Résistance à la déchirure : définition, lien avec l'impression 3D et méthodes de mesure

La résistance à la déchirure est la capacité d'un matériau à résister à une rupture perpendiculaire à la contrainte appliquée. Elle est généralement testée en mesurant la force nécessaire pour initier une déchirure, cette force étant appliquée sur une zone non retenue proche d'un serre-joint maintenant le bord du matériau.

En impression 3D, la résistance à la déchirure aide à définir les avantages de résistance structurelle de méthodes de construction particulières. Cela est particulièrement pertinent pour les méthodes de construction anisotropes comme l'impression FDM. Les matériaux anisotropes ont des propriétés différentes selon le mode et l'orientation du matériau. Cela s'interprète comme un « fil » similaire au bois, où les forces le long du fil (alignées avec le plan de construction et la direction principale du filament) sont beaucoup mieux résistées que celles qui arrachent les filaments les uns des autres.

Les valeurs de résistance à la déchirure sont mesurées en newtons par mm ou en livres-force par unité d'épaisseur (lbf/in ou N/mm) de l'échantillon. Toutefois, les résultats de différents montages de test ne sont pas directement comparables, en raison de différences méthodologiques. Les bancs d'essai retiennent une partie du bord de l'échantillon dans un plan fixe et serrent un bord « libre » près de la retenue. Cela permet d'appliquer une charge perpendiculaire à l'échantillon pour induire une déchirure. Certains tests exigent un bord lisse, d'autres une entaille en V spécifiée comme initiateur, d'autres encore une entaille droite spécifiée. La valeur mesurée est la force requise pour initier la déchirure uniquement.

Cet article discutera de la définition de la résistance à la déchirure, de son lien avec l'impression 3D, de sa formule et de sa mesure.

Qu'est-ce que la résistance à la déchirure ?

La résistance à la déchirure est la résistance d'un matériau à une rupture perpendiculaire. La déchirure est une capacité critique que possèdent de nombreux matériaux, causée par une force perpendiculaire au plan du matériau. Une force appliquée qui dépasse la résistance à la déchirure cause une rupture au point de cedement qui sépare le matériau le long de la ligne d'application de la force. La résistance à la déchirure est généralement utile pour mesurer le comportement des matériaux non fragiles. Les matériaux fragiles ne se déchirent pas mais se fracturent quand ils sont déformés. La mesure sert à définir la capacité des matériaux qui peuvent se déformer significativement avant rupture. Le papier a une résistance à la déchirure mesurable, alors que le verre n'en a pas, car il subit une rupture fragile. En termes de mesures utiles, les essais de déchirure sont généralement effectués sur des matériaux en feuilles : tissus, papiers/cartons, plastiques souples et caoutchoucs.

Comment la mesure de la résistance à la déchirure se rapporte-t-elle à l'impression 3D ?

Mesurer la résistance à la déchirure se rapporte à l'impression 3D en ce que la compréhension des propriétés de résistance à la déchirure des diverses technologies d'impression 3D et de l'orientation de la pièce aide à réaliser des prototypes utiles pour des tests de force active, plutôt que pour le seul ajustement et la forme. Le choix du procédé, du type de matériau et de l'orientation de construction peut être critique pour déterminer l'adéquation d'une pièce imprimée 3D à son usage prévu.

Les pièces qui doivent fléchir ou résister à la flexion, subir des cycles répétés de chargement, et faire face à des scénarios de chargement complexes doivent être réalisées par un procédé offrant la performance requise. Lorsque la flexibilité est requise, une pièce SLA basique aura tendance à se fracturer immédiatement. Une pièce imprimée en FDM, en revanche, construite de sorte que la direction du filament soit alignée avec la ligne de flexion (plutôt que transversale ou à travers) performera mieux. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur l'impression 3D.

Quelle est la formule de la résistance à la déchirure ?

