ASTM D2344 : Essais de résistance au cisaillement sur poutre courte pour les composites à matrice polymère
Qu’est-ce que la norme ASTM D2344 ?
La norme ASTM D2344 est la méthode d’essai standard pour déterminer la résistance au cisaillement sur poutre courte des matériaux composites à matrice polymère avec un renfort de fibres continues ou discontinues. Elle s’applique aux composites dont les propriétés élastiques sont équilibrées et symétriques par rapport à l’axe longitudinal de l’éprouvette en forme de poutre.
L’essai charge une éprouvette de type poutre courte dans une configuration de flexion en 3 points. L’éprouvette étant courte par rapport à son épaisseur, le chargement est conçu pour favoriser une rupture par cisaillement interlaminaire plutôt qu’une rupture par flexion typique. Des épaisseurs d’éprouvette comprises entre 2 mm et 6 mm sont autorisées, et le rapport entre la longueur de la portée de chargement et l’épaisseur de l’éprouvette doit être maintenu à 4,0 pour induire de manière fiable ce mode de rupture par cisaillement.
Pourquoi la norme ASTM D2344 est-elle utilisée ?
Les fabricants de matériaux composites utilisent la norme ASTM D2344 principalement comme outil de contrôle de la qualité et de spécification des processus. C’est un moyen rapide et peu coûteux de :
- Vérifier qu’un stratifié composite a été correctement polymérisé
- Rechercher des défauts de fabrication tels que des vides ou des délaminages
- Surveiller la régularité des drapages de plis et d’autres techniques de fabrication
L’essai étant rapide à réaliser et nécessitant des éprouvettes relativement simples, il est largement adopté comme méthode de contrôle de routine plutôt que comme méthode de génération de données admissibles pour la conception.
Qui utilise la norme ASTM D2344 ?
Cette méthode est utilisée par :
- Les fabricants de matériaux composites effectuant des contrôles de qualité sur les matériaux entrants ou en cours de fabrication
- Les ingénieurs de procédés validant les cycles de polymérisation et la régularité du drapage
- Les laboratoires d’essais de matériaux soutenant les programmes de composites dans les secteurs de l’aérospatiale, de l’automobile, de la marine et de l’industrie
Mesures et résultats clés
La norme ASTM D2344 produit un seul résultat calculé : la résistance apparente au cisaillement interlaminaire (ILSS), plus communément appelée résistance au cisaillement sur poutre courte (SBS).
La résistance apparente au cisaillement interlaminaire est calculée à l’aide de la formule suivante :
Où :
- Fsbs = résistance apparente au cisaillement interlaminaire (résistance sur poutre courte)
- Pm = charge maximale observée pendant l’essai
- b = largeur mesurée de l’éprouvette
- h = épaisseur mesurée de l’éprouvette
En plus de cette valeur calculée, la norme ASTM D2344 exige que les utilisateurs identifient et signalent le mode de rupture observé dans chaque éprouvette testée. La norme fournit des conseils sur les modes de rupture courants à la Figure 7 de la méthode d’essai, et l’identification correcte du mode de rupture est essentielle — un mode de rupture par cisaillement non interlaminaire peut invalider la valeur de résistance calculée en tant que mesure réelle de la résistance au cisaillement interlaminaire.
ASTM D2344 vs ISO 14130 : comment se comparent-elles ?
Les ingénieurs et les laboratoires travaillant à l’échelle internationale ont souvent besoin de savoir comment la norme ASTM D2344 se rapporte à l’ISO 14130, la norme internationale comparable. Les deux méthodes mesurent la résistance apparente au cisaillement interlaminaire des composites plastiques renforcés de fibres à l’aide d’une configuration de chargement en flexion 3 points sur poutre courte — mais il existe des différences significatives en termes de portée et de géométrie de l’outillage.
| Attribut | ASTM D2344 | ISO 14130 |
|---|---|---|
| Exigence de symétrie de l’éprouvette | S’applique spécifiquement aux stratifiés équilibrés et symétriques | N’exclut pas les éprouvettes non équilibrées/non symétriques, mais note les effets potentiels sur les résultats |
| Géométrie de l’éprouvette | Couvre les éprouvettes plates et courbes | Éprouvettes plates et rectangulaires uniquement |
| Diamètre de l’élément de charge | 6 mm | 10 mm |
| Diamètre du support | 3 mm | 4 mm |
| Dureté de l’élément de charge/du support | Spécifiée : 60–62 HRC | Non spécifiée |
| Rapport portée/épaisseur de l’éprouvette | 4:1 | 5:1 |
Quelle norme devriez-vous utiliser ?
