Essai de résilience Charpy sur des aciers pliés à froid et laminés à chaud dans des conditions de température variées

En construction métallique, on s’intéresse à obtenir un comportement ductile, telles qu’il y a un signe ou d’avertissement de défaillance imminente. Par exemple, dans une poutre d’acier, cela pourrait être sous la forme d’une déformation excessive. Cette performance est quantifiée par le biais de la résistance matérielle, définie comme l’aire sous la courbe contrainte-déformation, qui est la propriété de mécanique plus étroitement associée à un comportement ductile ou fragile. La dureté est liée à la résistance et de ductilité. Alors que l’endurance est la capacité du matériau à se déformer plastiquement avant la défaillance, la ductilité est la mesure de combien un matériau peut se déformer plastiquement avant la défaillance. Un matériau qui a la haute résistance mais faible ductilité n’est pas difficile, tout comme un matériau à faible résistance et ductilité élevée n’est pas difficile. Dans l’ordre d’un matériau à être difficile, il doit être capable d’absorber de fortes contraintes et déformation élevée (ductilité et la résistance).

Le même matériau, un acier doux, par exemple, peut se comporter d’une façon selon la chimie actualmaterial, traitement et conditions de chargement soit ductile ou fragile. Il y a au moins fivemain pilotes pour ce changement possible de performance :

1. Moléculaire et la microstructure du matériau, avec une granulométrie plus fine ce qui augmente la résistance et diminue dans la ductilité et la présence de grandes quantités d’alliages, comme le carbone, ce qui entraîne souvent une diminution de la ductilité de la plupart des aciers.

2. Le traitement que subit la matière peut entraîner en dureté différente en plaques d’acier dans le sens de laminage, perpendiculaire à elle et dans l’épaisseur par le biais de la plaque. Ce dernier sens est particulièrement sensible car il est difficile d’élaborer une microstructure cohérente entre une plaque épaisse.

3. Les conditions de chargement (chargement en 3 dimensions), qui souvent inhibe le développement des contraintes de cisaillement. En 1 et 2 dimensions de chargement, on rencontrera généralement chargement des situations qui donnent lieu à grandes contraintes de cisaillement et donc beaucoup de comportement ductile et rendement. À la limite, pour une charge hydrostatique 3D, il n’y a aucun rayon de cercle de Mohr, et il n’y a donc aucun cisaillement. Dans ce cas, le matériau ne cède pas mais ne parviennent pas tout d’un coup.

4. L’augmentation de la vitesse de déformation, ce qui conduit à des intensités plus élevées, mais réduit la capacité de déformation.

5. Une diminution de la température, ce qui peut entraîner d’importantes, diminue en endurance. Certains matériaux qui peut-être être très ductile à température ambiante pourrait devenir très fragile si la température est nettement diminuée.

Pour déterminer si un matériau va se comporter de façon fragile ou ductile, on court en général un test d’impact Charpy V-encoche. Il y a des autres tests similaires, comme l’essai de choc Izod, qui est le test de dureté plus couramment utilisés en Europe. Ces tests ont l’intention de mesurer l’énergie qu’un petit volume de matériel peut absorber lorsqu’ils sont soumis à une charge d’impact soudain. Tel que mentionné précédemment, cette énergie peut être considérée être directement liée à l’aire sous la courbe contrainte-déformation.

Chaque échantillon de Charpy V-encoche à subir un test de résistance à l’impact a normalisé des dimensions est conçu, pris en charge et chargé de sorte qu’il échoue lorsqu’il est soumis à un seul coup appliqué d’une manière standardisée. Il est important de rappeler que la mesure de Charpy est liée à du volume et de la géométrie de l’échantillon et les résultats sont donc utiles pour comparer le comportement relatif des matériaux et non pour leur valeur absolue.

Pour effectuer le test, un spécimen de petit, semblables à des poutres avec une encoche sur un côté (Fig. 1) est soumis à un impact du marteau d’un poids fixe d’une hauteur fixe (Fig. 2). Le poids est habituellement entre 150 et 300 livres et peut être déplacé pour différentes hauteurs à produire des quantités différentes d’énergie. L’entaille en V est conçu pour induire une concentration de contrainte, ce qui augmente considérablement les contraintes locales. Lorsque le faisceau est simplement appuyé sur les deux côtés et frappé en son milieu, le faisceau risque de se plier sous tension où l’encoche est. Par conséquent, cela créera une propagation de la fissure par le biais de l’échantillon lorsque frappé.

Figure 1 : Spécimen Charpy.

Figure 2 : Machine d’essai Charpy.

