ESSAIS DE TRACTION

pourquoi, quand, et comment faire un essai de traction

Les essais de traction constituent un type fondamental d’essais mécaniques effectués par des ingénieurs et des scientifiques des matériaux dans des sites de fabrication et de recherche du monde entier. Un essai de traction applique une force à un éprouvette de matériau et mesure la réponse de l’éprouvette à la contrainte de traction. Ce type d’essai fournit un aperçu des propriétés mécaniques d’un matériau et permet aux concepteurs de produits de prendre des décisions éclairées sur le moment, le lieu et la manière d’utiliser un matériau donné.

Pourquoi effectuer un essai de traction?

Les essais de traction et la caractérisation des matériaux sont essentiels pour les fabricants et les chercheurs de tous les secteurs. Pour qu’un matériau soit sélectionné pour un nouveau produit ou une nouvelle utilisation, les chercheurs doivent s’assurer qu’il peut résister aux forces mécaniques qu’il rencontrera dans son application finale. Par exemple, le caoutchouc des pneus doit être suffisamment élastique pour absorber les irrégularités au niveau de la surface des routes, tandis que les sutures chirurgicales doivent être suffisamment solides pour maintenir les tissus vivants ensemble. De plus, matériaux et produits peuvent être exposés à des forces mécaniques pendant de courtes ou longues périodes, avec une utilisation cyclique ou répétée, et cela dans une grande variété de conditions de température et d’environnement différentes. Les pneus automobiles doivent pouvoir durer un certain nombre de kilomètres dans diverses conditions météorologiques, tandis que les sutures chirurgicales, bien qu’utilisées une seule fois, doivent maintenir une résistance à la traction constante suffisamment longtemps pour que le corps cicatrise.

En plus de son importance pour les processus R&D, les essais de traction sont également utilisés par les services d’assurance qualité pour s’assurer que les lots de produit fini répondent aux spécifications requises pour les propriétés de traction. Cela est important tant d’un point de vue de la sécurité que commercial, car les produits défectueux peuvent être dangereux pour l’utilisateur final et peuvent également causer des dommages importants aux fabricants sous la forme de retards de production, de pertes de revenus et d’atteintes à leur réputation.

COMMENT EFFECTUER UN ESSAI DE TRACTION Introduction aux principes de base des essais de traction

Les essais de traction sont effectués sur des machines d’essais de traction universelles, également appelées machines de traction ou d’essais de traction. Ces machines se composent d’un bâti à colonne unique ou double équipé d’une cellule de charge, d’un logiciel d’essai, de mors, et d’accessoires spécifiques à l’application comme des extensomètres. Les machines d’essais universelles sont disponibles dans une grande variété de capacités de force et peuvent être configurées avec différents appareils pour tester n’importe quel produit, composant ou matériau.

Machine d’essais de traction
Cadre de charge Les machines d’essais de traction peuvent être configurer en une ou deux colonnes une ou deux colonnes en fonction de leur capacité de force.
Logiciel Le logiciel d'essai permet aux opérateurs de configurer les méthodes d'essai et les résultats de sortie.
Cellule de charge La cellule de charge est un transducteur qui mesure la force appliquée à l’éprouvette. Les cellules de charge d’Instron sont précises jusqu’à 1/1 000 de la capacité de charge.
Mors et fixations Une large plage de mors et de dispositifs sont disponible pour tester des échantillons de matériaux, formes et tailles différents.
Mesure de la déformation Certaines méthodes d'essai nécessitent la mesure de l’allongement de l’échantillon sous charge. L’AVE2 d’Instron peut mesurer les modifications de la longueur de l’échantillon jusqu’à ±1 µm ou 0,5 % de la lecture.

CONFIGURATION D’UN ESSAI DE TRACTION

Afin d’effectuer un essai de traction, un opérateur doit effectuer diverses tâches pour s’assurer que l’essai est effectué conformément aux normes d’essai internes et/ou externes. En fonction du laboratoire, ces tâches peuvent être partiellement ou entièrement automatisées, bien que la responsabilité de l’exactitude de la configuration incombe toujours à l’opérateur.

