Essais de traction : fonctionnement, mesures et mise en œuvre
Les essais de traction constituent un essai mécanique fondamental réalisé par les ingénieurs et les scientifiques des matériaux dans les installations de fabrication et de recherche du monde entier. Un essai de traction, également appelé essai de tension, applique une force uniaxiale à une éprouvette de matériau pour mesurer ses principales propriétés mécaniques : résistance à la traction, limite d'élasticité, module d'élasticité et allongement. Ces mesures indiquent aux concepteurs de produits et aux ingénieurs qualité comment un matériau se comportera sous charge, où il commencera à se déformer de manière permanente et le point auquel il se rompra, fournissant ainsi les données nécessaires pour sélectionner le matériau approprié pour une application et vérifier qu'il répond aux spécifications requises.
Pourquoi réaliser 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 des surfaces routières, tandis que les sutures chirurgicales doivent être suffisamment résistantes pour maintenir les tissus vivants ensemble. De plus, les matériaux et les produits peuvent être exposés à des forces mécaniques pendant des périodes courtes ou longues, par une utilisation cyclique ou répétée, et dans une grande variété de conditions de température et d'environnement différentes. Les pneus automobiles sont censés 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 guérisse.
Outre son importance pour le processus de R&D, les essais de traction sont également utilisés par les services d'assurance qualité pour garantir que les lots de produits finis répondent aux spécifications requises en matière de propriétés de traction. Cela est important tant du point de vue de la sécurité que du point de vue commercial, car les produits défectueux peuvent être dangereux pour l'utilisateur final et peuvent également causer des dommages importants aux fabricants sous forme de retards de production, de pertes de revenus et d'atteinte à la réputation.
Comment réaliser un essai de traction
Les essais de traction sont réalisés sur des machines d'essai universelles, également appelées machines de traction ou machines d'essai de traction. Ces machines se composent d'un bâti à colonne simple ou double équipé d'une cellule de charge, d'un logiciel d'essai et de mors et d'accessoires spécifiques à l'application tels que des extensomètres. Les machines d'essai universelles sont disponibles dans une grande variété de capacités de force et peuvent être configurées avec différents montages pour tester tout produit, composant ou matériau.
Machine d'essai de traction : composants clés et leurs fonctions
- Bâti de charge - Les machines d'essai de traction peuvent être proposées en configurations à colonne simple ou double selon leur capacité de force.
- Logiciel - Le logiciel d'essai est l'endroit où les opérateurs configurent les méthodes d'essai et génèrent les résultats.
- Cellule de charge - La cellule de charge est un transducteur qui mesure la force appliquée à l'éprouvette d'essai. Les cellules de charge Instron sont précises jusqu'à 1/1000 de la capacité de la cellule de charge.
- Mors et montages - Une large gamme de mors et de montages pour éprouvettes est disponible pour s'adapter aux éprouvettes d'essai de différents matériaux, formes et tailles.
- Mesure de la déformation - Certaines méthodes d'essai nécessitent la mesure de l'allongement d'une éprouvette sous charge. L'AVE2 d'Instron peut mesurer les variations de longueur de l'éprouvette jusqu'à ±1 µm ou 0,5 % de la lecture.
Configuration d'un essai de traction
Pour réaliser un essai de traction, un opérateur doit effectuer diverses tâches afin de garantir que l'essai est mené conformément aux normes d'essai internes et/ou externes. Selon le 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 votre éprouvette chargée dans les mors et votre extensomètre fixé, vous êtes prêt à commencer. Dans Bluehill Universal, sélectionnez votre méthode d'essai et configurez les paramètres clés, notamment la vitesse d'essai, les dimensions de l'éprouvette et les critères de fin d'essai tels que la détection de rupture ou une limite de charge maximale.
Lorsque vous démarrez l'essai, la machine applique une force de traction au taux prescrit, enregistrant en continu les données de charge, d'extension et de déformation au fur et à mesure que l'éprouvette se déforme. L'essai se poursuit jusqu'à ce que les critères de fin définis soient atteints, généralement la rupture de l'éprouvette ou une chute de charge en pourcentage.
