Essai de traction : Test normalisé pour déterminer les propriétés mécaniques d'un matériau
Contrainte : \( \sigma = \frac{F}{S_0} \) (Pa)
Déformation : \( \varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0} \)
- Préparation de l'éprouvette selon la norme (EN 10002)
- Montage dans la machine d'essai
- Application progressive de la charge
- Enregistrement des données force/déformation
- Calcul des propriétés mécaniques
Éprouvette cylindrique en acier
Diamètre nominal : d₀ = 10 mm → rayon r₀ = 5 mm
Longueur initiale : L₀ = 50 mm
Section initiale : S₀ = π × r₀² = π × (5×10⁻³)² = 7.85×10⁻⁵ m²
Force maximale atteinte : F_max = 60 kN = 60,000 N
Force à la limite élastique : F_e = 20 kN = 20,000 N
Allongement à la rupture : ΔL_r = 8 mm
Limite élastique : \( R_e = \frac{F_e}{S_0} = \frac{20,000}{7.85×10^{-5}} = 255×10^6 \text{ Pa} = 255 \text{ MPa} \)
Résistance à la traction : \( R_m = \frac{F_{max}}{S_0} = \frac{60,000}{7.85×10^{-5}} = 764×10^6 \text{ Pa} = 764 \text{ MPa} \)
Allongement à la rupture : \( A\% = \frac{\Delta L_r}{L_0} \times 100 = \frac{8}{50} \times 100 = 16\% \)
Cet acier a une limite élastique de 255 MPa et une résistance à la traction de 764 MPa
Avec 16% d'allongement, c'est un matériau ductile
Le module d'élasticité peut être déduit de la pente initiale du diagramme
L'essai de traction sur cet acier a révélé une limite élastique de 255 MPa, une résistance à la traction de 764 MPa et une ductilité de 16%, ce qui correspond à un acier de construction standard.
• Normalisation : Respecter les normes pour la comparabilité des résultats
• Calculs : Utiliser les sections initiales pour les contraintes
• Interprétation : Analyser la courbe pour extraire les propriétés
Essai de compression : Test pour déterminer la résistance en compression d'un matériau
Contrainte de compression : \( \sigma_c = \frac{F}{S_0} \) (positive)
Éprouvette cylindrique en béton
Diamètre : d = 150 mm → rayon r = 75 mm
Hauteur : h = 300 mm
Section : S₀ = π × r² = π × (0.075)² = 0.0177 m²
Essai effectué selon la norme NF EN 12390-3
Vitesse de chargement : 0.6 MPa/s
Température ambiante : 20°C
Humidité relative : 65%
Force maximale avant rupture : F_max = 450 kN = 450,000 N
Contrainte de compression maximale : \( \sigma_{c,max} = \frac{F_{max}}{S_0} = \frac{450,000}{0.0177} = 25.4×10^6 \text{ Pa} = 25.4 \text{ MPa} \)
La contrainte de compression maximale de 25.4 MPa correspond à la résistance caractéristique du béton
Pour un béton standard, cette valeur est comprise entre 20 et 40 MPa
Le béton est un matériau fragile en traction mais résistant en compression
Classe de résistance visée : C25/30
Limite inférieure : 25 MPa
Le béton testé atteint exactement la limite inférieure de la classe C25
L'essai de compression a révélé que le béton a une résistance de 25.4 MPa, ce qui correspond à la classe C25/30. Le béton est bien adapté aux sollicitations de compression telles que celles rencontrées dans les poteaux et dalles.