Sélection de la méthode d’essai

Une fois que vous avez chargé votre éprouvette dans le système et fixé votre extensomètre, vous pouvez commencer votre essai. Lors de la configuration de votre essai, vous aurez sélectionné la méthode d’essai appropriée dans votre logiciel d’essai et aurez saisi tous les paramètres nécessaires concernant la vitesse de l’essai, les mesures des éprouvettes ou les critères de fin. Après avoir demandé au système de démarrer, la machine appliquera une force de traction à votre éprouvette comme prescrit par la méthode d’essai et enregistrera les données lorsque votre éprouvette répondra à la contrainte. Une fois l’essai terminé, l’échantillon peut être retiré et les données exportées pour une autre étude.

Préparation des éprouvettes

La géométries des éprouvettes varie considérablement en fonction du matériau testé, de la méthode d’essai ou de la norme utilisée. Les organismes de normalisation tels que l’ASTM et l’ISO ont des exigences normalisées en matière d’éprouvettes pour différents matériaux, ce qui permet de comparer leurs propriétés de manière fiable entre différents lots et fabricants.

Les éprouvettes de traction sont généralement usinés ou moulés sous pression en forme d’os, ce qui fournit d'une part des « épaules » conçues pour être maintenues par les mors de la machine d’essai et une « longueur de référence » où les propriétés de traction seront mesurées. Les dimensions de ces épaules, la longueur de référence entre elles, ainsi que la longueur et la largeur de l’éprouvette entier sont toutes prescrites par la norme d’essai.

Insertion de l’éprouvette dans les mors

En fonction des dimensions et de la texture du matériau, différents types de préhension et différentes surfaces de face de mordaches peuvent être nécessaires afin de bien amarrer les éprouvettes. Les mors sont disponibles dans une grande variété de capacités de force et avec revêtement en caoutchouc, surface lisse, dentelée et d’autres types de surface. Afin de s’assurer que la force est appliquée dans la bonne direction, différents dispositifs d’alignement sont disponibles pour aider les opérateurs lors de l’insertion d’une éprouvette dans les mors.

Dispositifs de mesure de la déformation

placement de l’extensomètre sur un échantillon de tension

La déformation est une mesure de la déformation d’un éprouvette sous contrainte et constitue une partie de base de la caractérisation des matériaux requise par la plupart des normes d’essai. Des dispositifs de mesure de la déformation tels que les extensomètres sont généralement utilisés pour prendre cette mesure. Les dispositifs avec contact tels que les extensomètres clipsables sont fixés à l’éprouvette après qu’il a été placé dans les mors.

Commencer l’essai

Une fois que vous avez chargé votre éprouvette dans le système et fixé votre extensomètre, il est temps de commencer votre essai. Lors de la configuration de votre essai, vous aurez sélectionné la méthode d’essai appropriée dans votre logiciel d’essai et aurez saisi tous les paramètres nécessaires concernant la vitesse d’essai, la mesure des éprouvettes ou les critères de fin. Après avoir enclanché le démarrage, la machine appliquera une force de traction à votre éprouvette comme prescrit par la méthode d’essai et enregistrera les données lorsque votre éprouvette répondra à la contrainte. Une fois l’essai terminé, l’éprouvette peut être retirée et les données exportées pour analyse.

ANALYSE DES DONNÉES D’ESSAI DE TRACTION Comprendre les propriétés mécaniques des matériaux

Mesurer un matériau ou un produit en traction permet aux fabricants d’obtenir un profil complet de ses propriétés de traction. Lorsqu'elles sont reportées sur un graphique, ces données donnent une courbe de contrainte/déformation qui montre comment le matériau réagit aux forces appliquées. Bien que les différentes normes exigent la mesure de différentes propriétés mécaniques, les points d’intérêt les plus importants sont généralement le point de rupture ou de défaillance, le module d’élasticité, la limite d'élasticité et la déformation.

