Chapitre 2 Désignation et Caractérisation mécaniques des ...
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Cours 1 :
Introduction to Materials Engineering
Chapitre 1
Propriétés et Applications des matériaux
Chapitre 2
Désignation et Caractérisation
mécaniques des matériauxChapitre 3
Structure des matériaux
Chapitre 4
Diagramme de phase et diagramme fer-carbone
Chapitre 5
Traitement thermiques des aciers
2
Partie 1 : Désignation des matériaux
1. Désignation des aciers
2. Désignation des fontes
3. Désignation de l’AL
4. Désignation du Cuivre
5. Désignation des Matières plastiques
3
Désignation des métaux et alliages selon le
nouveau système CEN (comité européen de
normalisation) progressivement à partir du
mois de novembre 1992.
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1. Désignation des fontes1. Désignation des fontes
La désignation comprend dans l’ordre :Le symbole EN suivi d’un trait d’union ;Le symbole GJ ;Le symbole de la structure du graphite ;Le symbole de la macro ou microstructure suivi d’un trait d’union ;Le symbole X suivi de l’indication de la composition chimique ;Le symbole des exigences supplémentaires.Il est à noter qu’il n’y a aucune place libre entre chacune des positions utilisées.
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1. Désignation des fontes1. Désignation des fontes
L : Graphite lamellaireS : Graphite sphéroïdal M : Graphite de recuit (malléable y compris les fontes malléables à cœur blanc)V : VermiculaireN : Exempte de graphite (dure), lédéburitique ;Y : Structure spéciale, identifiée dans la norme du produit correspondante.
Tableau. 1 Indication de la structure du graphite.
A : Austénite F : FerriteP : PerliteM : Martensite ;L : Lédéburite ;Q : Trempée ;T : Trempée et revenueB : Cœur noir (fonte malléable) ;W : Cœur blanc (fonte malléable ;)
Tableau. 2 Indication de la macro ou microstructure.
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1. Désignation des fontes1. Désignation des fontes
La lettre X doit être suivie des symboles chimiques des alliage significatifs en commençant par les teneurs les plus importantes. Les teneurs doivent être indiquées en % arrondi au nombre entier le plus proche.
Tableau. 3 Indication de la composition chimique sans teneur en carbone.
La teneur en carbone est indiquée en % multiplié par 100 après la lettre X, en commençant par les teneurs les plus importantes. Les teneurs doivent être indiquées en % arrondi au nombre entier le plus proche.
Tableau. 4 Indication de la composition chimique avec la teneur en carbone.
D : Pièce brute de fonderie ;H : Pièce ayant subi un traitement thermique ;W : Soudabilité, pour les soudures d’assemblages ;Z : Exigences spécifiées dans la commande.
Tableau. 5 Exigences supplémentaires.
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1. Désignation des fontes1. Désignation des fontes
Exemples
EN-GJL-XNiMn13-7:…….……………………………………………………...
…………………………………………………………………………………
EN-GJN-X300CrNiSi9-5-2 :……………………………………………………
…………………………………………………………………………………
EN-GJMW-X360CrMoNi12 :………………………………………………...
…………………………………………………………………………………
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2. Désignation des aciers selon la composition chimique.
•La désignation symbolique des aciers est classée en deux groupes, à
savoir :
•Les aciers désignés à partir de leur emploi et de leurs caractéristiques
mécaniques ou physiques ;
•les aciers désignés a partir de leur composition chimique étant divisés
en quatre sous-groupes :
1.Aciers non alliés
2.Aciers alliés dont la teneur de chaque élément d’alliage est < 5 %.
3.Aciers alliés dont la teneur de chaque élément d’alliage est > 5 %.
4.Aciers rapides
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2. Désignation des aciers selon la composition chimique.
1. Aciers non alliés (à l’exclusion des aciers de décolletage) avec une
teneur moyenne en manganèse < 1 %.