• Normalisation : Respecter les dimensions d'éprouvettes normalisées
• Vitesse de chargement : Contrôlée pour des résultats reproductibles
• Compression : Le béton est plus résistant en compression qu'en traction
Essai de flexion 3 points : Charge appliquée au centre d'une poutre posée sur deux appuis
Contrainte de flexion maximale : \( \sigma_f = \frac{3FL}{2bh^2} \)
Poutre rectangulaire en bois d'épicéa
Longueur entre appuis : L = 200 mm
Largeur : b = 20 mm
Hauteur : h = 40 mm
Section : S = b × h = 20 × 40 = 800 mm² = 8×10⁻⁴ m²
Essai de flexion 3 points selon la norme ISO 13061-4
Distance entre appuis : L = 200 mm
Position de la charge : au centre
Vitesse de déplacement : 2 mm/min
Force maximale avant rupture : F_max = 1200 N
Contrainte de flexion maximale : \( \sigma_f = \frac{3FL}{2bh^2} = \frac{3 \times 1200 \times 0.2}{2 \times 0.02 \times (0.04)^2} \)
\( \sigma_f = \frac{720}{2 \times 0.02 \times 0.0016} = \frac{720}{6.4×10^{-5}} = 11.25×10^6 \text{ Pa} = 11.25 \text{ MPa} \)
Pour l'épicéa :
- Résistance caractéristique en flexion : f_m,k = 24 MPa
- Valeur moyenne : f_m,mean = 34 MPa
Notre résultat de 11.25 MPa est inférieur aux valeurs de référence
Cela peut s'expliquer par des défauts (nœuds, fil de fil, etc.)
La rupture s'est produite par flexion, probablement due à un défaut local
Le bois est un matériau anisotrope avec des propriétés variables selon le sens des fibres
Plusieurs essais sont nécessaires pour une caractérisation statistique
La poutre en épicéa a résisté à une contrainte de flexion maximale de 11.25 MPa avant rupture. Cette valeur est inférieure aux valeurs nominales pour ce type de bois, ce qui peut s'expliquer par des défauts locaux dans l'échantillon.
• Flexion 3 points : Concentre les contraintes au centre de l'éprouvette
• Matériaux anisotropes : Les propriétés varient selon l'orientation
• Statistique : Plusieurs essais nécessaires pour une caractérisation fiable
Essai de dureté Brinell : Pression d'une sphère d'acier trempé dans le matériau
Dureté Brinell : \( HB = \frac{2F}{\pi D(D-\sqrt{D^2-d^2})} \)
Où F = force appliquée, D = diamètre de la sphère, d = diamètre de l'empreinte
Sphère en carbure de tungstène : D = 10 mm
Force appliquée : F = 3000 kgf = 3000 × 9.81 = 29,430 N
Durée d'application : 15 secondes
Température : 20°C ± 5°C
Deux diamètres mesurés perpendiculairement : d₁ = 4.2 mm, d₂ = 4.3 mm
Diamètre moyen : d = (d₁ + d₂)/2 = (4.2 + 4.3)/2 = 4.25 mm = 4.25×10⁻³ m
\( HB = \frac{2F}{\pi D(D-\sqrt{D^2-d^2})} \)
Calculons d'abord : \( \sqrt{D^2-d^2} = \sqrt{(10×10^{-3})^2-(4.25×10^{-3})^2} \)
\( = \sqrt{100×10^{-6}-18.06×10^{-6}} = \sqrt{81.94×10^{-6}} = 9.05×10^{-3} \text{ m} \)
\( HB = \frac{2 \times 29,430}{\pi \times 10×10^{-3} \times (10×10^{-3} - 9.05×10^{-3})} \)
\( HB = \frac{58,860}{\pi \times 10×10^{-3} \times 0.95×10^{-3}} = \frac{58,860}{2.985×10^{-5}} = 197.2 \)
HB = 197.2 correspond à un acier de dureté moyenne
Pour comparaison :
- Acier doux : HB ≈ 120-150
- Acier trempé : HB ≈ 400-600
- Fonte grise : HB ≈ 150-250
Cet acier a une dureté correspondant à un acier allié non traité thermiquement
La dureté est corrélée à d'autres propriétés mécaniques :
- Résistance à la traction : Rm ≈ 3.5 × HB (approximation)
- Résistance à l'usure : Plus la dureté est élevée, meilleure est la résistance
- Facilité d'usinage : Matériaux plus durs sont plus difficiles à usiner
L'essai de dureté Brinell a révélé une dureté de 197 HB pour ce matériau, ce qui correspond à un acier de dureté moyenne. La dureté est un indicateur important des propriétés mécaniques et de la facilité d'usinage.