Théoriquement, l’énergie potentielle stockée à une hauteur donnée du marteau sera entièrement traduit en énergie cinétique juste avant que le marteau frappe le spécimen de Charpy, en supposant que la pendule est sans frottement. Alors que le marteau frappe le spécimen et il fractures, certaine quantité de cette énergie cinétique est consommée. On mesure alors combien le balancier sera vers le haut dans la direction opposée. De la différence entre la hauteur initiale et la hauteur atteint après la grève, on peut calculer une différence d’énergie potentielle. Toute l’énergie qui a été perdu dans ce processus peut être supposé pour être absorbée par l’échantillon dans la fracture. Cette valeur est considérée comme égale à la dureté de la matière, ou l’aire sous la courbe contrainte-déformation.

Beaucoup de métaux, en particulier les aciers cubique corps centré (BCC), présentent une diminution très forte absorption de l’énergie aux températures commençant autour de 40 ou 50°F et atteindre un bas plateau autour de-100°F. nombreuses structures aujourd'hui exposés à la environnement sont dans cet intervalle de température, il est donc important de comprendre la relation entre la température de rupture métallique. Par exemple, dans la construction d’un oléoduc dans le nord de l’Alaska où la température peut atteindre des valeurs très faibles, il serait important de comprendre l’échec dépendant de la température du métal. Cependant, la plupart faces centrées cubique (FCC) des aciers, comme les aciers inoxydables, sont imperméables à cet effet de la température.

Résistance à la rupture théorique, résistance à la rupture également connu sous le nom idéal, est principalement dépendante de l’énergie libre de surface et la distance interatomique. Un matériau idéal aura un effectif à peu près 1/8 à 1/10 de son module d’élasticité. La résistance à la rupture expérimentale réelle est beaucoup plus faible en raison de défauts, vides, inclusions métalliques et / ou impuretés. Par exemple, dans une simple barre acier chargée de tension, le stress est supposé pour être uniforme, à l’exception des près des extrémités où la charge est appliquée. Cependant, avec l’introduction d’un trou circulaire, simple, les forces doivent circuler autour du trou, créant ainsi une concentration de contrainte à côté du trou.

L’ampleur de la concentration de la contrainte est proportionnelle au rayon du trou de la largeur de l’échantillon (r/w). Comme le rayon diminue, le facteur de concentration de contrainte augmente de façon spectaculaire. Cependant, il n’y a aucun trou parfait dans la nature ou de produits synthétiques ou artificielles ; en général, il y aura des bords crénelés à l’échelle microscopique et ainsi se produira beaucoup plus élevés de concentration de contraintes. Il existe de nombreuses imperfections et défauts cristallins métalliques. C’est près de ces concentrations de petites contraintes qui fissures commencent à se former, et lors du chargement très rapidement, ces fissures seront propager, coalesce et finir par provoquer la matière à l’échec.

Cet essai s’inscrit dans le domaine de la mécanique de la rupture, qui consiste à caractériser la capacité d’un matériel de résister à la formation et la propagation des fissures. La mécanique élastique linéaire de la rupture (LEFM) est une approche énergétique, dans lequel l’énergie totale du système est égal au travail en raison de charges appliquées plus l’énergie de déformation stockées plus l’énergie nécessaire pour créer la nouvelle surface de fracture. Dans sa façon linéaire, il est très utile pour caractériser les matériaux cassants qui présentent une plasticité limitée. Il y a plusieurs limites à LEFM telle qu’appliquée à l’essai Charpy, comme une fausse supposition qu’aucune énergie n’est perdue par la plasticité, même s’il y a beaucoup de plasticité face à la propagation de la fissure.

Dans cette expérience, nous testerons plusieurs spécimens de Charpy à différentes températures pour illustrer l’effet de la température sur la résistance aux chocs en acier doux.

1. Pour préparer la machine d’essai, tout d’abord assurez-vous que le trajet du marteau est libre de toute obstruction. Une fois que la voie est libre, soulever le marteau jusqu'à ce qu’elle s’enclenche et fixer la serrure pour éviter un rejet accidentel du marteau.
2. Pour préparer les échantillons, utilisez la boîte froide pour refroidir un spécimen de chaque métal à une température bien en dessous de zéro. Utiliser une plaque chauffante pour chauffer un autre spécimen de chaque métal à une température supérieure à 200 ° F.
3. Une fois que le marteau est déclenché, insérez le spécimen dans la machine à l’aide de pinces en vous assurant qu’elle soit centrée dans le match avec l’encoche à l’opposé du côté d’être touché par le marteau.
4. Une fois que l’échantillon est prêt, régler la molette sur la machine à exactement 300 lb -pi. Important : tournez le cadran à l’aide de la molette. Ne poussez pas sur le pointeur !
5. Pour commencer le test, retirez le verrou et libérer le pendule en appuyant sur le levier.
6. Après que le spécimen a été rompu, le comparateur lira l’énergie absorbée par l’échantillon. Enregistrer cette valeur.
7. Une fois que l’énergie absorbée est enregistré, vous pouvez utiliser le frein de la machine à arrêter le pendule de se balancer. Car en utilisant le frein change le gage de lecture, n’oubliez pas d’enregistrer les données avant de l’utiliser.
8. Une fois que le pendule s’arrête, récupérer l’échantillon et déterminer le pourcentage de la zone de la surface fracturée qui a une texture fibreuse.

