ISO 527-4 Essai de traction des matériaux composites

Écrit par Ian McEnteggart

Un essai ISO selon la norme ISO 527-4 est réalisé en appliquant une force de traction à un échantillon en lui mesurant diverses propriétés sous contrainte. Il est effectué sur une machine d’essai universelle (également appelée machine de traction) à une vitesse de traverse fixe qui dépend de la géométrie de l’échantillon et du type d’essai choisi. La norme ISO 527-4 mesure les propriétés de traction suivantes : 

• Coefficient de Poisson - le coefficient de variation de la déformation transversale à la déformation axiale entre 0,05 % et 0,25 % de déformation
• Module d’élasticité - la courbe de la réponse à la contrainte/déformation de l’échantillon, généralement déterminée entre 0,05 % et 0,25 % de déformation
• Déformation de traction à la résistance à la traction - la déformation de traction correspondant à la résistance à la traction.
• Résistance à la traction - la contrainte maximale appliquée pendant l’essai (généralement la contrainte à la rupture)

Une large plage d’essais différents est nécessaire pour caractériser pleinement les matériaux composites anisotropes et hétérogènes. L’ISO 527-4 est l’un des essais les plus fondamentaux réalisés sur les matériaux composites, il est couramment utilisé pour évaluer, qualifier et certifier leurs propriétés de traction. L’ISO 527-4 peut être utilisée pour les composites avec des renforts en fibres continues et discontinues, tandis que l’ISO 527-5 est destinée à tester les composites avec des renforts unidirectionnels en fibres continues. Les plastiques renforcés par des particules ou des fibres courtes peuvent être testés selon la norme ISO 527-2. Des méthodes d’essais préconfigurées pour toutes ces normes, et bien d’autres encore, sont disponibles dans le logiciel d’essais  Bluehill®Universal d’Instron.

La norme ISO 527-4 définit trois types d’échantillons d’essai. Les échantillons de type 1B sont des échantillons moulés en forme “d’os de chien” et sont adaptés aux essais de matériaux renforcés par des fibres courtes dans une matrice thermoplastique. Les échantillons de type 2 sont rectangulaires avec une section transversale constante et sont adaptés pour tester les matériaux à fibres continues dans des matrices thermodurcissables et thermoplastiques. Les échantillons de type 3 sont similaires aux échantillons de type 2 avec l’ajout de languettes d’extrémité, qui sont courantes dans les essais de composites afin d’éviter que l’échantillon ne soit endommagé par les solutions des mâchoires.

Tous les échantillons doivent être mesurés avant l’essai, conformément à la norme ISO 16012 ou ISO 23529. 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 (épaisseur et largeur) de l’échantillon, car la contrainte est calculée en divisant la force appliquée par la section transversale de l’échantillon (en unités Psi, Pa, kPa, GPa, etc.). Bien que l’épaisseur et la largeur des échantillons rigides exigent des précisions de mesure différentes, il est courant d’utiliser le même appareil de mesure pour les deux. Les pointes des micromètres peuvent être cylindriques ou rectangulaires, à condition qu’elles respectent les dimensions requises par la norme ISO 16012.

La fonction Dispositif de Mesure Automatique des échantillons dans le logiciel Bluehill Universal permet aux opérateurs de connecter jusqu’à deux dispositifs (micromètres ou pieds à coulisse). Les données de mesure seront transmises directement dans le logiciel d’essai, ce qui élimine les risques d’erreurs de saisie et augmente l’efficacité des tests.

La norme ISO 527-4 peut être réalisée sur une machine d’essai universelle avec table surélevée ou de sol. Un système de 100 ou 250 kN est généralement nécessaire pour tester les composites en fibre de carbone, alors qu’un modèle de système sur table de  30 kN ou 50 kN est suffisant pour tester les composites en fibre de verre. 

Un certain nombre de dispositifs différents sont disponibles pour mesurer la déformation pendant l’essai ISO 527-4. Lorsqu’elles sont utilisées avec une instrumentation appropriée, les jauges de contrainte collées à résistance électrique fournissent une méthode de détermination de la contrainte sous la zone active (généralement quelques mm²) de la jauge. Les jauges de contrainte sont généralement constituées d’une fine grille métallique sur un support organique et peuvent être utilisées pour des essais dans une large plage de températures allant de la cryogénie à plus de 200°C. Les jauges de contrainte doivent être conditionnées afin de générer un signal électrique utile. Un adaptateur facile à utiliser est fourni avec l’électronique de base d’une machine d’essai Instron.