Résistance finale à la traction

L'une des propriétés les plus importantes que nous pouvons déterminer pour un matériau est sa résistance ultime à la traction. Il s'agit de la contrainte maximale que subit une éprouvette pendant l'essai. L'UTS (ultimate tensile strength) peut ou non correspondre à la résistance à la rupture de l’échantillon, selon que le matériau est fragile, ductile ou présente les deux propriétés. Il arrive qu’un matériau soit ductile lors de l’essai en laboratoire, mais une fois en service et exposé à des températures extrêmement froides, il peut devenir friable.

La loi de Hooke

Pour la plupart des matériaux, la partie initiale de l'essai présente une relation linéaire entre la force ou la charge appliquée et l'allongement présenté par l’éprouvette. Dans cette région linéaire, la ligne obéit à la relation définie comme la « loi de Hooke » où le rapport entre la contrainte et la déformation est une constante. E est la pente de la ligne dans cette région où la contrainte (σ) est proportionnelle à la déformation (ε) et est appelée le module d'élasticité ou module de Young.

$$E = {σ\ \overε}$$

Module d’élasticité

Le module d'élasticité est une mesure de la rigidité du matériau qui ne s'applique que dans la région linéaire initiale de la courbe. Dans cette région linéaire, la charge de traction peut être enlevée de l’éprouvette et le matériau retrouvera exactement le même état qu'avant l'application de la charge. Au moment où la courbe n'est plus linéaire et s'écarte de la relation linéaire, la loi de Hooke ne s'applique plus et une certaine déformation permanente se produit dans l’échantillon. Ce point est appelé limite élastique ou proportionnelle. À partir de ce point de l'essai de traction, le matériau réagit plastiquement à toute nouvelle augmentation de la charge ou de la contrainte. Il ne reviendra pas à son état initial, sans contrainte, en cas de suppression de la charge.

Limite d’élasticité

La limite d'élasticité d'un matériau est définie comme la contrainte appliquée au matériau à laquelle la déformation plastique commence à se produire.

Méthode de décalage

Pour certains matériaux (par exemple les métaux et les plastiques), l'écart par rapport à la région élastique linéaire ne peut pas être facilement identifié. Par conséquent, une méthode décalage pour déterminer la limite d'élasticité du matériau est autorisée. Cette méthodologie est couramment appliquée lors de la mesure de la limite d’élasticité des métaux. Lors d’essais de métaux conformément à la norme ASTM E8/E8M, un décalage est spécifié en pourcentage de déformation (généralement 0,2 %). La contrainte (R) qui est déterminée à partir du point d’intersection « r » lorsque la ligne de la région élastique linéaire (avec une pente égale au module d’élasticité) est déduite du décalage « m » devient la limite d’élasticité du décalage.

Autres modules

Les courbes de traction de certains matériaux ne présentent pas de région linéaire très bien définie. Dans ces cas, la norme ASTM E111 prévoit des méthodes alternatives pour déterminer le module d’un matériau, ainsi que le module de Young. Ces autres modules sont le module sécant et le module tangent.

Déformation

Nous pourrons également trouver la valeur d'étirement ou d'allongement que l'éprouvette subit pendant l'essai de traction. Elle peut être exprimée comme une mesure absolue de la variation de longueur ou comme une mesure relative appelée « déformation ». La déformation elle-même peut être exprimée de deux manières différentes, comme « déformation de conception » et « déformation vraie ».

La déformation de conception est probablement l’expression la plus simple et la plus courante de la déformation utilisée. Il s'agit du rapport entre le changement de longueur et la longueur initiale :

$$e = {L-Lₒ \ \over Lₒ} = { \Delta L\over Lₒ}$$

La déformation vraie est similaire, mais elle repose sur la longueur instantanée de l’éprouvette pendant l’avancée de l'essai, où L_i est la longueur instantanée et L₀ la longueur initiale.

