ASTM D3039 : Propriétés en traction des matériaux composites à matrice polymère
Guide pour les essais de composites renforcés à matrice polymère selon la norme ASTM D3039
Écrit par : Ian McEnteggart
Mis à jour : 18 novembre 2025
L’ASTM D3039 est une norme largement utilisée pour déterminer les propriétés en traction des matériaux composites. Plus précisément, cette norme s’applique aux composites constitués d’une matrice polymère renforcée par des fibres à haut module, continues ou discontinues.
En raison de leur rapport résistance/poids élevé, ces types de composites sont couramment utilisés pour les applications aérospatiales, automobiles et les énergies renouvelables.
Ce guide présente les éléments clés des essais ASTM D3039, y compris l’équipement, le logiciel et les échantillons nécessaires.
Que mesure la norme ASTM D3039 ?
Les essais ASTM D3039 consistent à appliquer une force de traction à une éprouvette (coupon) et à mesurer diverses propriétés. Les essais sont effectués sur une machine d’essai universelle (également appelée machine d’essai de traction) et la norme intègre les unités impériales et SI.
Les principales mesures comprennent :
- Résistance à la traction ultime – Contrainte maximale appliquée (généralement à la rupture)
- Déformation de traction ultime – Déformation à la rupture
- Module de traction – Rigidité du matériau
- Coefficient de Poisson – Rapport de la variation de la déformation transversale à la déformation longitudinale
- Déformation de transition – Dans les cas où le matériau présente un comportement de limite d’élasticité, comme l’indique un changement de pente dans la réponse contrainte-déformation, la déformation de transition est la valeur de déformation où se produit le changement de pente
- Mode de rupture – Les éprouvettes cassées doivent être examinées et leur type, zone et emplacement de rupture doivent être enregistrés
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La norme ASTM D3039 est-elle la bonne ?
L’ASTM D3039 est l’un des essais les plus élémentaires pour caractériser les propriétés en traction des matériaux composites. Cependant, d’autres normes existent pour évaluer les nombreuses propriétés mécaniques différentes des matériaux composites anisotropes et hétérogènes, notamment :
- ASTM D3410 et ASTM D6641 pour les essais de compression
- ASTM D3518 pour les essais de cisaillement dans le plan
Le module d’application des composites du logiciel Bluehill Universal d’Instron comprend une méthode d’essai préconfigurée pour l’ASTM D3039 et de nombreuses autres normes. Consultez la liste complète des modèles de méthodes disponibles dans Bluehill Universal.
Types d’éprouvettes
Les éprouvettes ASTM D3039 sont de forme rectangulaire avec une section transversale constante.
La norme comprend des géométries d’éprouvettes recommandées pour les types de matériaux unidirectionnels à 0 ⁰, unidirectionnels à 90 ⁰, équilibrés et symétriques, et aléatoires-discontinus.
L’ASTM D3039 peut être utilisée pour les renforts en fibres continues et discontinues, mais la stratification de l’éprouvette stratifiée doit être équilibrée et symétrique par rapport à la direction de l’essai afin de garantir que l’éprouvette ne se tord pas ou ne se déforme pas sous charge.
Languettes d’éprouvette
Il est courant dans les essais de composites d’utiliser des languettes pour protéger le matériau de l’éprouvette contre les dommages causés par les mors. L’ASTM D3039 n’exige pas de languettes, mais elle recommande leur utilisation lors des essais de matériaux unidirectionnels.
Les languettes peuvent être collées à l’éprouvette ou maintenues en place par friction (p. ex. toile émeri).
Mesure des échantillons
Avant l’essai, la section transversale de l’éprouvette doit être mesurée. Pour ce faire, mesurez la largeur et l’épaisseur à trois endroits dans la section de référence et calculez la moyenne des mesures.
Dispositifs de mesure d’éprouvette
- Lorsqu’une ou les deux surfaces sont irrégulières, un micromètre avec une interface à bille est nécessaire pour mesurer l’épaisseur.
- Si les deux surfaces sont planes, un micromètre avec une interface à bille ou plane peut être utilisé.
- Utilisez un pied à coulisse ou un micromètre avec une enclume plate pour mesurer la largeur de l’éprouvette.
Meilleure pratique : Pour éliminer le risque d’erreurs de saisie et pour une efficacité accrue, utilisez un dispositif de mesure automatique d’éprouvette capable de transmettre les mesures directement au logiciel d’essai.
La fonction de dispositif de mesure automatique d’éprouvette dans Bluehill Universal permet aux opérateurs de connecter simultanément jusqu’à deux dispositifs (micromètres ou pieds à coulisse).
Système d'essai des matériaux
L’essai pour l’ASTM D3039 est effectué sur une machine d’essai universelle.
- Un système de 30 kN ou 50 kN peut être suffisant pour tester les composites en fibre de verre.
- Un système de 100 kN ou 300 kN est généralement nécessaire pour tester les composites en fibre de carbone.
Mors et alignement des éprouvettes
Les mors de traction utilisés pour maintenir les éprouvettes composites doivent fournir une pression suffisamment forte et uniforme pour empêcher l’éprouvette de glisser pendant l’essai.
Mors recommandés
Les deux types de mors fournissent une force de serrage fiable et utilisent une conception de corps mobile qui minimise les forces de compression lors du chargement d’une éprouvette.
Des dispositifs d’alignement d’éprouvette en option peuvent être installés sur ces mors pour définir l’alignement optimal pour des résultats plus cohérents.