- Choisissez l’ASTM D2344 si vous travaillez au sein d’une chaîne d’approvisionnement américaine ou axée sur l’aérospatiale, si vous devez tester des éprouvettes courbes (telles que des sections de tubes ou des structures cylindriques) en plus des éprouvettes plates, ou si vous avez besoin d’une traçabilité par rapport à des outillages de chargement à dureté spécifiée.
- Choisissez l’ISO 14130 si votre programme suit les spécifications européennes/internationales, ou si votre client ou la norme régissante exige spécifiquement des données d’essai ISO.
Étant donné que les deux normes utilisent des géométries d’outillage et des rapports de portée différents, les résultats de l’ASTM D2344 et de l’ISO 14130 ne sont pas directement interchangeables — comparer les valeurs de résistance au cisaillement sur poutre courte entre les deux normes sans tenir compte de ces différences peut conduire à des conclusions trompeuses.
Exigences relatives aux éprouvettes
Dimensions des éprouvettes
- Épaisseur minimale de l’éprouvette : 2 mm
- Longueur de l’éprouvette : 6 × épaisseur de l’éprouvette
- Largeur de l’éprouvette : 2 × épaisseur de l’éprouvette
Celles-ci doivent être considérées comme des dimensions recommandées, mais d’autres dimensions sont autorisées tant que ces rapports directeurs sont maintenus.
Préparation des éprouvettes
La norme ASTM D2344 fait référence à l’ASTM D5687/D5687M comme guide pour la préparation des éprouvettes et recommande de suivre ses pratiques partout où cela est possible, y compris les conseils sur l’usinage, la finition des bords et la prévention des dommages aux éprouvettes pendant la préparation.
Mesure des échantillons
La mesure précise de l’éprouvette est essentielle pour un calcul valide de la résistance au cisaillement sur poutre courte :
- Épaisseur et largeur : Mesurer à l’aide d’un micromètre avec une interface à bille de diamètre nominal de 4 à 7 mm, ou une enclume plate. Une interface à bille est recommandée pour les éprouvettes sans surfaces lisses.
- Longueur : Mesurer à l’aide d’un micromètre ou d’un pied à coulisse avec une interface à enclume plate.
Équipement d’essai recommandé pour l’ASTM D2344
Étant donné que la précision de la portée et la géométrie de chargement sont directement liées à l’induction du mode de rupture correct, le choix de l’équipement et la précision de l’outillage sont très importants pour obtenir des résultats ASTM D2344 fiables et répétables. Vous trouverez ci-dessous une configuration d’équipement recommandée.
Système d'essais
Une machine d’essais universelle de la série 6800 d’une capacité de 10 kN est souvent suffisante pour les essais selon l’ASTM D2344, compte tenu des charges relativement faibles impliquées dans les essais sur poutre courte.
Cependant, les laboratoires de composites effectuent souvent aussi des essais de traction et de compression, qui nécessitent généralement des capacités de force plus élevées — couramment de l’ordre de 100 kN ou 300 kN, selon le matériau et l’application. Dans ces cas, un bâti de plus grande capacité peut également être utilisé pour les essais selon l’ASTM D2344, ce qui permet à un laboratoire de standardiser un seul bâti pour plusieurs méthodes d’essai de composites.
