Le véritable guide de la norme ISO 178

Comment réaliser un essai de flexion sur les plastiques conformément à la norme ISO 178 

 Écrit par Daniel Caesar

 En-tête ISO 178

En raison de leur faible coût, de leur légèreté, de leur résistance à la corrosion et de leur polyvalence générale, les plastiques se sont imposés dans de nombreux secteurs différents. Il est important de déterminer les propriétés matérielles des plastiques afin de caractériser leur comportement attendu dans les applications du monde réel. Une propriété importante est la relation entre la contrainte et la déformation pendant qu’un échantillon plastique est plié ou fléchi : en d’autres termes, les propriétés de flexion du matériau. Afin de réglementer une méthode normalisée au niveau international pour déterminer cette propriété, l’Organisation internationale de normalisation (ISO) a élaboré la norme ISO 178. 

Ce guide est conçu pour vous présenter les éléments de base d’un essai de flexion pour la norme ISO 178 et vous donnera un aperçu de l’équipement d’essai, du logiciel, des échantillons et des résultats impliqués dans la norme. Cependant, toute personne prévoyant de réaliser des essais ISO 178 ne doit pas considérer ce guide comme substitut à la lecture de la norme complète.

Que mesure-t-elle ? 

L’ISO 178 est une méthode d’essai pour déterminer les propriétés de flexion des plastiques rigides et semi-rigides en effectuant un essai de pliage en trois points sur un système d’essai universel. L’essai de pliage en trois points applique une force au point médian d’un échantillon rectangulaire, qui est soutenue librement à chaque extrémité. La force appliquée est mesurée par une  cellule de charge et la déflexion correspondante est mesurée soit par le déplacement de la traverse du système (avec les résultats corrigés pour la conformité du système), soit par un dispositif de mesure directe de la déformation. La norme ISO 178 définit quatre types d’essais, chacun spécifiant une méthode de mesure de la déflexion (c’est-à-dire par l’intermédiaire d’une traverse ou d’un capteur de contrainte direct) et une exigence de précision d’étalonnage associée.

Le type d’essai ISO 178 qu’un laboratoire réalise est prescrit par les exigences de ses clients, qu’ils soient internes, comme un laboratoire de R&D, ou externes, comme un laboratoire d’essais tiers. Il est important de s’assurer que les exigences particulières de votre laboratoire sont identifiées et acceptées par vos clients avant d’acheter l’équipement d’essai et de réaliser les essais.

La norme ISO 178 est-elle appropriée pour vous ?

La norme ISO 178 est très similaire à la norme ASTM D790, bien qu’elle diffère sur plusieurs points essentiels :

  • La norme ISO 178 exige l’utilisation d’un déflectomètre ou d’une correction de la complaisance afin de déterminer le module de flexion. La norme ASTM D790 permet de calculer le module par le seul déplacement de la traverse.
  • Les tailles d’échantillons préférées sont différentes et comme la vitesse d’essai dépend de la profondeur de l’échantillon, les vitesses d’essai peuvent varier selon les normes. La profondeur préférée des échantillons pour la norme ISO 178 est de 4 mm tandis que la profondeur préférée des échantillons pour la norme ASTM D790 est de 3,2 mm. 
  • La norme ASTM D790 n’autorise qu’une seule vitesse d’essai, tandis que la norme ISO 178 permet d’utiliser une deuxième vitesse d’essai (plus rapide) après la mesure du module.

Échantillons

Les échantillons pour la norme ISO 178 sont soit usinés à partir de feuilles conformément à la norme ISO 2818, soit préparés par compression ou moulage par injection conformément à la norme ISO 293/295 ou ISO 294-1/10724-1, respectivement. Les dimensions préférées des échantillons sont spécifiées comme suit :

  • Longueur : 80 mm (± 2)
  • Largeur : 10 mm (± 0.2)
  • Épaisseur : 4 mm (± 0.2)

Si les dimensions de référence ne sont pas réalisables, l’ISO 178 propose d’autres largeurs en fonction de l’épaisseur de l’échantillon. Si le matériau est anisotrope, les deux directions doivent être testées.