Faces de mors recommandées
- Éprouvettes à languettes : Faces de mors dentelées
- Éprouvettes sans languettes : Faces de mors plates avec un revêtement dur à haute friction (p. ex. surfalloy, carbure)
Remarque : Dans certains cas, de la toile émeri peut être utilisée avec des faces dentelées pour saisir les éprouvettes sans languettes.
Mesure de la déformation
La déformation est mesurée à l’aide d’un extensomètre ou de jauges de contrainte.
Extensomètres à clip (p. ex. Série 2630)
- Fixés manuellement à l’éprouvette au début de chaque essai
- Peut devoir être retiré avant la rupture de l’éprouvette si la rupture est violente
- Peut ne pas convenir à la mesure de la déformation à la rupture
- Peut être utilisé dans des enceintes environnementales jusqu’à une température maximale de 200 °C
Extensomètres vidéo sans contact (p. ex. Extensomètre vidéo avancé AVE3)
- La caméra mesure la déformation à l’aide de marquages sur l’éprouvette
- Ne peut pas être endommagé par l’énergie libérée lors de la rupture
- Peut être utilisé avec une enceinte environnementale pour les essais non ambiants – se monte à l’extérieur de l’enceinte, éliminant ainsi le besoin d’ouvrir et de fermer la porte pendant les essais
Extensomètres transversaux
Si vous effectuez des essais pour le coefficient de Poisson, un extensomètre transversal est nécessaire pour mesurer la variation de la largeur dans toute la région élastique de l’éprouvette.
Un extensomètre transversal autonome peut être utilisé pour compléter un extensomètre à clip ou vidéo, ou un dispositif biaxial peut être utilisé pour mesurer simultanément la déformation axiale et transversale avec un seul dispositif.
Jauges de contrainte
- Les jauges de contrainte à résistance électrique sont couramment utilisées pour mesurer la déformation à la rupture dans les composites.
- Se composent généralement d’une fine grille de feuille métallique qui est collée à l’éprouvette avec un adhésif
- Peuvent être utilisées dans des enceintes environnementales – des températures cryogéniques à plus de 200 °C
- Nécessitent une électronique de conditionnement pour générer un signal utile. Instron propose un adaptateur facile à utiliser pour l’électronique standard d’une machine d’essai Instron.
Bien que les jauges de contrainte puissent fournir des mesures de déformation très précises, il s’agit d’un consommable coûteux qui nécessite une main-d’œuvre qualifiée pour être installé correctement.
Essais non ambiants dans des enceintes environnementales
Les matériaux composites nécessitent souvent des essais dans des conditions non ambiantes pour caractériser les performances des matériaux aux températures d’application.
Les enceintes environnementales utilisent la convection d’air forcée ainsi que des éléments chauffants résistifs pour atteindre des températures élevées, et de l’azote liquide ou du dioxyde de carbone pour le refroidissement afin d’atteindre des températures basses.
Les enceintes environnementales de la série 3119-600 d’Instron offrent de vastes capacités d’essais de température pour évaluer les propriétés des matériaux dans des conditions non ambiantes. Une gamme complète de mors, de tiges de traction et d’extensomètres complémentaires est disponible.
Remarques finales
L’ASTM D3039 est essentielle pour comprendre le comportement en traction des composites renforcés de fibres à matrice polymère. Bien que ce guide fournisse un aperçu complet, consultez toujours la norme ASTM D3039 complète pour connaître les procédures détaillées et la conformité.
Questions fréquemment posées
| ASTM D3039 | ASTM D638 | |
|---|---|---|
| Matériaux | L’ASTM D3039 couvre la détermination des propriétés en traction dans le plan des composites à matrice polymère renforcés par des fibres à haut module, continues ou discontinues.
Les propriétés des matériaux composites à fibres continues peuvent être fortement anisotropes, c’est-à-dire qu’elles dépendent fortement de la direction. |
L’ASTM D638 couvre la détermination des propriétés en traction des plastiques non renforcés et renforcés. Les composites renforcés avec des fibres à haut module doivent être testés selon la norme ASTM D3039.
Les types de matériaux plastiques testés à l’aide de l’ASTM D638 sont censés être essentiellement isotropes, c’est-à-dire que les propriétés sont approximativement les mêmes dans toutes les directions. |
| Éprouvettes | Les éprouvettes ASTM D3039 sont toutes plates et rectangulaires. Cela réduit la possibilité de ruptures par cisaillement dans les mors.
Des languettes collées ou à friction sont recommandées pour certains types de matériaux, par exemple unidirectionnels, afin d’empêcher les faces des mors d’endommager les fibres composites et de provoquer une rupture prématurée. Les éprouvettes sont généralement produites en coupant des feuilles stratifiées plates à l’aide d’une scie à diamant. |
Les éprouvettes ASTM D638 ont une largeur réduite dans la section de référence et des largeurs plus importantes dans la section de serrage.
Les éprouvettes sont généralement produites par moulage par injection. |
| Mesure de la déformation | L’ASTM D3039 spécifie l’utilisation soit d’un extensomètre étalonné selon la norme ASTM E83 Classe B-1, soit de jauges de contrainte conformes à la norme ASTM E251.
La déformation à la rupture de la plupart des matériaux composites est inférieure à 5 %, de sorte que ces dispositifs de mesure de la déformation ne nécessitent pas une grande course. |
L’ASTM D638 exige un extensomètre étalonné selon la norme ASTM E83 Classe B-2 pour le module et les mesures de faible allongement (<20 %) ainsi que l’utilisation du déplacement de la traverse pour déterminer la « déformation nominale » pour les mesures de fort allongement. |
| Calculs | L’ASTM D3039 comprend des calculs pour :
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L’ASTM D638 comprend des calculs pour :
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