La désignation comprend dans l’ordre :•La lettre G, si l’acier est moulé,•La lettre C,•Un chiffre égal au pourcentage de carbone multiplié par 100,•Symbole additionnel.•Il est à noter qu’il n’y a aucune place libre entre chacune des positions utilisées.
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2. Désignation des aciers selon la composition chimique.
1. Aciers non alliés (à l’exclusion des aciers de décolletage) avec une
teneur moyenne en manganèse < 1 %.
E : Avec une teneur en soufre spécifiéeR : Avec une fourchette de teneur en soufre spécifiée D : fil pour tréfilageC : Pour formage à froid par exemple frappe ou extrusion à froid;S : Pour ressortU : Pour outils W : Fils pour électrodesG : Autres caractéristiques.
Tableau. 6 Symboles additionnels concernant les aciers non alliés (à l’exclusion des aciers de décolletage) avec une teneur moyenne en manganèse < 1 %. (1er groupe de symbole).
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2. Désignation des aciers selon la composition chimique.
1. Aciers non alliés (à l’exclusion des aciers de décolletage) avec une
teneur moyenne en manganèse < 1 %.
ExemplesExemples
GC40 :………………………………………………………………………….
C30 :…………………………………………………………………………………
C40S :…………………………………………………………………………….
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2. Désignation des aciers selon la composition chimique.
2. Aciers non alliés avec une teneur en manganèse 1 %, aciers non
alliés de décolletage et aciers alliés (à l’exclusion des aciers rapides)
dont la teneur de chaque élément d’alliage est < 5 %.
La désignation comprend dans l’ordre :La lettre G, si l’acier est moulé,Un chiffre égal au pourcentage de carbone multiplié par 100,Les symboles chimiques des éléments d’addition dans l’ordre des teneurs décroissantes. Lorsque les valeurs des teneurs sont identiques pour deux ou pour plusieurs éléments, les symboles doivent être classés dans l’ordre alphabétique ;Les chiffres indiquant les pourcentages des éléments d’addition dans l’ordre décroisant étant multipliés par un facteur (tableau 7) ; les chiffres relatifs aux différents éléments doivent être séparés par un trait d’union.
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2. Désignation des aciers selon la composition chimique.
2. Aciers non alliés avec une teneur en manganèse 1 %, aciers non
alliés de décolletage et aciers alliés (à l’exclusion des aciers rapides)
dont la teneur de chaque élément d’alliage est < 5 %.
Eléments Multiplicateur
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10
N, P, S 100
B 1000
Tableau.7 Facteurs multiplicatifs pour les divers éléments.
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2. Désignation des aciers selon la composition chimique.
2. Aciers non alliés avec une teneur en manganèse 1 %, aciers non
alliés de décolletage et aciers alliés (à l’exclusion des aciers rapides)
dont la teneur de chaque élément d’alliage est < 5 %.
ExemplesExemples
25CrMo4 :…………………………………………………………………………..
G38Cr4 :…………………………………………………………………………….
15CrMn6-5 :………………………………………………………………………..
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2. Désignation des aciers selon la composition chimique.
3. Aciers alliés (à l’exclusion des aciers rapides) dont la teneur d’au
moins un des éléments d’alliage est 5 %.
La désignation comprend dans l’ordre :•La lettre G, si l’acier est moulé,•La lettre X ;•Un chiffre égal au pourcentage de carbone multiplié par 100,•Les symboles chimiques des éléments d’addition dans l’ordre des teneurs décroissantes. Lorsque les valeurs des teneurs sont identiques pour deux ou pour plusieurs éléments, les symboles doivent être classés dans l’ordre alphabétique ;•Les chiffres indiquant les pourcentages des éléments d’addition sont données dans l’ordre décroisant sans multiplicateurs; les chiffres relatifs aux différents éléments doivent être séparés par un trait d’union.
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2. Désignation des aciers selon la composition chimique.
