ASTM D638 : le véritable guide des essais de traction sur plastique

Comment réaliser un essai de résistance à la traction sur des plastiques selon la norme ASTM D638

Écrit par Erica Lawrence

Que mesure-t-elle ?

La norme ASTM D638 est réalisée sur une machine de traction en appliquant une force de traction sur un morceau d’échantillon et en mesurant diverses propriétés du matériau de l’échantillon sous contrainte. L’essai est effectué sur une machine d’essai universelle à un taux de traction allant de 1 à 500 mm/min jusqu’à la rupture de l’échantillon. Bien que la norme ASTM D638 mesure de nombreuses propriétés de traction différentes, celles qui suivent sont les plus fréquentes :

• La résistance à la traction– la quantité de force pouvant être appliquée à un matériau avant qu’il ne cède (s’étire irrémédiablement) ou ne se brise.
• Le module de traction – le degré de déformation (étirement) d’un matériau en réponse à une contrainte avant qu’il ne cède. Le module est une mesure de la rigidité du matériau.
• L’allongement– est l’augmentation de la longueur initiale après la rupture divisée par la longueur initiale originale. Un allongement plus important indique une ductilité plus élevée.
• Le coefficient de Poisson est la mesure de la relation entre l’allongement longitudinal et le rétrécissement transversal l’accompagnant au cours du processus d’étirement.

La norme ASTM D638 est-elle appropriée pour vous ?

Il existe de nombreuses méthodes d’essai différentes pour différents types de plastiques. La norme ASTM D638 s’applique uniquement aux échantillons de plastique rigide d’une épaisseur comprise entre 1,00 mm et 14 mm. Si votre échantillon est une feuille ou un film de moins de 1,00 mm d’épaisseur, il doit être testé selon la norme ASTM D882. Bien qu’elle fournisse des résultats similaires à ceux de la norme ISO 527-2, la norme ASTM D638 n’est pas considérée comme techniquement équivalente en raison des différences dans la taille des échantillons et les exigences d’essai. Si certains grands fabricants multinationaux réalisent des essais à la fois selon les normes ASTM D638 et ISO 527-2, la plupart de nos clients manifestent une préférence pour l’une ou l’autre de ces normes en fonction de leur situation géographique. Les fabricants nord-américains préfèrent généralement la norme ASTM D638, tandis que ceux d’Europe et d’Asie préfèrent principalement la norme ISO 527-2. Les clients en Chine réalisent des essais selon les deux normes ASTM D638 et ISO 527-2. Ces méthodes d’essais sont disponibles dans les modules d’applications de Bluehill^®® Universal, lesquels contiennent des modèles de méthodes préconfigurés pour les normes ISO et ASTM les plus couramment utilisées.

Système d’essai des matériaux

La plupart des essais selon la norme ASTM D638 sont réalisés sur une machine de traction comme la série 6800 d’Instron. Un système de 5 kN ou 10 kN (1125 ou 2250 lbf) est le plus courant, mais au fur et à mesure que la résistance des plastiques renforcés et des composites augmente, des unités de plus grande capacité – telles que des systèmes de 30 kN ou 50 kN peuvent être nécessaires.

Mâchoires

Il est important que les échantillons soient maintenus fermement à l’intérieur de la machine d'essai de traction. Les mords pneumatiques à action latérale avec les faces de mâchoire dentelées sont souvent les meilleurs mords pour maintenir des plastiques rigides. Avec des  pneumatiques, la force de préhension est maintenue par la pression d’air qui reste constante même si l’épaisseur de l’échantillon change de manière significative au cours de l’essai. Pour des forces supérieures à 10 Kn, généralement uniquement trouvées avec des matériaux renforcés, des mords manuels à action de coin sont préférables.

Types d’échantillons

Il existe cinq types d’échantillons autorisés par la norme ASTM D638 qui diffèrent en fonction de l’épaisseur de l’échantillon et de la quantité de matériau disponible. Les échantillons les plus couramment utilisés sont des échantillons de type I, qui mesurent 3,2 mm d’épaisseur et sont généralement créés par moulage par injection. Les échantillons de type I ont une longueur totale de 165 mm et une largeur de 13 mm, avec une longueur de jauge de 50 mm. Les spécimens plats sont généralement moulés, découpés ou usinés selon une forme « d’os » ou « d’haltère », ce qui garantit que la cassure se produit au centre de l’échantillon plutôt que dans les zones de serrage. En plus des échantillons plats, la norme ASTM D638 permet également les essais sur des tubes rigides et des tiges, qui doivent également être usinées en forme d’os. Dans les cas où le matériau est en quantité limitée, de nombreux laboratoires utilisent des échantillons de type IV ou V. Les dimensions requises pour les échantillons de type IV sont les mêmes que celles requises pour la découpe C de la norme ASTM D412, ce qui signifie que la même découpe peut être utilisée. Les échantillons de type V sont les plus petits, avec une longueur de jauge de seulement 0,7 cm (0,3 po).