Une fois terminé, Bluehill Universal calcule automatiquement les propriétés mécaniques définies dans votre méthode : résistance à la traction, limite d'élasticité, allongement et module, prêtes pour examen, exportation ou rapport.
Préparation des éprouvettes
Les géométries des éprouvettes varient considérablement selon le matériau testé et la méthode d'essai ou la norme utilisée. Les organismes de normalisation tels que l'ASTM et l'ISO ont normalisé les exigences relatives aux éprouvettes pour différents matériaux, ce qui permet de comparer de manière fiable leurs propriétés entre différents lots et fabricants.
Les éprouvettes de traction sont généralement usinées ou moulées sous pression en forme d'haltères, qui fournissent des « épaulements » conçus pour être maintenus par les mors de la machine d'essai et une « longueur de référence » où les propriétés de traction seront mesurées. Les dimensions de ces épaulements, la longueur de référence entre eux et la longueur et la largeur de l'éprouvette entière sont toutes prescrites par la norme d'essai.
Insertion de l'éprouvette dans les mors
Le choix du bon mors pour votre éprouvette est essentiel pour obtenir des résultats précis et reproductibles. Selon les dimensions, la texture et le type de matériau de votre éprouvette, différentes conceptions de mors et surfaces de mâchoires peuvent être nécessaires. Les mors sont disponibles dans une grande variété de capacités de force et avec des surfaces revêtues de caoutchouc, lisses, striées et d'autres types pour s'adapter à tout, des élastomères souples et des films minces aux métaux et composites à haute résistance.
Un alignement correct est tout aussi important. Un mauvais alignement lors de l'insertion de l'éprouvette introduit des forces hors axe qui peuvent fausser les résultats ou provoquer une rupture prématurée au niveau des mors plutôt que dans la longueur de référence. Pour aider les opérateurs à insérer les éprouvettes de manière cohérente et correcte, Instron propose une gamme de dispositifs et de montages d'alignement conçus pour garantir que la force est appliquée le long de l'axe correct à chaque fois.
Pour les environnements d'essai à volume élevé, les mors pneumatiques et hydrauliques peuvent réduire considérablement le temps de configuration et la variabilité de l'opérateur, s'ouvrant et se fermant à la pression d'un bouton plutôt que de nécessiter un ajustement manuel entre les éprouvettes.
Dispositifs de mesure de la déformation
La déformation est une mesure de la déformation d'une éprouvette sous contrainte et constitue une partie fondamentale de la caractérisation des matériaux requise par la plupart des normes d'essai de traction. La mesure précise de la déformation nécessite un dispositif de mesure dédié plutôt que de s'appuyer sur le déplacement de la traverse, qui peut introduire une erreur due à la compliance de la machine et à l'assise des mors.
Les extensomètres sont la solution la plus courante. Les dispositifs à contact tels que les extensomètres à pince se fixent directement sur l'éprouvette à une longueur de référence fixe, mesurant la variation de distance entre deux points de contact au fur et à mesure que l'éprouvette se déforme. Ils sont fixés après que l'éprouvette a été placée dans les mors, avant de démarrer l'essai. Pour les applications où la fixation d'un dispositif sur l'éprouvette n'est pas pratique, comme les films très minces, les élastomères à allongement élevé ou les matériaux fragiles, les extensomètres vidéo sans contact offrent une alternative, suivant la déformation optiquement à l'aide de marqueurs ou de caractéristiques de surface sur l'éprouvette.
Démarrage de l'essai et enregistrement des données
Une fois votre éprouvette chargée dans les mors et votre extensomètre fixé, vous êtes prêt à commencer. Dans Bluehill Universal, sélectionnez votre méthode d'essai et configurez les paramètres clés, notamment la vitesse d'essai, les dimensions de l'éprouvette et les critères de fin d'essai tels que la détection de rupture ou une limite de charge maximale.
Une fois terminé, Bluehill Universal calcule automatiquement les propriétés mécaniques définies dans votre méthode : résistance à la traction, limite d'élasticité, allongement et module, prêtes pour examen, exportation ou rapport.
