Test d'impact Charpy :comment il mesure la résistance des matériaux, la procédure et l'interprétation

L'essai d'impact Charpy a été développé pour la première fois dans les années 1900 pour mieux comprendre pourquoi les matériaux se brisent prématurément. Le test Charpy détermine la quantité d'énergie qu'un matériau absorbe lors de la rupture, appelée énergie d'impact, et est utilisé pour évaluer la résistance aux chocs Charpy d'un matériau. Le test est comparatif, ce qui signifie que les résistances aux chocs de différents matériaux sont comparées entre elles, à condition qu'ils aient été testés selon la même norme. La procédure d'essai de choc Charpy consiste à frapper un échantillon entaillé avec un pendule oscillant. La hauteur du pendule avant et après l’impact est utilisée pour déterminer la quantité d’énergie absorbée par l’échantillon. Le test permet d'évaluer la ténacité de l'entaille, qui indique la résistance d'un matériau à la rupture à l'emplacement de l'entaille.

Le test d'impact Charpy est une méthode utilisée dans les tests de matériaux pour mesurer la résistance aux chocs, qui répond à la question « Qu'est-ce que le test Charpy ? », en déterminant la quantité d'énergie qu'un matériau absorbe lors de la rupture. L'énergie absorbée pendant l'essai est mesurée par la différence de hauteur avant et après impact, et le résultat dépend des caractéristiques de l'éprouvette d'impact Charpy.

Qu'est-ce que le test d'impact Charpy ?

Le test d'impact Charpy est utilisé pour mesurer la capacité d'un matériau à absorber de l'énergie lors de la rupture. L'essai d'impact Charpy est réalisé en frappant une éprouvette entaillée avec un pendule oscillant. La quantité d'énergie absorbée lors de l'impact est déterminée par la différence de hauteur avant et après le balancement. Le test vise à évaluer la résistance aux chocs d'un matériau, en particulier sa résistance à la rupture fragile sous des vitesses de déformation élevées. L'essai de choc Charpy est essentiel pour comprendre le comportement des matériaux dans des conditions réelles (températures extrêmes ou sous impact brutal). Le test Charpy mesure la ténacité des matériaux en testant leur réponse à des forces soudaines.

La définition du test d'impact implique de comparer l'énergie absorbée par différents matériaux dans des conditions standardisées.

Quelle est l'histoire de l'essai d'impact Charpy ?

L'histoire de l'essai d'impact Charpy remonte au début du 20e siècle, lorsqu'il a été développé pour mieux comprendre la rupture des matériaux sous un impact soudain. L'essai d'impact Charpy a été inventé par George Augustin Albert Charpy en 1901. L'essai a été créé pour découvrir pourquoi les machines (chaudières à vapeur, machines à vapeur et armements militaires) tombaient en panne prématurément. Charpy a amélioré l'approche basée sur le pendule développée pour la première fois par S.B. Russell. Il a découvert que l’ajout d’une encoche à l’échantillon contribuait à améliorer la précision et la sensibilité du test. Le test porte le nom de Charpy, car il était responsable de divers efforts de normalisation et d'améliorations techniques. 

Quelle est l'importance du test d'impact Charpy ?

L'importance du test d'impact Charpy réside dans le fait qu'il fournit des informations précieuses sur la capacité du matériau à résister à des forces ou des impacts soudains. Le test est nécessaire en ingénierie des matériaux car il permet de déterminer la ténacité et la fiabilité des matériaux dans des environnements soumis à des charges rapides ou à des fluctuations de température. Comprendre la résistance aux chocs Charpy des matériaux imprimés garantit que les pièces imprimées subissent des contraintes réelles sans échouer lors de l'impression 3D. Le test joue un rôle dans la conception mécanique, où les matériaux doivent être choisis pour leur capacité à résister à la rupture sous des charges inattendues. Les tests d'impact Charpy évaluent la ténacité, qui mesure la capacité d'un matériau à résister à la propagation des fissures à l'endroit d'une entaille, ce qui le rend essentiel pour la sélection de matériaux pour les applications où une défaillance entraîne des conséquences catastrophiques.

Comment calculer le test d'impact Charpy ?

Pour calculer le test d’impact Charpy, il y a quatre étapes à suivre. Tout d’abord, préparez l’essai en fixant l’éprouvette d’essai de choc Charpy en place sous le pendule. Deuxièmement, relâchez le pendule et laissez-le frapper l'échantillon encoché. Troisièmement, mesurez la hauteur du pendule avant et après l’impact pour déterminer la quantité d’énergie absorbée. Enfin, utilisez la formule de l'essai de choc Charpy pour calculer l'énergie absorbée par l'éprouvette, qui est la différence d'énergie potentielle moins les pertes d'énergie dues au frottement et à la résistance de l'air. Cela se fait à l'aide de la formule de test d'impact, qui inclut la masse du pendule et la différence de hauteur, tout en tenant compte des pertes d'énergie dues au frottement et au vent.

Quelle est la formule du test d'impact Charpy ?

La formule du test d'impact Charpy est utilisée pour calculer l'énergie absorbée par l'éprouvette lors de l'impact. 
La formule du test d'impact est présentée ci-dessous.

