Soumis à l’essai d’impact, ces corps présentaient trois courbes différentes, comme le montre le graphique suivant.
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Dans le corps A, l’encoche est transversale aux fibres du matériau. La courbe A montre que c’était le corps d’essai qui présentait la plus grande quantité d’énergie absorbée.
Le corps d’essai C, qui a cran dans la direction de la fibre (qui favorise le cisaillement), a la plus faible absorption d’énergie possible.
Le corps à l’épreuve B a également une encoche croisée. Seulement, dans ce cas, l’encoche traverse le noyau de la plaque, coupant toutes les fibres à travers.
La courbe est dans une situation intermédiaire par rapport aux deux autres. Cette relation entre les courbes reste constante, quelle que soit la température de l’essai.
Technique d’essai
Le test d’impact peut être vu à partir du schéma donné ci-dessous.
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Un corps d’essai normalisé avec une encoche est cassé par l’action d’un marteau sous la forme d’un pendule (a). Le principe de fonctionnement peut être analysé par la vue latérale b) du même chiffre.
On suppose que le pendule est pris à une telle position que son centre de gravité est à une hauteur h0 par rapport à une référence de telle sorte que son énergie cinétique au point d’impact a une valeur fixe et spécifiée. Le marteau est libéré et frappe le corps d’essai de l’autre côté de l’encoche.
Sans tenir compte de la résistance à l’air et de la friction au pivot, une fois libéré et en l’absence du corps d’essai, le pendule doit atteindre la même hauteur de l’autre côté par le principe de la conservation de l’énergie.
Après avoir percé le corps d’essai, le marteau s’élève à une hauteur qui est inversement proportionnelle à l’énergie absorbée pour déformer et briser le corps d’essai. Ainsi, plus la hauteur atteinte par le marteau est basse, plus le corps d’essai absorbe d’énergie. Cette énergie est lue directement dans la machine d’essai.
Si le corps d’essai est inséré et rompu par l’impact du pendule, l’énergie absorbée dans cette opération fait en sorte que le pendule atteint, de l’autre côté, une hauteur maximale h1 inférieure à h0. Autrement dit, la résistance à l’impact du matériau est donnée par la différence entre les énergies potentielles en h0 et h1.
Dans la pratique, l’instrument a une échelle graduée, avec indicateur de valeur maximale, pour la lecture directe de la différence d’énergie. Parce qu’il s’agit d’énergie, la résistance à l’impact dans les rapports est généralement enregistrée à Joules (J). Toutefois, l’énergie absorbée par le corps d’essai peut également être exprimée en kgf/m (kilogramme de force par mètre) ou lb/pi (livre par pied) ou J (Joule). Certaines machines plus anciennes au Brésil affichent habituellement l’énergie en kgf/m et la conversion en Joule est nécessaire.
Dans le test charpy, le corps d’essai a une encoche centrale et est pris en charge aux deux extrémités. L’impact a lieu sur le centre comme indiqué ci-dessus.
L’encoche la plus courante est le type « », mais il ya aussi des encoches sous la forme de « » ou fente trou-fin. Les dimensions de l’encoche de type V sont les suivantes :
- Longueur 55 mm;
- Section 10 x 10 mm;
- Encoche à 45º;
- Profondeur 2 mm.
Équipement
L’équipement d’essai est essentiellement composé d’un pendule (marteau) qui est libéré en chute libre d’une hauteur fixe, un site de soutien du corps d’essai et un instrument de mesure, qui contient un cadran avec échelle graduée.
Ce cadran vous permet de déterminer l’énergie absorbée pour percer le corps d’essai, au moyen de la différence entre la hauteur initiale et la hauteur finale atteinte par le pendule.
Considérations relatives au test
La température d’essai est directement liée aux résultats obtenus dans le matériel de faible et moyenne résistance et doit donc être enregistrée dans le résultat avec le type de corps d’essai qui a été testé.
Les essais d’impact sont habituellement spécifiés pour les basses températures, mais peuvent également être effectués à des températures ambiantes ou même sous les températures ambiantes.
Dans les cas où la température d’essai n’est pas à température ambiante, les échantillons doivent être insérés dans la machine et rompus dans les cinq secondes (de sorte qu’il n’y ait pas de variation significative de la température). En outre, le milieu de chauffage et/ou de refroidissement doit avoir un contrôle pour l’entretien et l’homogénéisation de la température.
Le test charpy est le plus recommandé car c’est le positionnement le plus simple sur la machine. La manipulation de la cps peut se faire avec l’utilisation d’un tenace (type de griffe) adapté à ses dimensions. C’est aussi le test d’impact le moins cher par rapport aux tests comme CTOD.
Il faut faire attention lors de l’exécution du test d’impact. Par exemple, avant le début de l’essai, la machine doit être vérifiée au moyen d’une oscillation libre du pendule, de sorte que le pendule libéré en chute libre indique une énergie zéro sur l’écran de la machine.
Si cette procédure révèle que l’affichage enregistre une certaine valeur énergétique, alors cette valeur doit être supprimée des résultats obtenus pendant le test avec le corps d’essai.
Il n’est pas recommandé d’effectuer seulement un test d’impact pour tirer une conclusion du matériau testé, même si l’on veille à l’effectuer.
Étant donné que les résultats de plusieurs spécimens d’un même matériau peuvent varier d’eux-mêmes, il est nécessaire de faire au moins trois tests pour avoir une moyenne acceptable en conséquence. Tous les trois spécimens du même endroit s’appelle un ensemble, par exemple : 1 ensemble de soudure, 1 ensemble zac etc...
Comme dans le test de traction, il est également possible d’estimer la ductilité du matériau seulement en observant la région fracturée du corps d’essai. Plus le pourcentage de cisaillement est élevé, plus le matériau est douteux (voir sujet de traction).
Évaluation des résultats
Les critères d’évaluation de cet essai sont les suivants :
- Énergie absorbée par le corps d’essai. L’énergie absorbée dans les spécimens testés est lue sur l’écran de la machine;
- La caractéristique et le pourcentage de la fracture (douteuse ou fragile). Le pourcentage de cisaillement est fonction de la zone de la partie de fracture qui a un aspect lumineux.
- Pourcentage d’expansion latérale du corps d’essai. L’expansion latérale est l’ajout de la face opposée à l’encoche, dans la direction de l’encoche elle-même, après la rupture du corps d’essai. Ce critère est très rare et n’est presque jamais requis.
Le principal résultat du test d’impact est l’énergie absorbée par le corps d’essai pour se déformer et se briser.
L’énergie est calculée en variant l’énergie potentielle du marteau (composant de la machine d’essai d’impact) avant et après l’impact. Rappelez-vous que plus l’énergie absorbée est faible, plus le matériau est fragile à cette température.
Voir la figure ci-dessous des exemples de spécimens charpy:
- cp non testé (ci-dessous);
- cp après essai (du milieu);
- cp/matériel très douteux (d’en haut);
Notez que le matériel ne devrait pas se briser, c’est-à-dire que nous nous attendons à ce que le matériau se brise/frature comme cp moyen dans la figure ci-dessous. Le CP qui ne se brise pas peut endommager la machine d’essai et son possible décalcibrage.
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L’évaluation des résultats de l’essai est conforme à la norme, à la spécification ou à la conception dans laquelle les valeurs moyennes acceptables et minimales sont définies pour tenir compte des essais tels qu’approuvés.
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