Analyse des données d'essai de traction : comprendre la courbe contrainte-déformation et les propriétés clés des matériaux
La mesure d'un matériau en traction produit un profil complet de ses propriétés mécaniques. Lorsqu'elles sont tracées sur un graphique, les données de charge et d'extension enregistrées génèrent une courbe contrainte-déformation qui montre comment le matériau a réagi à la force appliquée à chaque étape de l'essai. Bien que les propriétés spécifiques requises varient selon la norme et l'application, les mesures clés recherchées par les ingénieurs sont la résistance à la traction ultime, le module d'élasticité, la limite d'élasticité et la déformation, chacune révélant quelque chose de différent sur la façon dont le matériau se comportera en utilisation.
Résistance à la traction ultime
L'une des propriétés les plus importantes que nous pouvons déterminer sur un matériau est sa résistance à la traction ultime (RTU). Il s'agit de la contrainte maximale qu'une éprouvette subit pendant l'essai. La RTU peut ou non correspondre à la résistance de l'éprouvette à la rupture, selon que le matériau est fragile, ductile ou présente les propriétés des deux. Parfois, un matériau peut être ductile lorsqu'il est testé en laboratoire, mais, lorsqu'il est mis en service et exposé à des températures extrêmement froides, il peut passer à un comportement fragile.
Loi de Hooke
Pour la plupart des matériaux, la partie initiale de l'essai présentera 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 de la contrainte à 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 appelé module d'élasticité ou module de Young :
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 retirée de l'éprouvette et le matériau reviendra exactement à la même condition qu'il avait avant l'application de la charge. Au point où la courbe n'est plus linéaire et s'écarte de la relation linéaire, la loi de Hooke ne s'applique plus et une déformation permanente se produit dans l'éprouvette. Ce point est appelé limite élastique ou proportionnelle. À partir de ce point dans l'essai de traction, le matériau réagit plastiquement à toute augmentation supplémentaire de charge ou de contrainte. Il ne reviendra pas à sa condition d'origine, sans contrainte, si la charge est retirée.
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 de 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 des essais de métaux selon 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 tracée à partir du décalage « m » devient la limite d'élasticité au décalage.
Modules alternatifs
Les courbes de traction de certains matériaux n'ont 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 modules alternatifs sont le module sécant et le module tangent.
Déformation
Nous sommes également en mesure de trouver la quantité d'étirement ou d'allongement que l'éprouvette subit pendant les essais de traction. Cela peut être exprimé 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 d'ingénierie » et « déformation vraie ».
La déformation d'ingénierie est probablement l'expression de déformation la plus simple et la plus courante utilisée. Il s'agit du rapport de la variation de longueur à la longueur d'origine :
La déformation vraie est similaire, mais basée sur la longueur instantanée de l'éprouvette au fur et à mesure que l'essai progresse, où Li est la longueur instantanée et L0 la longueur initiale :
Consultez notre FAQ sur les essais de traction et les machines d'essai de traction pour des informations supplémentaires
Équipement d'essai de traction Instron : choisir le bon système, les bons mors et la bonne mesure de déformation pour votre application
Les machines d'essai de traction sont disponibles dans une variété de tailles et de capacités de force différentes allant de 0,02 N à 2 000 kN. La plupart des essais à faible force sont effectués sur une machine de table électromécanique à colonne simple ou double, tandis que les applications à force plus élevée nécessitent des bâtis au sol. Les systèmes de série 6800 d'Instron sont disponibles dans des gammes de capacité allant jusqu'à 300 kN et peuvent effectuer une large gamme de types d'essais différents, notamment traction, compression, flexion, pelage, déchirement, cisaillement, friction, torsion, perforation et plus encore. Les systèmes servohydrauliques de série industrielle d'Instron sont conçus pour des essais de capacité encore plus élevée de métaux à haute résistance, d'alliages et de composites avancés.
Systèmes d'essai universels jusqu'à 300 kN
Systèmes d'essai de table et au sol à colonne simple et double avec une gamme de capacité de force de 0,02 N (2 gf) à 300 kN.
Systèmes d'essai universels industriels jusqu'à 2 000 kN
La série industrielle d'Instron comprend des bâtis avec des espaces d'essai simples ou doubles et une capacité de force allant de 300 kN à 2 000 kN.