 

Mesure de l’échantillon

Tous les échantillons doivent être mesurés avant l’essai, conformément à la norme ASTM D5947. La plupart des micromètres classiques devraient convenir pour effectuer ces mesures. Pour que le système d’essai affiche les mesures de contrainte plutôt que les simples mesures de force, les opérateurs devront saisir la section transversale (ou l’épaisseur et la largeur) de l’échantillon, car la contrainte est calculée en divisant la force par la section transversale de l’échantillon (en unités Psi, Pa, kPa, GPa, etc.).

Les échantillons découpés ou usinés doivent être mesurés individuellement, mais les opérateurs utilisant des échantillons moulés par injection doivent uniquement mesurer un seul échantillon par lot si la variation dans ce lot s’avère être inférieure à 1 %. Les échantillons moulés par injection sont souvent produits avec un angle d’ébauche au lieu d’être parfaitement carrés, ce qui doit être pris en compte lors de la mesure de l’échantillon. Il faut toujours s’assurer que les mesures de largeur sont prises au centre de l’angle d’ébauche.

La fonction « Instrument de mesure automatique de l’échantillon » de Bluehill Universal permet aux opérateurs de connecter jusqu’à deux micromètres ou appareils de mesure à l’ordinateur et entrer les données directement dans le logiciel. Cela élimine les risques d’erreurs de saisie et augmente l’efficacité.

Alignement des échantillons

Les échantillons doivent être maintenus perpendiculairement aux faces de la mâchoire et ne pas êtres inclinés selon un angle pour assurer un essai réussi. Des échantillons mal alignés peuvent entraîner une variation majeure des résultats et il convient donc de veiller à ce que les échantillons soient tous alignés de manière cohérente pour chaque essai. Il est possible d’éviter un mauvais alignement en utilisant une taille de mâchoire proche de la largeur de l’échantillon ce qui permet d’ajuster visuellement l’alignement relativement plus facilement. Mais la façon la plus simple d’empêcher le mauvais alignement est d’utiliser un dispositif d’alignement d’échantillon qui se monte directement sur les mâchoires. Il s’agit d’une barre simple qui fournit un point d’arrêt réglable afin que les opérateurs puissent facilement vérifier que leur échantillon a été aligné correctement.

Lorsque les mâchoires sont serrés sur les échantillons en plastique en préparation de l’exécution d’un essai, des forces de compression indésirables sont souvent appliquées. Ces forces, bien que réduite, peuvent interférer avec les résultats des essais si elles ne sont pas traitées correctement : il est important qu’elles ne soient pas équilibrées après l’insertion de l’échantillon, car cela entraînerait un décalage des résultats. Le logiciel de Bluehill Universal peut être programmé pour normaliser les forces sur plusieurs échantillons et éliminer tout relâchement ou force de compression, garantissant ainsi des résultats homogènes entre les échantillons. Sur les machines d’essais universels de la série 6800, nous recommandons également l’utilisation du système de protection des échantillons qui est conçu pour éviter d’endommager l’échantillon ou le système pendant la phase de réglage d’un essai et avant que ses limites opérationnelles ne soient définies. Lorsque l’appareil est allumé, la protection de l’échantillon ajuste automatiquement la traverse afin de maintenir les forces indésirables sous une certaine limite.

Regardez cette vidéo pour en savoir plus sur la fonction de protection de l’échantillon.

Extensomètres pour les essais de traction

Le module d’élasticité, qui est la quantité d’étirement ou de déformation subis par l’échantillon en réponse à la force de traction, est l’un des types de données les plus importants recueillis au cours de l’essai de traction du plastique selon la norme ASTM D638. Les utilisateurs ont besoin d’un dispositif de mesure de contrainte approprié, un extensomètre, pour recueillir ces données. Les extensomètres pour mesurer le module doivent être conformes à la norme ASTM E83 Classe B-2.

Plusieurs options d’extensomètre sont également disponibles en fonction des besoins de votre laboratoire. Le type le plus simple est un extensomètre clipsable à longueur de jauge fixe de la série 2630. Un opérateur doit le clipser directement sur l’échantillon au début de chaque essai et le retirer après que l’échantillon ne s’étire ou avant qu’il ne se rompe. En cas d'essai pour le coefficient de Poisson, un extensomètre transverse doit également être ajouté pour mesurer la variation de largeur dans la zone élastique de l’échantillon. Un extensomètre transverse autonome peut être utilisé pour compléter un extensomètre à clipser ou automatique existant, ou un dispositif biaxial peut être utilisé pour mesurer simultanément la déformation transversale et axiale.