La formule de la résistance à la déchirure est :

Résistance à la déchirure = F/t

Que la déchirure soit pré-initiée par une entaille en V ou une entaille droite, ou que le bord soit lisse et intact, une force sera mesurée qui initie la déchirure. Cette force (en N ou lbf) est ensuite divisée par l'épaisseur de l'échantillon (en mm ou pouces) pour fournir une mesure normalisée de force/unité d'épaisseur.

Quelle est l'unité utilisée pour la résistance à la déchirure ?

La résistance à la déchirure est mesurée en newtons par mm ou en livres-force par pouce (N/mm ou lbf/in).

Comment tester la résistance à la déchirure ?

Le test de résistance à la déchirure est généralement effectué sur une machine d'essai de traction. Un échantillon est serré aux mâchoires supérieure et inférieure de la machine. Il est orienté de sorte que la contrainte soit appliquée comme un mouvement de déchirure. Le format le plus courant utilise le test « pantalon » (trouser test). Les « jambes » d'une forme pantalon sont serrées dans un plan et tirées comme si on faisait un grand écart. La rupture se produit au point où les « jambes » se rejoignent. Cela étire ou déforme le bord du matériau en une ligne déplacée (quand chargé à moins que le point de déchirure). La force est alors augmentée par paliers jusqu'à ce que la déchirure commence au concentrateur de contrainte.

Trois formes de préparation du bord sont utilisées : une entaille en V ou en I comme initiateur, ou le bord est lisse et forme une courbe intacte où les « jambes » de l'échantillon se rejoignent. Ces tests ne sont pas nécessairement comparables entre eux. L'initiateur entraîne probablement une résistance à la déchirure bien plus faible que pour des échantillons par ailleurs identiques. La concentration de contrainte (force) se produit à des niveaux de déformation (extension/déplacement) bien plus faibles.

Le test de résistance à la déchirure est donc considéré comme un test qualitatif pour démontrer le mode de rupture plutôt qu'un test comparatif de valeurs pour permettre des comparaisons précises de divers matériaux. Il peut être utilisé pour une comparaison qualitative de la résilience à la force d'échantillons de matériaux identiquement formés/testés. Cependant, les mesures quantitatives sur des échantillons de test ne renseignent que qualitativement sur les risques de rupture en conditions réelles, où les applications de charge sont rarement aussi simplifiées/idéales qu'en laboratoire.

Comment mesurer la résistance à la déchirure ?

Lors d'un test, soit un poids, soit un déplacement et un module de mesure de force sont appliqués au serre-joint mobile. La force à laquelle la déchirure s'initie est la mesure de test résultante. Les formes d'échantillons et entailles d'initiation varient, mais tous les échantillons sont disposés de sorte qu'un chargement de traction simple applique une force de déchirure en un point prédéfini de l'échantillon.

Quelles sont les normes ASTM International pour mesurer la résistance à la déchirure de différents matériaux ?

L'ASTM D264 est la norme américaine pour la résilience à la déchirure, et elle spécifie cinq types d'échantillons : A (croissant, entaillé au rasoir), B (Winkelmann), C (Graves), T (Déchirure pantalon)/ASTM D470, et CP (Déchirure pantalon à chemin contraint). Pour les types d'échantillons A, B ou C, la valeur mesurée de résistance à la déchirure est simplement la force (pour initier la déchirure) divisée par l'épaisseur de l'échantillon. Pour les types T ou CP, la valeur mesurée est la force moyenne ou médiane appliquée à la courbe divisée par l'épaisseur de l'échantillon.

L'ISO 34-1 est directement comparable en principe mais diffère sur plusieurs détails clés qui rendent les deux normes très difficiles à comparer directement, même pour des matériaux identiques.

Pour en savoir plus, consultez notre guide complet sur ASTM International.

Quels sont des exemples de résistance à la déchirure de différents matériaux ?

1. Résistance à la déchirure du tissu

Les tissus sont des matériaux produits en tissant ensemble des matériaux comme la laine, le nylon et le coton. Les tissus en coton varient largement en résistance à la déchirure selon le matériau de base et la force appliquée.