Mors de traction pour essais de plastiques, métaux, composites, élastomères, textiles et composants
Mâchoires pneumatiques à action latérale Traction
Référence catalogue n° 2712-XXX
Nos mors de traction les plus populaires et installés sur plus de la moitié de toutes les machines d'essai 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.
En savoir plus
Mors à action de coin mécanique
Référence catalogue n° 2716-XXX
Conception de mors de traction classique, simple et robuste ; les mors à action de coin manuels sont parfaits pour les métaux, les composites et le plastique. Conçus pour un chargement, un alignement et un positionnement faciles de l'éprouvette. Capacité de force jusqu'à 250 kN.
En savoir plus
Mors latéraux à vis avancés
Référence catalogue n° 2710-XXX
Les mors à action de vis fournissent 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, électroniques et adhésives. Capacité de force jusqu’à 10 kN.
En savoir plus
Mâchoires hydrauliques avancées à action de coin
Référence catalogue n° 2742-XXX, 2743-XXX
Les meilleurs mors disponibles pour la plupart des applications d'essai de traction de métaux et de composites. Une pompe de mors hydraulique est requise si vous les installez sur un système électromécanique. Capacité de force jusqu'à 500 kN.
En savoir plus
Pinces à rouleau excentrique auto-serrantes
Référence catalogue n° 2713-XXX
Mors de traction à auto-serrage simples et efficaces qui sont parfaits pour les élastomères et les films minces. Capacité de force jusqu'à 5 kN.
En savoir plus
Mors pneumatiques pour cordons et fils
Référence catalogue n° 2810-410, 2714-XXX
Mors conçus spécifiquement pour les essais de traction de fils, de filetages, de cordes, de cordons, de tubes, de sutures et de câbles.
En savoir plus
Mors à action de coin hydrauliques
Référence catalogue n° W-52XX, 53XX
Mors à action de coin hydrauliques pour les systèmes d'essai universels hydrauliques statiques à haute capacité d'Instron. Capacité de force jusqu'à 2 000 kN.
En savoir plus
Mors hydrauliques à action latérale
Référence catalogue n° W-54XX
Les mors DuraSync™ hydrauliques à action latérale à haute capacité offrent des performances de serrage, une facilité d'utilisation et une sécurité de l'opérateur améliorées par rapport aux conceptions de mors traditionnelles. Capacité de force jusqu'à 2 000 kN.
En savoir plus
Extensomètres : solutions à contact et sans contact pour la mesure de la déformation
Extensomètre vidéo automatique 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 d'une technologie de caméra numérique haute résolution.
En savoir plus
Extensomètre à contact automatique
Référence catalogue n° 2665-750
L'AutoX750 maximise l'efficacité et les revenus tout en maintenant des normes de qualité élevées et des conditions de fonctionnement sûres.
En savoir plus
Extensomètre axial statique à pince
Référence catalogue n° 2630-XXX
Les extensomètres axiaux statiques à pince d'Instron sont une solution rapide et facile pour mesurer la déformation et conviennent à une large gamme de matériaux tels que les plastiques, les métaux et les composites.
En savoir plus
Normes d'essai de traction pour métaux, plastiques, élastomères et plus encore
La plupart des essais de traction sont effectués selon des normes établies publiées par des organismes de normalisation tels que l'ASTM et l'ISO. Les normes d'essai prescrivent des paramètres et des résultats d'essai acceptables 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 présentent des propriétés mécaniques prévisibles et ne sont pas susceptibles de défaillir dans leur utilisation finale prévue. Étant donné que les implications en termes de coût et de sécurité de la défaillance d'un produit ne peuvent être surestimées, 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 ou non aux normes applicables.
ASTM D638 / ISO 527-2
ASTM D638 et ISO 527-2 sont deux des normes les plus couramment utilisées pour évaluer les propriétés de traction des plastiques renforcés et non renforcés. Bien que ces normes mesurent de nombreuses propriétés de traction différentes, les plus courantes sont la résistance à la traction, le module de traction, l’allongement et le coefficient de Poisson.