Une gamme d’options d’extensomètre est également disponible en fonction des besoins de votre laboratoire. L’option la plus simple est un dispositif à clipser qui doit être fixé directement sur l’échantillon au début de chaque essai et retiré avant que l’échantillon ne se brise. L’extensomètre à pince de la série 2630 à longueur de jauge fixe convient pour mesurer la déformation axiale. Un extensomètre biaxial à pince est disponible pour les essais qui nécessitent la mesure de la déformation axiale et longitudinale pour la détermination du coefficient de Poisson.

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 il élimine le besoin de manipulation de l’opérateur, et nécessite plus de temps. Il se positionne plus précisément sur un grand nombre d’échantillons. Un positionnement précis permet d’obtenir des valeurs de module plus reproductibles.

Les matériaux composites sont souvent destinés à être utilisés dans l’industrie aérospatiale et doivent donc être résistants à des conditions de température extrêmes. Pour simuler ces conditions, les essais ISO 527-4 peuvent être réalisés à l’intérieur d’une chambre de température où le LN2 ou le CO2 sont utilisés pour chauffer ou refroidir la chambre à des températures spécifiques à l’application. Des jauges de contrainte ou des extensomètres à pince peuvent être utilisés jusqu’à une température maximale de 200°C. On peut également utiliser un extensomètre vidéo avancé (AVE2) sans contact, qui a l’avantage de pouvoir être placé à l’extérieur de la chambre. L’AVE2 ne touche pas physiquement l’échantillon et n’a donc pas besoin d’être retiré de l’échantillon avant la rupture. L’opérateur en charge du test n’a donc plus besoin d’ouvrir et de fermer la porte de la chambre pendant l’essai.

Les chambres de température utilisent la convection d’air forcée et des résistances chauffantes pour atteindre des températures élevées et le refroidissement à l’azote liquide ou au dioxyde de carbone pour atteindre des températures basses. La gamme Instron de chambres environnementales de la série 3119-600 offre de larges possibilités de températures d’essais pour évaluer les propriétés des matériaux dans des conditions d’essais non ambiantes. Une gamme complète de mâchoires et extensomètres complémentaires est disponible.

Les essais ISO 527-4 sont réalisés à une vitesse constante de la traverse. La vitesse d’essai prescrite dépend du type d’échantillon et du type d’essai effectué. Par exemple, les essais effectués pour le contrôle de qualité de routine peuvent être exécutés à des vitesses plus rapides (5 et 10 mm/min)  que celles utilisées pour la qualification (2 mm/min).

Lors de la présentation des résultats d’essais, il est important de s’assurer que les modalités de mesure sont correctement définies afin de garantir la conformité à la norme ISO 527-4 et de faciliter la comparaison des données entre différents laboratoires.

La contrainte de traction est déterminée en divisant la force en un point donné par la surface moyenne de l’échantillon. La résistance à la traction d’un échantillon est la contrainte de traction maximale atteinte avant la rupture. 

La déformation de traction est la déformation technique calculée par le dispositif de mesure de la déformation (jauge de contrainte ou extensomètre). La déformation de rupture en traction est la déformation correspondant à la résistance à la traction.

Le module est défini comme la courbe de la réponse contrainte-déformation calculée entre 0,05 % et 0,25 % de déformation, sauf si d’autres valeurs sont indiquées dans la spécification du matériau. Comme le calcul du module commence à 0,05 % de déformation, il est extrêmement important que des précontraintes appropriées soient appliquées au matériau pour éliminer tout relâchement ou toute force de compression induite par la préhension de l’échantillon. Il ne doit pas dépasser 0,05 % de la déformation ou 1 % de la résistance à la traction du matériau.

Le coefficient de Poisson est déterminé en prenant le ratio entre la variation de la déformation transversale et la variation de la déformation axiale sur la même plage de déformation axiale utilisée pour déterminer le module (0,05 % à 0,25 %).

Toute personne prévoyant de réaliser des essais selon la norme ISO 527-4 ne doit pas considérer ce guide comme substitut à la lecture de la norme complète.