$$ε = In {Lᵢ \ \over Lₒ}$$

ÉQUIPEMENT D’ESSAIS DE TRACTION INSTRON Systèmes, composants et pièces

Les machines d’essai de traction sont disponibles sous plusieurs tailles et capacités de force différentes allant de 0,02 à 2 000 kN. La plupart des essais traction à force faible sont effectués sur une machine électromécanique de table à une colonne ou à deux colonnes, tandis que les applications de force supérieure nécessitent des modèles avec un châssis au sol. Les systèmes de la série 6800 d’Instron sont disponibles dans des plages de capacité allant jusqu’à 300 Kn et permettent de réaliser une large gamme de types d'essais différents, notamment traction, compression, cintrage, décollement, déchirure, cisaillement, friction, torsion, perforation, etc. Les systèmes servo-hydrauliques de la série industrielle d’Instron sont conçus pour des essais de capacité encore plus élevés des métaux haute résistance, des alliages et des composites avancés.

Systèmes d’essais universels de la série 6800

Systèmes d’essais universels jusqu’à 300 kN

Systèmes d’essais avec modèles sur table et de sol à colonne unique et double disposant d’une plage de capacité de force allant de 0,02 N (2 gf) à 300 kN.

Plus d’informations

Systèmes d’essais universels industriels jusqu’à 2 000 kN

La série industrielle d’Instron comprend des châssis avec des espaces d’essai simples ou doubles et une plage de capacité de force allant de 300 kN à 2 000 kN.

Plus d’informations

Mors de traction
Pour tester les plastiques, métaux, composites, élastomères, textiles et composants

Mors pneumatiques de traction à action latérale
Réf. catalogue 2712-XXX

Nos mors de traction le plus populaire et installé sur plus de la moitié de toutes les machines d’essais universelles Instron. Ces mors sont faciles à utiliser, extrêmement polyvalents et efficaces pour les essais à volume élevé. Capacité de force jusqu’à 10 kN.

Mors mécaniques manuels à étau
Réf. catalogue 2716-XXX

Une conception des mors de traction classique, simple et robuste; les mâchoires manuels à étau sont parfaits pour les métaux, les composites et le plastique. Conçu pour faciliter le chargement, l’alignement et le positionnement des éprouvettes. Capacité de force jusqu’à 250 kN.

Mors à vis avancés à action latérale
Réf. catalogue 2710-XXX

Les mors à vis constituent une méthode très simple et efficace pour maintenir les éprouvettes d’essai et sont le plus souvent utilisés pour les applications biomédicales, de films plastiques, l'électronique et les adhésifs. Capacité de force jusqu’à 10 kN.

Mors hydrauliques avancés à étau
Réf. catalogue 2742-XXX, 2743-XXX

Les meilleurs mors disponibles pour la plupart des applications d’essais de traction sur métal et composites. Une pompe hydraulique à mors est nécessaire pour les installer sur un système électromécanique. Capacité de force jusqu’à 500 kN.

Mors à roulement auto-serrant
Réf. catalogue 2713-XXX

Mors de traction auto-serrants simples et efficaces, parfaits pour les élastomères et les films fins. Capacité de force jusqu’à 5 kN.

Amarrages pneumatiques pour cordes et fil textile

Mors pneumatiques pour cordes et fil textile
Réf. catalogue 2810-410, 2714-XXX

Mors conçus spécifiquement pour les essais de traction de fils textiles, cordes, cordons, tubes, sutures et câbles.

Amarrages à étau hydrauliques 1 500 kN rupture de barre d’armature

Mors hydrauliques à étau
Réf. catalogue W-52XX, 53XX

Mors à étau hydrauliques pour les systèmes d’essais universels hydrauliques statiques haute capacité d’Instron. Capacité de force jusqu’à 2 000 kN.

Amarrages hydrauliques à double effet latéral, 250 kN Réf. catalogue W-5450

Mors hydrauliques à action latérale
Réf. catalogue W-54XX

Les mors hydrauliques à action latérale DuraSync™ haute capacité offrent des performances de préhension, une facilité d'utilisation et une sécurité de l'opérateur améliorées par rapport aux conceptions des mors traditionnels. Capacité de force jusqu’à 2 000 kN.