2. Résistance à la déchirure du caoutchouc

Les valeurs pour divers matériaux caoutchouc sont : caoutchouc naturel (23,95 ±1,85 kN/m), caoutchouc nitrile (9,14 ±1,54 kN/m), caoutchouc styrène-butadiène (4,88 ±0,47 kN/m), et caoutchouc EPDM (7,27 ±0,86 kN/m).

3. Résistance à la déchirure du plastique

Les valeurs de résistance à la déchirure pour les plastiques varient, selon l'orientation d'allongement, les variations de propriétés polymères, et la grande disponibilité des types de polymères. Les résultats ne sont généralement d'intérêt que pour les matériaux en film soumis à des contraintes de fabrication ou d'utilisation. Les films polymères tendent aussi à être testés selon l'ASTM D1922, le test de déchirure Elmendorf (résultats en grammes). Par exemple, un HDPE modal a une résistance à la déchirure Elmendorf de 120 g MD (direction machine) et 24 g TD (direction transversale). Le LDPE, en revanche, a une résistance à la déchirure Elmendorf de 320 g MD et 170 g TD.

Quels sont les types de matériaux à haute résistance à la déchirure ?

Dans les tissus, les fibres synthétiques ont une plus haute résistance à la déchirure. Le Kevlar® et le nylon sont de bons exemples de résilience extrême à la déchirure dans des fibres flexibles. Les matériaux de parachute sont faits de nylon finement tissé en raison des conséquences graves d'une défaillance catastrophique. Les armures corporelles militaires et les armures de moto sont généralement en Kevlar®, où la combinaison de faible élasticité et d'énorme résistance à la traction fait des tissus plus rigides mais tenaces.

Dans les élastomères, la plus haute résilience à la déchirure vient des caoutchoucs naturels et des composés les contenant. Cela résulte de l'allongement à la rupture très élevé du caoutchouc naturel (vulcanisé). Cependant, l'équilibre des propriétés favorise les caoutchoucs synthétiques dans de nombreuses applications, qui sont généralement plus rigides et plus durables.

Quels sont les types de matériaux à faible résistance à la déchirure ?

Quelques exemples de matériaux à faible résistance à la déchirure : papier, films PVC, caoutchoucs thermoplastiques, caoutchoucs silicone, et tissus en fibres naturelles.

Qu'est-ce que le rapport déchirure-cedement ?

Le rapport déchirure-cedement est une mesure de la capacité d'un matériau à subir une déformation élastique et plastique avant la déchirure. Par exemple, les matériaux qui se déforment élastiquement sous charge récupèrent quand la charge est retirée. Si la limite élastique est dépassée et qu'une déformation plastique se produit, il y aura une certaine récupération au déchargement. Si le matériau se déchire peu après l'atteinte du point de cedement, la récupération ne sera pas possible. Un rapport déchirure-cedement élevé indique un matériau enclin à la rupture quand il est surchargé en mode déchirure.

Quelle est la mesure moyenne de résistance à la déchirure considérée bonne pour l'impression 3D ?

La mesure moyenne de résistance à la déchirure considérée bonne en impression 3D dépend de l'application. La résistance à la déchirure absolue du matériau natif utilisé dans l'impression peut aider l'utilisateur à évaluer la technologie d'impression et le matériau sélectionnés. De nombreux matériaux d'impression 3D sont à la fois relativement faibles et fragiles. La résistance à la déchirure aide à comprendre le comportement du matériau sous charge. Les résistances à la déchirure relatives de modèles construits dans diverses orientations de machine peuvent varier significativement. Là où la menace de déchirure court le long d'une direction de grain primaire, le matériau sera faible. En FDM à section mince, par exemple, les filaments sont plus résistants le long de leur longueur qu'à 90° de cet axe. Choisir l'orientation de construction optimale peut avoir un effet significatif sur les propriétés fonctionnelles.