Après que répétition de l’expérience pour mai spécimens et les valeurs de température, vous pouvez tracer la dépendance en température de l’énergie absorbée et voir clairement l’existence d’une étagère supérieure et inférieure (ou les parties planes et horizontales). Ces étagères indiquent qu’il y a clairement minima et des maxima qui est possible pour un matériau donné et le traitement. L’intérêt principal est à quantifier avec soin les températures de transition afin de minimiser le risque que ceux-ci relèvent les températures de fonctionnement de la structure en cours de conception. Subir différents traitements thermiques et mécaniques des matériaux similaires montrera les étagères supérieures et inférieures assez semblables, mais aussi un changement distinct de la température de transition. Déplacez la zone de transition vers la gauche aura tendance à réduire le risque de fracture pour une structure ; Toutefois, cela implique des coûts supplémentaires importants sur le plan de traitement.

Il devrait également noter que l’essai Charpy est utile pour caractériser les matériaux friables, qui montreront très faible ductilité. Dans la pratique, les essais Charpy sont utilisés pour tous types de matériaux, y compris les métaux très ductiles. Cette utilisation est fondamentalement erronée, car les processus de déformation conduisant à une rupture fragile sont différentes de celles dans une rupture ductile. Il n’a pas été possible d’obtenir un test simple qui peut être utilisé dans un cadre de production, comme la résilience Charpy, pour les matériaux ductiles semi ou ductiles. Ainsi, il est probable que les essais Charpy restera populaires dans un proche avenir.

Essais, sous la forme d’essais Charpy et Izod, de choc est couramment utilisé pour mesurer la résistance des matériaux métalliques à la rupture fragile. L’essai Charpy utilise un spécimen petit faisceau avec un cran. Le faisceau est chargé par un gros marteau attaché à un pendule sans frottement. La combinaison de la vitesse de déformation de cette séquence de chargement et la présence de l’entaille en V qui crée un résultat de concentration de contraintes locales de grandes dans la propagation rapide de la fissure et le fractionnement de l’échantillon.

Le test détermine l’énergie absorbée par le matériau au cours de la fracturation en comparant l’énergie potentielle au début et fin de l’essai mesurée à partir de la position du marteau. L’ampleur de l’énergie absorbée est dépendant du volume de la matière dans l’échantillon petit faisceau, donc les résultats ne sont valables que dans un sens comparatif.

Mécanique de la rupture est un domaine très important des études dans toutes les matières, car il nous rappelle que tous les matériaux contiennent des failles que la forme et la taille de la faille sont importants, et que l'on doit aborder, dans la conception, la question de concentration de contraintes.

Une démonstration de l’importance de la dépendance en température a été durant la seconde guerre mondiale, quand certains navires Liberty et les pétroliers T-2 littéralement divisé de moitié tout en restant dans le port. Pour les bateaux de la liberté, cet échec avait à voir avec les concentrations de contraintes qui ont été induites pendant le soudage, ainsi que la fragilité de la coque en acier en raison d’opérations de soudage et accompagnées de températures des mers froides.

L’essai Charpy V-encoche fait partie des nombreuses normes ASTM et à ce titre, est présent dans de nombreux produits que nous utilisons tous les jours. Une application particulièrement importante est dans la conception des ponts où la plupart des aciers sont spécifiées pour passer à une température basse et haute température limite de Charpy (c'est-à-dire, 20 lb-pi à-40°F et 40 lb-pi à 80 ° F).

Énergie de rupture est une propriété matérielle très importante. Si on teste une plaque de verre sans faille avec une énergie de surface γ_s= 17 x 10^-5 in-lb/in² et E = 10 x 10⁶ psi, la résistance à la rupture théorique serait environ 465, 000 lb/po2, donné l’équation de Griffith (σ_f = (2Eγ_s /Πa)^0,5). Si on introduit une faille, même avec une magnitude aussi petite que 0,01 po, dans la plaque de verre, la résistance à la rupture est réduite de trois ordres de grandeur à seulement 465 lb/po2, qui ressemble beaucoup plus à ce que nous voyons dans la vie réelle.

Autres applications dépendantes de la température pour laquelle un test d’entaille en v Charpy importerait comportent des tests de matériel pour voyage dans l’espace, où la température varie overa grande gamme, ainsi que pour l’équipement de traîneau à chiens en Antarctique et dans les autres régions polaires, où Trempette de températures bien au-dessous de zéro.