Extensomètres
Solutions avec contact et sans contact pour la mesure de la déformation

extensomètre à contact automatique sur machine de tension

Extensomètre automatique vidéo sans contact

Un extensomètre vidéo est un extensomètre sans contact qui peut mesurer la déformation en suivant le mouvement de deux marqueurs fixés sur l’éprouvette, à l’aide de notre technologie de caméra numérique haute résolution.

extensomètre à contact automatique sur machine d’essais de tension

Extensomètre automatique avec contact
Réf. catalogue 2665-750

L’AutoX750 maximise l’efficacité et les revenus tout en maintenant des normes de qualité élevées et des conditions de fonctionnement sûres.

extensomètre statique axial à clips sur machine d’essais de tension servohydraulique

Extensomètre statique axial à clip-on
Réf. catalogue 2630-XXX

Les extensomètres statiques axiaux à clips d’Instron sont une solution rapide et facile pour mesurer la déformation et sont adaptés à une large gamme de matériaux tels que les plastiques, les métaux et les composites.

NORMES DES ESSAIS DE TRACTION Normes pour les essais sur des plastiques, élastomères et métaux

La plupart des essais de traction sont réalisés conformément aux normes établies publiées par les organismes de normalisation tels que l’ASTM et l’ISO. Les normes d’essai prescrivent des paramètres d’essai acceptables et des résultats pour différents types de matières premières, telles que les métaux, les plastiques, les élastomères, les textiles et les composites, ainsi que pour les produits finis tels que les dispositifs médicaux, les pièces automobiles et l’électronique grand public. Ces normes garantissent que les matériaux et les produits entrant dans la chaîne d’approvisionnement affichent des propriétés mécaniques prévisibles et ne sont pas susceptibles d’échouer dans leur utilisation finale prévue. Étant donné que les implications en matière de coût et de sécurité d’un échec du produit ne peuvent pas être estimées, les entreprises sont encouragées à investir dans des équipements d’essai précis et de haute qualité conçus pour les aider à déterminer facilement si leurs produits répondent aux normes en vigeur.

ASTM D638 / ISO 527-2

ASTM D638 et ISO 527-2 sont deux des normes les plus courantes utilisées pour évaluer les propriétés de traction des plastiques renforcés et non renforcés. Bien que ces normes mesurent de nombreuses propriétés de résistance à la traction, les plus courantes sont : résistance à la traction, module de traction, élongation et coefficient de Poisson.

ASTM D412 / ISO 37

ASTM D412 et ISO 37 sont les normes les plus courantes pour déterminer les propriétés de traction du caoutchouc vulcanisé (thermodurci) et des élastomères thermoplastiques. Les composés de cette famille sont utilisés pour créer une vaste gamme de produits allant des pneus aux gants médicaux en passant par les joints toriques. Les mesures clés pour les essais sur les élastomères comprennent : élongation ultime et jeu de traction.

ASTM E8 / ASTM A370 / ISO 6892

ASTM E8, ASTM A370 et ISO 6892 sont des normes majeures pour les essais de traction sur les métaux et les matériaux métalliques. Les méthodes de contrôle des tests sont une préoccupation majeure pour les essais sur les métaux, et il est nécessaire d’avoir une compréhension approfondie de la conformité croisée et du contrôle de la déformation pour produire des résultats d’essais précis.

Vous trouverez ci-dessous une liste de certaines des normes internationales d’essais de traction les plus courantes.