Procédure

Les essais ISO 178 sont généralement réalisés sur des systèmes d’essais universels sur table en raison de la capacité de force relativement faible requise. La machine d’essai doit être capable de maintenir une vitesse d’essai constante entre 1 et 500 mm/min dans les tolérances spécifiées dans la norme. Tous les modèles de machines d’essai d’Instron de la série 3400 et de la série 6800 répondent aux exigences de précision de vitesse nécessaires. Le dispositif de mesure de la force, ou cellule de charge, doit être conforme à la classe 1 de la norme ISO 7500-1 sur la plage des forces à rapporter. Il est important de s’assurer que votre laboratoire connaît les forces d’essai minimales et maximales afin qu’il sélectionne une cellule de charge avec une capacité de force et une plage de vérification appropriées.

Configuration de l’essai selon la norme ISO 178

Configuration de l’essai selon la norme ISO 178

1. Instron 6800

2. Tableau de bord de Bluehill Universal (2490-696)

3. Série 2580 Cellule de charge

4. Fixation à coude à 3 points (2810-400)

5. Piston de déflectomètre (2810-403) 

 

Extensomètre

 

Mesure de la déformation

1. Extensomètre sans contact AVE 2

2. Extensomètre automatique AUTOX750

3. Extensomètre à pince de la série 2630

 

La norme ISO 178 autorise l’utilisation de différents systèmes de mesure de la déflexion en fonction des résultats souhaités et de leurs précisions associées. De la plus petite à la plus grande précision, les différents types de mesure de la déflexion autorisés sont pour le déplacement de la traverse, pour le déplacement de la traverse avec correction de la complaisance, et l’utilisation d’un dispositif pour la mesure directe de la déformation. Avant la mise à jour de 2010 de la norme ISO 178, les erreurs de précision dans la mesure de la déflexion ne pouvaient pas dépasser 1 % de la valeur. Depuis la mise à jour de 2010, les opérateurs doivent utiliser un déflectomètre de classe 1 selon la norme ISO 9513 ou utiliser un logiciel capable de supprimer la complaisance de la machine des résultats.

Quelle que soit la précision requise par votre laboratoire pour mesurer la déflexion, Instron a la solution. Tous les bâtis d’essai des de la série 3400 et de la série 6800, sont équipés du logiciel Bluehill® Universal et sont capables de mesurer la déflexion depuis la traverse avec ou sans correction de la complaisance. Instron propose également une gamme de solutions pour la mesure directe de la déformation. Une solution courante est un extensomètre à pince monté sur un piston, ou un déflectomètre. Les solutions les plus avancées et les plus performantes sont l’AutoX750 et l’Extensomètre vidéo avancé (AVE2). 

Comme pour la cellule de charge du système, le dispositif de mesure de la déflexion doit également être vérifié sur toute la plage de fonctionnement des résultats rapportés. Le module de flexion, en particulier, est calculé pour des déflexions exceptionnellement faibles (moins de 0,1 mm). Il est utile pour déterminer les valeurs minimales et maximales des déplacements pendant l’essai pour pouvoir donner des instructions appropriées au responsable de la vérification.

Extensomètres pour la norme ISo 178

Fixations

Un dispositif de pliage en trois points est nécessaire pour les essais selon la norme ISO 178. Ce dispositif se compose d’une charge, d’une enclume supérieure de chargement montée sur la traverse mobile et d’une poutre de support inférieure fixe avec deux enclumes réglables. Le dispositif de fixation pour flexion 2810-400 d’Instron est entièrement conforme aux exigences en matière de dispositifs de fixation, et peut être adapté pour être utilisé avec les enclumes avec un rayon de 2,0 mm pour tester des échantillons jusqu’à 3,0 mm d’épaisseur, ou des enclumes avec rayon de 5,0 mm pour les échantillons plus épais. La portée requise du support est basée sur un ratio de l’épaisseur de l’échantillon, qui varie en fonction de la rigidité du matériau testé. Les enclumes réglables permettent à l’opérateur de régler la distance de la travée de support, et comportent des unités de longueur graduées sur la poutre de support pour permettre un positionnement précis des enclumes. Ils permettent également de centrer facilement le déflectomètre lors de l’utilisation de dispositifs de contrainte. La manière dont les échantillons sont alignés peut entraîner une variation significative des résultats, il convient de veiller à ce que les échantillons soient alignés de manière cohérente pour chaque essai. Les appareils de pliage Instron sont également équipés de bras d’alignement réglables en fonction de la largeur de l’échantillon.