Cellule de charge
Il est préférable de privilégier un capteur de force avec une plage de mesure de 1:1000, car les forces de l’ASTM D2344 sont relativement faibles par rapport à d’autres essais sur éprouvettes composites comme la traction et la compression. Lorsqu’ils sont associés à un système d’essai de la série 6800, les capteurs de force de la série 2580 d’Instron offrent une précision de 0,5 % de la lecture jusqu’à 1/1000e de la capacité du capteur de force. Cela signifie que les laboratoires utilisant des capteurs de force de plus grande capacité (tels que 100 ou 300 kN) pour d’autres essais de composites peuvent généralement utiliser ce même capteur pour les essais selon l’ASTM D2344, sans avoir besoin d’échanger ou de monter en parallèle un capteur de force séparé de plus faible capacité.
Outillage d’essai
Un outillage de flexion pour la résistance à la flexion et au cisaillement interlaminaire est nécessaire pour appliquer la configuration de chargement spécifiée par la norme (numéro de catalogue : CP110860). Cet outillage est associé à un jeu d’enclumes correspondant à la version de la norme suivie :
- Un jeu d’enclumes pour la norme ASTM D2344 (numéro de catalogue : CP107574), ou
- Un jeu d’enclumes pour la version métrique, ASTM D2344M (numéro de catalogue : CP106695)
Un kit de réglage de portée de précision est fortement recommandé pour régler les portées de support avec précision, car la rupture par cisaillement interlaminaire est très sensible au rapport portée/épaisseur correct. La version d’Instron (numéro de catalogue : CP108199) comprend deux micromètres qui permettent de régler les portées avec une précision de 0,01 mm.
Matériel de support
- L’outillage de flexion sur poutre courte d’Instron nécessite un plateau de compression d’au moins 100 mm de diamètre en dessous. Un plateau de 150 mm de diamètre (numéro de catalogue : 2501-163) est une option appropriée.
- L’enclume supérieure se connecte via une connexion de type Dm, permettant un couplage direct dans une connexion de capteur de force de type Df sans adaptateurs supplémentaires.
- Des butées d’éprouvette sont incluses dans les jeux d’enclumes, ce qui simplifie la configuration pour les laboratoires qui débutent avec cette méthode.
Conseils pour des essais ASTM D2344 fiables
- Utilisez des butées d’éprouvette sur l’outillage de flexion pour centrer facilement et systématiquement l’éprouvette entre les enclumes de support. De petites erreurs de placement peuvent affecter la précision de la portée et le mode de rupture.
- Pour les laboratoires nécessitant un contrôle plus étroit de la portée, l’outillage CP110860 permet de monter les micromètres CP108199 directement sur les enclumes inférieures ILSS, ce qui permet de régler précisément la portée à une tolérance de 0,01 mm par rapport à l’enclume supérieure.
Note sur ce guide
Cette page est destinée à servir de guide d’information général sur la norme ASTM D2344 et ne remplace pas la méthode d’essai complète. La préparation des éprouvettes, les essais et les rapports doivent toujours suivre la version complète et actuelle de la norme. La norme officielle peut être obtenue directement auprès de l’ASTM : ASTM D2344/D2344M.
Foire aux questions (FAQ)
La résistance au cisaillement sur poutre courte (résistance apparente au cisaillement interlaminaire) est calculée comme suit :
où Pm est la charge maximale observée, b est la largeur de l’éprouvette et h est l’épaisseur de l’éprouvette.
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À propos de l’auteur
Stephan Botzki
Stephan Botzki est ingénieur d’applications senior chez Instron, où il travaille avec les clients pour identifier la configuration d’essai optimale afin de répondre aux exigences des applications pour les essais mécaniques des matériaux composites. Il se spécialise dans les essais statiques à force élevée des composites et autres matériaux avancés, et il est un membre clé du comité ASTM D30 sur les matériaux composites. Son travail fait le lien entre des normes rigoureuses et des applications concrètes dans les essais de matériaux.
Ressources
- Fiche technique de l’outillage d’essai de résistance à la flexion et au cisaillement interlaminaire
- Outillages d’essai pour composites
- Livre blanc sur la réduction de la variabilité dans les essais de composites
- En savoir plus sur les solutions d’essais de composites d’Instron
- Catalogue Instron : Accessoires pour essais de matériaux