ASTM D412 / ISO 37
Les normes ASTM D412 et ISO 37 sont les normes les plus courantes pour déterminer les propriétés de traction du caoutchouc vulcanisé (thermodurcissable) et des élastomères thermoplastiques. Les composés de cette famille sont utilisés pour créer une vaste gamme de produits, des pneus aux gants médicaux en passant par les joints toriques. Les mesures clés pour les essais sur élastomères incluent l’allongement à la rupture et la déformation rémanente à la traction.
ASTM E8 / ASTM A370 / ISO 6892
Les normes ASTM E8, ASTM A370 et ISO 6892 sont les principales normes pour les essais de traction sur les métaux et les matériaux métalliques. Les méthodes de pilotage de l’essai sont une considération majeure dans les essais sur métaux, et une compréhension approfondie de la souplesse de la traverse et du contrôle de la déformation est nécessaire afin de produire des résultats d’essai précis.
Voici une liste de certaines des normes internationales d’essai les plus courantes. Assurer la conformité à ces normes peut être complexe, mais le logiciel Bluehill Universal® simplifie le processus grâce à des méthodes d’essai préconfigurées, conçues pour réduire le temps de configuration et minimiser le risque d’erreur de procédure.
- ASTM A370 | Méthodes d’essai normalisées et définitions pour les essais mécaniques des produits en acier
- ASTM A416 | Spécification normalisée pour les torons d’acier à sept fils, à basse relaxation, pour le béton précontraint
- ASTM A48 | Spécification normalisée pour les pièces moulées en fonte grise
- ASTM A746 | Spécification normalisée pour les tuyaux d’égout par gravité en fonte ductile
- ASTM A996 | Spécification normalisée pour les barres déformées en acier pour rails et essieux pour l’armature du béton
- ASTM C297 | Méthode d’essai normalisée pour la résistance à la traction perpendiculaire aux faces des constructions sandwich
- ASTM D1037 | Méthodes d’essai normalisées pour l’évaluation des propriétés des panneaux de fibres et de particules à base de bois
- ASTM D1414 | Méthodes d’essai normalisées pour les joints toriques en caoutchouc
- ASTM D1708 | Méthode d’essai normalisée pour les propriétés de traction des plastiques au moyen d’éprouvettes de microtraction
- ASTM D2256 | Méthode d’essai normalisée pour les propriétés de traction des fils par la méthode sur fil unique
- ASTM D3039 | Méthode d’essai normalisée pour les propriétés de traction des matériaux composites à matrice polymère
- ASTM D4018 | Méthodes d’essai normalisées pour les propriétés des étoupes de fibres de carbone et de graphite à filaments continus
- ASTM D412 | Méthodes d’essai normalisées pour le caoutchouc vulcanisé et les élastomères thermoplastiques — Tension
- ASTM D4632 | Méthode d’essai normalisée pour la charge de rupture et l’allongement des géotextiles (méthode Grab)
- ASTM D5034 | Méthode d’essai normalisée pour la résistance à la rupture et l’allongement des tissus textiles (essai Grab)
- ASTM D5035 | Méthode d’essai normalisée pour la force de rupture et l’allongement des tissus textiles (méthode sur bande)
- ASTM D5766 | Méthode d’essai normalisée pour la résistance à la traction sur éprouvette percée de stratifiés composites à matrice polymère
- ASTM D5961 | Méthode d’essai normalisée pour la réponse au matage des stratifiés composites à matrice polymère
- ASTM D638 | Méthode d’essai normalisée pour les propriétés de traction des plastiques
- ASTM D7269 | Méthodes d’essai normalisées pour les essais de traction des fils d’aramide
- ASTM D882 | Méthode d’essai normalisée pour les propriétés de traction des feuilles de plastique minces
- ASTM A416 | Spécification normalisée pour les torons d’acier à sept fils, à basse relaxation, pour le béton précontraint
- ASTM D885 | Méthodes d’essai normalisées pour les cordés pour pneumatiques, les tissus pour câblés et les fils de filaments industriels
- ASTM F2150 | Essais de traction sur les hydrogels polymères
- ASTM F606 | Essais de traction sur les fixations, rondelles, indicateurs de tension directe et rivets
- ASTM F2516 | Méthode d’essai normalisée pour les essais de traction des matériaux superélastiques en nickel-titane
- ASTM E8 | Méthodes d’essai normalisées pour les essais de traction des matériaux métalliques