2810-400
Modèle 5 kN | 2810-400

Mesure de l’échantillon

La norme ISO 178 demande à ce que les mesures de largeur et d’épaisseur soient prises au centre de la longueur de l’échantillon, conformément à la norme ISO 16012. Au moins trois mesures sont effectuées, et leur moyenne est enregistrée pour la largeur et l’épaisseur. La fonction ASMD Instrument de mesure automatique de l’échantillon d’Instron dans Bluehill Universal permet aux opérateurs de connecter jusqu’à deux micromètres ou appareils de mesure à l’ordinateur pour qu’il calcule la moyenne des mesures directement dans le logiciel. Cela élimine les risques d’erreurs de saisie de la part de l’opérateur et augmente l’efficacité.

Méthode d’essai

La portée du dispositif de pliage en trois points (distance entre les enclumes inférieures) est configurée en fonction de l’épaisseur de l’échantillon. Les conditions environnementales de l’essai - par exemple la basse ou la haute température - dépendent du matériau testé et doivent être convenues entre le laboratoire et son client. La norme ISO 291 fournit des directives en l’absence de ces informations. Instron propose des chambres environnementales entièrement équipées pour réaliser des essais hors environnement.

La norme ISO 178 définit la méthode A et la méthode B pour régler la vitesse de la traverse. La méthode A utilise une seule vitesse pendant toute la durée de l’essai, tandis que la méthode B utilise une vitesse pendant la période initiale du module et une seconde vitesse plus élevée pour le reste de l’essai. Les vitesses constantes de la traverse utilisées sont destinées à estimer les vitesses de déformation mentionnées. Après la phase de pré-charge, l’échantillon d’essai est fléchi jusqu’à sa rupture ou jusqu’à 5 % de contrainte de courbement, selon la première éventualité. Les données de force et de déflexion sont enregistrées tout au long de l’essai à un taux d’acquisition de données suffisant.

Lors de la mise en place de l’essai, il est fortement recommandé d’avoir une pré-charge adéquate pour garantir des mesures de déformation précises et cohérentes. La quantité de force appliquée à l’échantillon avant de commencer l’essai a un impact direct sur la répétabilité des calculs.

Configuration de l’essai selon la norme ISO 178

Configuration de l’essai selon la norme ISO 178

1. Instron 3400

2. Tableau de bord de Bluehill Universal (2490-696)

3. Série 2530 Cellule de charge

4. Fixation à coude à 3 points (2810-400)

5. Piston de déflectomètre (2810-403) 

 

Résultats

Vous trouverez ci-dessous une liste de calculs et de résultats qui peuvent être rapportés pour la norme ISO 178 :

  • Contrainte de flexion – Calculée en fonction de la charge appliquée, de la portée, de la largeur et de l’épaisseur de l’échantillon. Elle diffère de la contrainte de traction ou de compression, qui est une force calculée par unité de surface.
  • Contrainte de courbement – Calculée en fonction de la déflexion, de la portée et de l’épaisseur de l’échantillon. Elle diffère de la déformation de traction ou de compression, qui est la variation de la longueur de référence par rapport à la longueur de jauge initiale.
  • Module en flexion – Calculé en fonction de la contrainte de flexion et de la déformation de flexion entre 0,05 % et 0,25 % de déformation de flexion. Un module de corde en flexion peut être appliqué entre ces deux points sur une courbe de contrainte de flexion en fonction de la déformation de flexion.
  • Résistance à la flexion– La contrainte de flexion maximale obtenue lors d’un essai de pliage.
  • Contrainte de flexion à la rupture – Contrainte de flexion à la rupture d’un échantillon. Pour certains matériaux, l’échantillon se rompt avant la limite d’élasticité, dans ce cas la résistance à la flexion est égale à la contrainte de flexion à la rupture.
  • Contrainte de flexion avec 5 % de contrainte de courbement – Contrainte de flexion à la fin d’un essai, pour les essais où l’échantillon ne se rompt pas avec 5 % de contrainte de courbement.

Débit global

Pour les laboratoires qui cherchent à augmenter leur débit global, plusieurs modifications peuvent être apportées au réglage du système. Les dispositifs de mesure automatique des échantillons et les dispositifs d’alignement des échantillons augmentent l’efficacité des essais en réduisant la quantité de tâches manuelles nécessaires à l’opérateur. Des systèmes d’essai entièrement automatisés tels que les systèmes AT3 et AT6 d’Instron sont également disponibles et sont conçus pour intégrer la mesure de l’échantillon, le chargement et l’essai de l’échantillon, et son retrait. Ces systèmes peuvent fonctionner pendant des heures sans nécessiter aucune intervention de l’opérateur. En outre, ces systèmes permettent de réduire la variabilité due à l’erreur humaine.

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