3. Aciers alliés (à l’exclusion des aciers rapides) dont la teneur d’au
moins un des éléments d’alliage est 5 %.
Exemples
X10CrNi18-8 :………………………………………………………………………
X30Cr13 :…………………………………………………………………………..
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2. Désignation des aciers selon la composition chimique.
4. Aciers rapides.• La désignation comprend les lettres HS, les nombres indiquant les teneurs moyennes arrondies à la valeur la plus proche des éléments d’alliage dans l’ordre : tungstène (W), molybdène (Mo), vanadium (V), cobalt (Co).
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2. Désignation des aciers selon la composition chimique.
Aciers rapides.
Exemples
HS 7-4-2-5 :………………………………………………………………………...
HS 14 :………………………………………………………………………………
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3. Désignation symbolique de cuivre et des alliages de cuivre.
Alliages de cuivreLa désignation comprend dans l'ordre :
- le symbole chimique de cuivre,- le symbole chimique d'élément ou des éléments d'alliage principaux,- les pourcentages des éléments d'alliage.
Notes:1/ Les éléments d'alliage sont suivis de nombres indiquant leurs teneurs si ces éléments sont présents en teneurs de 1 % environ.2/ Les éléments d'alliage doivent être indiqués selon leurs te neurs nominales spécifiées et ils doivent être rangés par ordre des teneurs décroissantes. 3/ Aucun espace libre entre chacune des positions n'est autorisés.
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3. Désignation symbolique de cuivre et des alliages de cuivre.
Alliages de cuivre
Exemples
CuZn36Pb3 :
…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………..
CuAl10Fe5Ni5 :
…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………….……….
CuBe2Ni :
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4. Désignation symbolique d’aluminium et alliages d’aluminium
Cette désignation est basée principalement sur les symboles chimiques applicables à l’aluminium et aux alliages d’aluminium.
Aluminium non alliéLa désignation comprend dans l’ordre :le symbole EN de la norme étant suivi d’un espace (obligatoire) ;la lettre A symbolisant l’aluminium (obligatoire) ;la lettre
W désignant les produits corroyés (ou la lettre C désignant les pièces moulées ou la lettre B désignant les lingots pour refusion) suivie d’un trait union (obligatoire) ;
le symbole chimique d'aluminium AL suivi d'un espace (obligatoire);le pourcentage de pureté d'aluminium exprimé avec une ou deux décimales (obligatoire).
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4. Désignation symbolique d’aluminium et alliages d’aluminium
Exemples
EN AW-AL 99.9 :…………………………………………………………………….
………………………………………………………………
EN AW-AL 99.0Cu :…………………………………………………………………
………………………………………………………………
EN AW-EAL 99.5 :…………………………………………………………………
………………………………………………………………
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4. Désignation symbolique d’aluminium et alliages d’aluminium
Alliages d’aluminium corroyés
La désignation comprend dans l’ordre : le symbole EN de la norme étant suivi d'un espace (obligatoire); la lettre A symbolisant l'aluminium (obligatoire); la lettre W désignant les produits corroyés suivie d'un trait union (obligatoire); le symbole chimique d’aluminium AL suivi d’un espace (obligatoire); le symbole chimique d'élément ou des éléments d'addition principaux (obligatoire); le pourcentage d’élément ou des éléments d' addition qui suit chaque symbole chimique des éléments considérés (obligatoire).
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4. Désignation symbolique d’aluminium et alliages d’aluminium
Alliages d’aluminium corroyés
Exemples
EN AW-AL Mg1SiCu :……………………………………………………………..EN AW-AL Cu4SiMg :……………………………………………………………..EN AW-EAL Cu6BiPb :…………..……………………………………... ……….EN AW-EAL Zn6CuMgCr :…………………………………………………….….
Bi : Bismuth
Be :Béryllium
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5. Désignation des Matières plastiques
Les différents organismes de normalisation (AFNOR et ISO…), ont adopté
pour les plastiques une nomenclature reflétant la nature chimique :
— soit du monomère de départ dans le cas d’une polymérisation simple ;
— soit tous les polymères appartenant à la famille considérée :
par exemple : polyamides, polyesters, polyuréthanes... ;
Exceptions.