• Norme : Respecter la norme ISO 6506 pour des résultats reproductibles
• Précision : Mesurer l'empreinte avec précision (au microscope)
• Corrélation : La dureté est liée à d'autres propriétés mécaniques
Essai de choc Charpy : Impact d'un marteau sur une éprouvette entaillée
Résistance au choc : \( K = mg(h_1-h_2) \) (énergie absorbée)
Résilience : \( a = \frac{K}{S} \) (énergie/unité de surface)
Éprouvette Charpy : 10×10×55 mm avec entaille en V
Angle de l'entaille : 45°
Profondeur de l'entaille : 0.25 mm
Marteau : masse m = 30 kg
Hauteur initiale : h₁ = 1.4 m
Essai selon la norme ISO 148-1
Température d'essai : 20°C
Surface de frappe : face opposée à l'entaille
Angle de chute du marteau : 150°
Hauteur finale atteinte par le marteau : h₂ = 0.6 m
Énergie absorbée : \( K = mg(h_1-h_2) = 30 \times 9.81 \times (1.4 - 0.6) \)
\( K = 30 \times 9.81 \times 0.8 = 235.4 \text{ J} \)
Surface de la section nette à l'entaille : S = (10-2×0.25) × 10 = 9.5 × 10 = 95 mm² = 9.5×10⁻⁵ m²
Résilience : \( a = \frac{K}{S} = \frac{235.4}{9.5×10^{-5}} = 2.48×10^6 \text{ J/m}^2 = 248 \text{ kJ/m}^2 \)
Une résilience de 248 kJ/m² indique un bon comportement en impact
Pour comparaison :
- Acier fragile : < 27 kJ/m²
- Acier ductile : > 27 kJ/m²
- Acier de construction : 40-100 kJ/m²
Cet acier montre une résilience élevée, indiquant un bon comportement en impact
La résilience dépend fortement de la température
Transition ductile-fragile : température en dessous de laquelle le matériau devient fragile
Essais à différentes températures permettent de déterminer la température de transition
Par exemple, pour un acier de construction : température de transition ≈ -20°C à 0°C
Les essais de choc sont cruciaux pour :
- Structures soumises à des chocs (rails, axes de machines)
- Applications en température froide (pipelines, structures arctiques)
- Contrôle qualité des soudures
- Évaluation de l'embrittlement
Résilience = 248 kJ/m²
L'essai de choc Charpy a révélé une énergie absorbée de 235 J et une résilience de 248 kJ/m², indiquant que le matériau a un bon comportement en impact. Cela le rend adapté aux applications soumises à des charges dynamiques.
• Entaille : Concentre les contraintes pour simuler un défaut
• Température : Critique pour les matériaux sensibles à la température
• Reproductibilité : Respecter la norme pour des résultats comparables
- Préparation : Conformité de l'éprouvette aux dimensions de la norme
- Conditionnement : Stabilisation de la température et humidité
- Montage : Positionnement correct dans l'appareil d'essai
- Exécution : Respect de la vitesse de chargement et conditions ambiantes
- Acquisition : Enregistrement précis des données
- Calcul : Application correcte des formules normalisées
- Les essais normalisés assurent la reproductibilité et la comparabilité des résultats
- Les conditions d'essai (température, humidité, vitesse) influencent les résultats
- Les propriétés mécaniques dépendent du mode de sollicitation
- La dureté est corrélée à d'autres propriétés mécaniques
- Les essais de choc sont sensibles à la température et aux défauts