ASTM

ASTM A370 | Definitions des essais mécaniques sur les produits en acier
ASTM A416 | Spécification standard pour torons en acier sept fils à faible relâchement pour béton précontraint
ASTM A48 | Spécification standard pour les pièces moulées en fonte grise
ASTM A746 | Spécification standard pour tuyau d’égout gravitaire en fonte ductile
ASTM A996 | Spécification standard pour barres déformées rail-acier et essieu-acier pour le renforcement du béton
ASTM C297 | Méthode d’essai standard pour la résistance à la traction à plat des constructions en sandwich
ASTM D1037 | Méthodes d’essai standards pour l’évaluation des propriétés des matériaux à base de fibres de bois et de panneaux de particules
ASTM D1414 | Méthodes d’essai standard pour les joints toriques en caoutchouc
ASTM D1708 | Méthode d’essai standard pour les propriétés de traction des plastiques à l’aide d’échantillons de micro-tension
ASTM D2256 | Méthode d'essai standard pour les propriétés de traction des fils par la méthode monobrin
ASTM D3039 | Méthode d’essai standard pour les propriétés de traction des matériaux composites à matrice polymère
ASTM D4018 | Méthodes d’essai standards pour les propriétés des câbles en fibre de carbone et de graphite à filament continu
ASTM D412 | Méthodes d’essai standards pour la —traction du caoutchouc vulcanisé et des élastomères thermoplastiques
ASTM D4632 | Méthode d'essai standard pour la charge de rupture d’arrachement et l’allongement des géotextiles
ASTM D5034 | Méthode d’essai standard pour la résistance à la rupture et l’allongement des tissus textiles (essai d’arrachement)
ASTM D5035 | Méthode d’essai standard pour la force de rupture et l’allongement des tissus textiles (méthode à bandes effilochées )
ASTM D5766 | Méthode d’essai standard pour la résistance à la traction à trou ouvert des stratifiés composites à matrice polymère
ASTM D5961 | Méthode d'essai standard pour la réponse de roulement des stratifiés composites à matrice polymère
ASTM D638 | Méthode d’essai standard pour les propriétés de traction des plastiques
ASTM D7269 | Méthodes d’essai standards pour les essais de traction des fils d’aramide
ASTM D882 | Méthode d’essai standard pour les propriétés de traction des feuilles de plastique fines
ASTM A416 | Spécification standard pour torons en acier sept fils à faible relâchement pour béton précontraint
ASTM D885 | Méthodes d’essai standards pour les câbles de pneus, les tissus de câbles de pneus et les fils de filaments industriels
ASTM F2150 | Essais de traction des hydrogels polymères
ASTM F606 | Essais de traction des fixations, rondelles, indicateurs de traction directe et rivets
ASTM F2516 | Méthode d’essai standard pour essais de traction des matériaux superélastiques nickel-titane
ASTM E8 | Méthodes d’essai standards pour essais de traction des matériaux métalliques

ISO

ISO 10319 | Essais de traction à grande largeur des géosynthétiques
ISO 10555 | Essais de traction des cathéters intravasculaires stériles et à usage unique
ISO 11193 | Essais de traction des gants médicaux à usage unique
ISO 13934 | Essais de traction des tissus (méthode par arrachement)
ISO 15630 | Essais sur acier pour renforcement et précontrainte du béton
ISO 1798 | Résistance à la traction et allongement à la rupture des matériaux polymériques cellulaires flexibles
ISO 1926 | Propriétés de traction des plastiques cellulaires rigides
ISO 2062 | Force de rupture et allongement à la rupture des fils
ISO 3183 | Essais de traction de tuyau et tube
ISO 37 | Propriétés de traction du caoutchouc vulcanisé ou thermoplastique
ISO 527-2 | Propriétés de traction des plastiques
ISO 527-3 | Essais de traction des films et feuilles plastiques fins
ISO 527-4 | Propriétés de traction des composites plastiques renforcés de fibres isotropes et orthotropes
ISO 6892 - Essais de traction des métaux et matériaux métalliques

Autre

ANSI/AWS B4.0 | Méthodes standards pour les essais mécaniques des soudures
BS EN 319 | Résistance à la traction des panneaux de particules et de fibres
BS EN 2561 | Essais de traction des plastiques renforcés de fibre de carbone
BS EN 2597 | Propriétés de traction des plastiques unidirectionnels renforcés de fibre de carbone
IS 1608 | Essais de traction des matériaux métalliques à température ambiante
TAPPI 220, 456, & 494 | Essais de traction du papier