Exemples : cellulosiques, acryliques, époxydes,
phénoplastes, aminoplastes, silicones...
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5. Désignation des Matières plastiques
Un symbole est un groupe de signes désignant un
polymère.
Seuls doivent être utilisés :
a) les lettres majuscules ;
b) les chiffres arabes et les tirets pour les polyamides
seulement ;
c) le signe + pour les mélanges de polymères ;
d) les barres obliques pour les copolymères (elles
peuvent être omises selon l’usage).
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5. Désignation des Matières plastiques
Tableau 1 – Abréviations des matériaux homopolymères, copolymères et polymères naturels (d’après NF EN ISO 1043-1), (Réf, [AM3012]).
Abréviation Nom du matériau Abréviation Nom du matériau
PA Polyamide SI Silicone
PET Poly(éthylène téréphtalate) ABS Acrylonitrile-butadiène-styrène
PE Polyéthylène PMMA Poly(méthacrylate de méthyle)
PC Polycarbonate POM Poly(oxyméthylène), polyformaldéhyde
CN Nitrate de cellulose PP Polypropylène
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5. Désignation des Matières plastiques
Mélanges de polymères
Pour désigner les mélanges de polymères, on utilise entre
parenthèses les symboles des polymères de base, séparés par
le signe +.
Exemple : (PMMA + ABS) pour un mélange de poly(méthacrylate de
méthyle) et d’acrylonitrile/butadiène/styrène.
Symboles supplémentaires : caractéristiques spéciales
Aux symboles des polymères de base peuvent être ajoutés jusqu’à quatre
symboles afin de différencier, si nécessaire, les modifications d’un polymère
de base.
Ces symboles supplémentaires doivent être placés après le symbole du
polymère de base, séparés de ce symbole par un trait d’union.
Aucun des symboles ne doit être placé en avant du symbole du polymère de
base » (NF EN ISO 1043-1).
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5. Désignation des Matières plastiques
SymboleSymbole Composants des termesComposants des termes
P Plastifié
H Haut ou haute
I Choc, impact
D Densité
L Bas ou basse
E Expansé, expansible
V Très
L Linéaire
C Chloré
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5. Désignation des Matières plastiques
Exemple 1Exemple 1
Symbole pour le polymère de base : PVC.Symbole pour le polymère de base : PVC.
Symbole pour une caractéristique spéciale : P pour plastifié, C Symbole pour une caractéristique spéciale : P pour plastifié, C
pour chloré ;pour chloré ;
Soit………………pour Soit………………pour poly(chlorure de vinyle) plastifiépoly(chlorure de vinyle) plastifié, et , et
…………….pour …………….pour PVC chloréPVC chloré (ou surchloré). (ou surchloré).
Exemple 2Exemple 2
On souhaite symboliser On souhaite symboliser le polystyrène modifié de haute le polystyrène modifié de haute
résistance aux chocsrésistance aux chocs ; ;
le tableau 2le tableau 2 indique pour le polystyrène : PS ; le tableau 2 indique : indique pour le polystyrène : PS ; le tableau 2 indique :
H = haute (en anglais : high) ;I = choc (en anglais : impact).H = haute (en anglais : high) ;I = choc (en anglais : impact).
Le symbole cherché est donc …………… .Le symbole cherché est donc …………… .
Exemple 3Exemple 3
Selon la même démarche, Selon la même démarche, le polyéthylène linéaire basse densitéle polyéthylène linéaire basse densité
aura pour symbole :………………………… ; aura pour symbole :………………………… ;
L : linéaire, L : base (en anglais : low), D : densitéL : linéaire, L : base (en anglais : low), D : densité
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5. Désignation des Matières plastiques
Exemple 1Exemple 1
Symbole pour le polymère de base : PVC.Symbole pour le polymère de base : PVC.
Symbole pour une caractéristique spéciale : P pour plastifié, C Symbole pour une caractéristique spéciale : P pour plastifié, C
pour chloré ;pour chloré ;
Soit Soit PVC-P PVC-P pour pour poly(chlorure de vinyle) plastifiépoly(chlorure de vinyle) plastifié, et , et PVC-CPVC-C
pour pour PVC chloréPVC chloré (ou surchloré). (ou surchloré).
Exemple 2Exemple 2
On souhaite symboliser On souhaite symboliser le polystyrène modifié de haute le polystyrène modifié de haute
résistance aux chocsrésistance aux chocs ; ;
le tableau 2le tableau 2 indique pour le polystyrène : PS ; le tableau 2 indique : indique pour le polystyrène : PS ; le tableau 2 indique :
H = haute (en anglais : high) ;I = choc (en anglais : impact).H = haute (en anglais : high) ;I = choc (en anglais : impact).
Le symbole cherché est donc Le symbole cherché est donc PS-HIPS-HI..
Exemple 3Exemple 3
Selon la même démarche, Selon la même démarche, le polyéthylène linéaire basse densitéle polyéthylène linéaire basse densité
aura pour symbole : aura pour symbole : PE-LLDPE-LLD ; ;
L : linéaire, L : base (en anglais : low), D : densitéL : linéaire, L : base (en anglais : low), D : densité
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Fin
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Cours 1 :
Introduction to Materials Engineering
Chapitre 1
Propriétés et Applications des matériaux
Chapitre 2
Désignation et Caractérisation
mécaniques des matériauxChapitre 3
Structure des matériaux
Chapitre 4
Diagramme de phase et diagramme fer-carbone
Chapitre 5
Traitement thermiques des aciers
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PARTIE 2Caractérisations mécaniques :
Traction
Compression
Dureté
Résilience
RECHERCHE « fatigue »
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Avant d’augmenter les cotes d’une pièce,
pensons à améliorer les propriétés du matériau!
Pour connaître les propriétés d’un matériau, il faut le
caractériser.
Caractérisation des métauxCaractérisation des métaux
• La couleur
• La finition de surface
• Le poids
• Le point de fusion
• La malléabilité
• La dureté
• La soudabilité
• Le coefficient de dilatation
Il est possible de caractériser les métaux par:
• La conductibilité électrique et thermique
• La limite d’élasticité
• La résistance
– à la traction, à la compression, à la flexion, à
la torsion, au cisaillement
– aux variations de températures
– à la corrosion
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Essai de traction
Des éprouvettes du matériau concerné, en forme de …………………………………………………
comportant une partie centrale calibrée à section constante S0 et longueur L0
raccordée à chaque extrémité à deux têtes de
section plus importante, sont fixées dans une
machine de traction.
Sauf indications contraires, l’essai est effectué à
la température ambiante
Consiste à imposer une vitesse de déformation
constante et à mesurer l’effort F et l’allongement
l.
Principe de l’essai
37
Essai de traction
FIG. a) Machine de traction ; b) éprouvette de traction
On remarque la striction au centre de
l’éprouvette
38
Essai de traction
La forme et les dimensions des éprouvettes dépendent de la forme et des dimensions des produits métalliques dont on veut déterminer les
caractéristiques mécaniques
39
Essai de tractionCourbe de traction d’un matériau ductile
40
Essai de traction
Courbes de traction
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Essai de traction
Élasticité
• Propriété des matériaux qui reprennent leur
forme initiale après que la force qui les
déformait ait cessé d’agir.
• Dans certaines techniques de mise en forme (cintrage
ou pliage), il est important de considérer le retour
élastique (Springback) afin d ’obtenir une pièce de la
forme souhaitée
42
Essai de traction
Élasticité
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Essai de traction
La rigidité (Module d’élasticité E)
• Capacité des matériaux à subir une charge sans une déformation
excessive. Plus le métal est rigide, plus il est difficile à former.
• E est une mesure de la rigidité de matériau.
• E: = Pente de la courbe σ/ε dans le domaine élastique
• Les aciers (E=207 GPa) sont 3 fois plus rigides
que les alliages d’aluminium (E=70GPa)
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Essai de traction
La ductilitéLa ductilité
• Qualité des matériaux à être déformé de
façon permanente sans se rompre.
• La ductilité d ’un matériau se mesure par son allongement à la
rupture (A%) ou par la striction à la rupture (Z%)
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Essai de traction
Exploitation des résultats de l’essai
Courbe brute: F=f(l)
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Essai de traction
Exploitation des résultats de l’essai
Courbe conventionnelle Afin de pouvoir utiliser les courbes brutes de traction, on doit les modifier
pour que les résultats obtenus soient fonction que de matériau étudié et
non de la géométrie de l’éprouvette.
Pour ce faire, on rapporte la charge F(N) à la section initiale S0 (mm2) de
l’éprouvette en vue d’obtenir la contrainte conventionnelle R(MPa).
Et on rapporte l’allongement l(mm) à la longueur initiale, e, pour obtenir la
déformation conventionnelle (R=f(e)).
Archive
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Essai de traction
Exploitation des résultats de l’essai
Courbe rationnelle de traction
C’est la courbe obtenue en rapportant la force à la section
minimale instantanée S, pour raisonner en termes de contrainte
vraie σ=F/S,
et en rapportant l’allongement à la longueur instantanée pour
raisonner en termes de déformation rationnelle ε = l/l.
Archive
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Exploitation des résultats de l’essai
LOI DE COMPORTEMENT (=f())1)Zone OA:
2)Zone AB : Ecrouissage.La portion d'allure parabolique de
la courbe rationnelle peut être mise
sous forme mathématique :
O
A
B
C
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Exploitation des résultats de l’essai
LOI DE COMPORTEMENT (=f())3) Zone BC : Concentration de
contraintesAu-delà du point B jusqu'à la
rupture en C, l'existence de la
striction complique le calcul de
la contrainte vraie car à faut tenir
compte de l'effet de
concentration de contrainte ; la
formule
de correction la plus utilisée est
celle de BRIDGMANN .
a étant le rayon de la section minimale,
R le rayon de courbure de la zone de striction.
O
A
B
C
50
Essai de traction
Exploitation des résultats de l’essai
51
Essai de compression
52
Essai de flexion
53
Essai de dureté
La dureté (Hardness)La dureté (Hardness)
• La dureté est la mesure de la résistance d’un matériau
à la pénétration.
• La pénétration met en jeu:
– les déformations élastique et plastique.
– Le frottement entre le pénétrateur et le matériau.
– La géométrie du pénétrateur.
– la charge appliquée.
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Essai de dureté
Il consiste à imprimer dans la pièce à essayer une bille en acier ou en carbures de tungstène de diamètre D(mm) sous une charge F(N), et
à mesurer le diamètre d de l’empreinte résiduelle après retrait de la
charge. La charge d’essai F(N) est choisie dans une gamme normalisée
adaptée au diamètre de l’indenteur et au matériau testé.
PRINCIPE
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Essai de dureté
56
Essai de dureté
Correspondance entre échelles de dureté
57
Essai de résilience
Le principe de l’essai consiste ……………………………..….. du mouton
pendule une éprouvette entaillée reposant sur deux appuis.
On détermine l’énergie absorbée caractérisant la résistance aux chocs du
matériau métallique essayé.
La résistance aux chocs, donc l’énergie nécessaire pour produire la
rupture de l’éprouvette, exprimée en joule par centimètre carré.
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Essai de résilience
Behavior under load for Fibers &
Matrix
60
Résumé Essais Caractéristiques propriétés
Traction
Dureté
Résilience
Fatigue