KIc Fracture Toughness Testing to ASTM E399 — Methods, Specimens and Result
Rédigé par Dr Peter Bailey
Les métaux à haute résistance peuvent souvent rompre de manière étonnamment fragile, en particulier si un composant est surchargé alors qu’une petite fissure est déjà présente. La résistance à une rupture localisée (par opposition à la résistance à la traction globale) est généralement décrite par le terme générique de ténacité à la rupture. Dans ce cadre, le KIc est un paramètre d’intensité de contrainte critique, au-delà duquel une rupture soudaine et catastrophique est à prévoir.
L’utilisation la plus répandue concerne les applications aérospatiales, où des essais normalisés très contrôlés sont attendus ; l’ASTM E399 est couramment utilisée, mais des méthodes équivalentes sont proposées par les normes ISO et britanniques. L’essai de ténacité à la rupture KIc fournit aux utilisateurs finaux, ainsi qu’aux développeurs et producteurs d’alliages, un indicateur de performance des matériaux et de contrôle qualité pour des applications critiques.
Testing
Des éprouvettes sont usinées de manière à constituer un bloc de matériau rigide, avec une entaille vive sur une face. Différentes géométries normalisées sont utilisées selon la configuration d’essai la plus pratique ou afin de s’adapter au mieux à l’épaisseur de matériau disponible lorsqu’il est prélevé sur une ligne de production. Il est important de tester la ténacité d’un métal dans différentes directions par rapport aux procédés de mise en forme (p. ex. le laminage) utilisés lors de la fabrication, car les performances varient selon la microstructure.
Chaque éprouvette doit d’abord présenter une fissure réelle propagée à partir de l’entaille, au moyen d’un chargement de fatigue (cyclique), afin de fournir une ligne véritablement « vive » à partir de laquelle la rupture sera initiée. En général, ce processus de préfissuration dure au moins 30 minutes, mais peut être beaucoup plus long selon le matériau et les performances de l’équipement. L’essai principal consiste ensuite en une rampe de chargement simple et lente, jusqu’à ce que la fissure se propage soudainement ou rapidement sur la majeure partie, voire la totalité, de la largeur restante de l’éprouvette. L’éprouvette est alors séparée et la longueur ainsi que la forme exactes de la fissure initiale sont mesurées afin de permettre un calcul précis de l’intensité de contrainte critique à partir de la force enregistrée au moment de la rupture.
Results
Avec un bon équipement d’essai et une fabrication d’éprouvettes de qualité, cet essai n’a pas besoin d’être difficile à réaliser. Toutefois, les résultats peuvent facilement être biaisés par divers facteurs ; c’est pourquoi les normes d’essai internationales sont très prescriptives et définissent une série de critères destinés à garantir des résultats comparables entre éprouvettes, lots ou laboratoires. L’ASTM E399, en particulier, comporte au moins 13 contrôles de validité qui doivent être satisfaits pour déclarer une valeur KIc comparable, et recommande désormais l’utilisation d’algorithmes automatisés spécifiques pour l’analyse des données (voir ASTM E3076).
Bluehill Fracture est conçu pour fournir un flux de travail clair afin de soutenir cette démarche, avec des options permettant de créer des routines d’essai rationalisées et automatisées pour les environnements de contrôle qualité. Il offre également une grande flexibilité aux utilisateurs en recherche, ainsi qu’une ventilation détaillée des contrôles de validité et des résultats intermédiaires lorsqu’un résultat ne satisfait pas aux exigences de la norme. Lorsque des chercheurs ou des laboratoires d’essais sous contrat doivent fournir des résultats sous plusieurs formes, les jeux de données existants peuvent être rouverts et immédiatement réanalysés selon d’autres normes internationales, présentés dans différentes unités (p. ex. passer du métrique aux unités usuelles américaines) ou exportés vers d’autres modèles de rapport. Le logiciel met en œuvre toutes les techniques recommandées et est régulièrement mis à jour afin de refléter les dernières révisions des normes prises en charge : ASTM E399, ASTM B647, ISO 12135, BS 7448-1.
REMARQUE : La norme BS7448-1:1991, en vigueur depuis longtemps, a été officiellement retirée par le British Standards Institute en août 2021, pour être remplacée par la norme BS EN ISO 12135:2021. Bluehill Fracture continue de prendre en charge l’analyse selon BS7448-1 pour les clients qui ont besoin de comparer de nouveaux essais à des données historiques.