E =mgΔh

E est l'énergie absorbée par l'échantillon (en joules), m est la masse du pendule (en kilogrammes), g est l'accélération due à la gravité (9,81 m/s²) et Δh est la différence de hauteur du pendule avant et après l'impact (en mètres).

Par exemple, un pendule d'une masse de 1,5 kg se balance d'une hauteur de 2 mètres et s'abaisse à 1 mètre après avoir heurté l'échantillon.

La formule est présentée ci-dessous.

E =1,5 ⋅ 9,81 ⋅ ( 2 - 1 )

E =1,5 ⋅ 9,81 ⋅ (1) =14,715 J

E =14,715 J

L'échantillon a absorbé 14,715 joules d'énergie lors de l'impact. L'essai d'impact Charpy détermine l'énergie absorbée, généralement exprimée en Joules, tandis que la résistance aux chocs est souvent calculée en énergie par unité de surface (J/cm2 ou kJ/m2).

Quelle est l'unité d'un test d'impact Charpy ?

Les résultats des tests d'impact Charpy sont mesurés en joules, qui est l'unité SI pour l'énergie. L'unité est la quantité de travail effectué lorsqu'une force de 1 Newton est exercée sur une distance de 1 mètre. La valeur est utilisée pour calculer l'énergie d'impact en J/m2 en divisant la valeur en joule par la surface de la section transversale de l'échantillon au niveau de l'encoche de l'échantillon.

Quelles sont les procédures étape par étape des tests d'impact Charpy ?

Les procédures étape par étape des tests d'impact Charpy sont répertoriées ci-dessous.

1. Préparation des échantillons :Commencez par découper l'éprouvette de matériau aux dimensions requises, une forme rectangulaire standard, en vous assurant qu'elle est exempte de tout défaut de surface.  L'éprouvette doit être positionnée dans la machine d'essai avec le côté cranté tourné à l'opposé du pendule oscillant. Une bonne préparation des échantillons est essentielle pour obtenir des résultats précis dans la procédure de test Charpy.
2. Orientation de l'encoche :l'encoche doit être alignée avec précision, car son emplacement et son orientation affectent les résultats. L'encoche est placée au centre de l'éprouvette et doit être orientée à l'opposé de la direction de l'impact. Une orientation correcte de l'encoche est essentielle pour tester la procédure d'essai d'impact Charpy du matériau.
3. Frappement du pendule :Relâchez le pendule d'une hauteur connue pour qu'il bascule vers le bas pour frapper l'éprouvette entaillée. La force appliquée à l’échantillon lors de l’impact provoque sa fracture et la hauteur du pendule diminue en conséquence. Cette étape fait partie de la procédure de test d'impact utilisée pour simuler une force soudaine sur le matériau.
4. Mesure de l'énergie :Mesurez la différence de hauteur du pendule avant et après avoir frappé l'éprouvette après l'impact. L'énergie absorbée par l'échantillon est calculée en utilisant la différence de hauteur, la masse du pendule et la gravité. Cette étape conclut la procédure de test d'impact Charpy, déterminant la ténacité et la résistance aux chocs du matériau.

Quelle machine est utilisée pour les tests d'impact Charpy ?

Une machine d'essai d'impact Charpy est utilisée pour tester la résistance aux chocs d'un échantillon. La machine est relativement simple et fonctionne en faisant basculer un pendule dans un échantillon pour le fracturer. L'énergie absorbée par l'échantillon est lue sur un cadran de la machine. 

La machine est relativement simple et fonctionne en faisant basculer un pendule dans un échantillon pour le fracturer. L'énergie absorbée par l'échantillon est lue sur un cadran de la machine. 

Qu'est-ce que la norme de test d'impact Charpy ?

La norme d'essai d'impact Charpy est définie par des directives spécifiques pour garantir la cohérence et la fiabilité des procédures d'essai. Les normes les plus reconnues sont ASTM E23 et ASTM D6110. ASTM E23 est la norme utilisée pour tester les matériaux métalliques, fournissant les méthodes de mesure des propriétés d'impact des métaux (préparation des échantillons, procédures de test et exigences en matière d'équipement). ASTM D6110 s'applique aux plastiques et décrit les méthodes permettant de déterminer la résistance aux chocs des matériaux polymères à l'aide du test Charpy. Les normes ASTM E23 et ASTM D6110 sont essentielles pour garantir que les résultats des tests sont précis et comparables sur différents matériaux et conditions de test.

Quelle est la température pour un essai d'impact Charpy ?

La température pour l'essai de choc Charpy est de 23 °C. Cependant, ces tests sont effectués dans de nombreuses plages de températures pour tracer la température de transition ductile à fragile des matériaux.

Quels sont les deux types de résultats des tests d'impact Charpy ?

Les deux types de résultats des tests d'impact Charpy sont répertoriés ci-dessous.

1. Résultats quantitatifs :Les résultats quantitatifs fournissent des données mesurables, exprimées en joules, représentant la quantité d'énergie absorbée par l'éprouvette lors de l'impact. La valeur est utilisée pour déterminer la résistance aux chocs charpy du matériau et sa capacité à résister à la rupture sous contrainte. Les résultats quantitatifs permettent de comparer différents matériaux en termes de ténacité et de résistance aux chocs.
2. Résultats qualitatifs :Les résultats qualitatifs offrent un aperçu du comportement du matériau, par exemple s'il se fracture de manière fragile ou ductile. