ISO 527-4 Essai de traction des matériaux composites

Comment réaliser un essai de traction sur les composites en plastique conformément à la norme ISO 527-4

Écrit par Ian McEnteggart

La norme ISO 527-4 est une norme internationale pour la détermination des propriétés de traction  des composites plastiques à fibres renforcées.  La norme ISO 527-4 couvre les conditions d’essai pour les compositesisotropes et les orthotropes à renfort non unidirectionnels et fait référence à  l’ISO 527-1. Ce guide est conçu pour vous présenter les éléments de base d’un essai de traction selon la norme ISO 527-4 et vous donnera un aperçu de l’équipement d’essai, du logiciel et des échantillons nécessaires. Cependant, 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.

Que mesure la norme ISO 527-4 ?

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 d’essai 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)

 ISO 527-4 COMPOSITES

La norme ISO 527-4 est-elle ce qu’il vous faut ?

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.

Échantillons

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 d’amarrages.

Mesure de l’échantillon

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.

 

capture d’écran de bluehill universal

 

Système d’essai des matériaux

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. 

systèmes d’essais universels pour la norme ISO 527-4

 

Mesure de la déformation

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.

Jauge de contrainte

 

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.

extensomètres

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.

extensomètres pour les essais de composites

Chambre d’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 pinces, tirettes et extensomètres complémentaires est disponible.

 

Enceinte thermique Instron

 

Commande d’essai

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).

Calculs et résultats

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.

Contrainte de traction/résistance à la traction

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. 

Déformation de traction/déformation de traction à 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

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.

Coefficient de Poisson

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 %).

6800 Series Premier Testing Systems Brochure

Instron 6800 Series Universal Testing Systems provide unparalleled accuracy and reliability. Built on a patent-pending Operator Protect system architecture with an all-new Smart-Close Air Kit and Collision Mitigation features, the 6800 Series makes materials testing simpler, smarter, and safer than ever before.

Bluehill Universal Brochure

Bluehill Universal Software is built from the ground-up for touch interaction and an intuitive user experience. Discover simpler and smarter testing with features such as pre-loaded test methods, QuickTest in seconds, enhanced data exporting: and Instron Connect – a new feature that provides a direct communication link to Service. Users of previous versions of software such as Bluehill 2 and Bluehill 3 can easily upgrade to the newest version of Bluehill.

3400 Series - Affordable Testing Solutions

Instron 3400 Series Universal Testing Systems for Tensile, Compression, Bend, and other material property tests.

AVE 2 Non-Contacting Video Extensometer

The second generation Advanced Video Extensometer (AVE 2) utilizes patented measurement technology in the fastest, most accurate non-contacting strain measurement device commercially available.

 Biaxial and Averaging Axial Clip-On Extensometers

Instron's Bi-axial and Averaging Axial clip-on extensometers use strain gauges for measurement and are constructed from high-strength aluminium, titanium, and stainless steel. 

3119-600 Series Environmental Chambers

The 3119-600 Series Environmental Chamber allows labs to perform safe and efficient testing at a wide range of non-ambient temperatures.