L’AutoX750 est un extensomètre qui se fixe automatiquement à l’échantillon sans intervention de l’opérateur. Ce système est utile dans les laboratoires qui ont besoin d’un débit élevé, car ils éliminentle besoin de manipulation par l’opérateur qui prend beaucoup de temps ainsi qu’a obtenir un positionnement plus précis sur un grand nombre d’échantillons. Un positionnement précis permet d’obtenir des valeurs de module plus reproductibles. En cas d'essai à l’aide d’autres normes, comme la norme ASTM D790, les extensomètres automatiques offrent également la flexibilité d’utiliser différentes longueurs de jauge avec un seul dispositif. Souvent, les plastiques testés sont finalement destinés à être utilisés dans des conditions non ambiantes. Pour simuler ces applications d’utilisation finale, l’essai selon la norme ASTM D638 est effectué à l’intérieur d’une chambre de température où un chauffage ou un refroidissement (LN2 ou CO2) peut être appliqué. Dans ces cas, un Extensomètre vidéo avancé sans contact (AVE2) est l’option recommandée. L’AVE 2 permet de collecter les données du module sans que l’opérateur n’ait besoin d’ouvrir ou de fermer la chambre, ce qui cause des fluctuations de température pendant l’essai.

Calculs et résultats

Lors de la présentation des résultats d’essais, il est important de s’assurer que les modalités sont correctement définies afin de garantir la conformité à la norme et de faciliter la comparaison des données entre différents laboratoires. L’erreur la plus fréquente dans les rapports de données est de signaler les valeurs de déformation à l’aide d’un source incorrecte (l’extensomètre au lieu de la traverse), ce qui peut entraîner des résultats considérablement différents.

Les normes d'essai des matières plastiques font référence à un terme appelé déformation nominale, qui est définie différemment selon la méthode d’essai utilisée. Pour ASTM D638, la déformation nominale est définie comme la déformation mesurée à partir du déplacement de la traverse et non pas de l’extensomètre. En effet, le plastique ne se rompt pas de façon homogène et la déformation est souvent concentrée sur une partie disproportionnément petite de l’échantillon, une propriété connue sous le nom de « striction ». Pour tous les matériaux présentant un point de striction ou d’étirement, le pourcentage d’élongation à la rupture ne peut pas être mesuré par l’extensomètre, car la striction peut se produire en dehors de la longueur de référence d’extensomètre. Par conséquent, une déformation nominale doit être utilisée pour signaler le pourcentage d’allongement à tout moment après l’étirement. L’utilisation d’un extensomètre pour la déformation à la rupture n’est acceptable que si la déformation est homogène dans l’échantillon et ne présente pas de striction ou d’étirement.

Le module

Les plastiques qui présentent différents comportements peuvent nécessiter l’utilisation de différents calculs de module pour capturer correctement la partie élastique du test. La plupart des logiciels d'essais modernes permettent la personnalisation des calculs de module. Comprendre comment le module est calculé est essentiel pour garantir la cohérence des résultats.

Pour un matériau qui ne présente pas une partie linéaire réelle, un module sécant est généralement recommandé, créant une ligne de module entre zéro et tout point défini par l’utilisateur sur la courbe. Les calculs de module sécants forment une ligne la mieux adaptée possible entre un point de départ et un point d’extrémité spécifiques et effectuent un ajustement des moindres carrés. Le plus souvent, un calcul du module de Young est utilisé, déterminant la pente sur plusieurs régions et signalant la pente la plus abrupte par l’ajustement des moindres carrés. Bluehill Universal permet aux utilisateurs de définir un certain nombre de régions ou d’utiliser le calcul du module de Young automatique.

Débit global

Pour les laboratoires ayant des besoins d'essais importants, plusieurs modifications du réglage de la machine de traction peuvent être effectuées pour accélérer le processus d'essais et augmenter le débit, jusqu’à et y compris des systèmes d'essai entièrement automatisés. Les systèmes entièrement automatisés sont conçus pour intégrer la mesure, le chargement, l’essai et le retrait des échantillons et sont capables de fonctionner pendant des heures sans que l’opérateur ait à intervenir. Ces systèmes aident à réduire la variabilité en raison d’une erreur humaine et peuvent être laissés en course après un quart de travail pour continuer à obtenir des résultats lorsque les opérateurs rentrent chez eux.

Vous trouverez une autre description de l’essai de traction plastiques dans la norme ASTM D638.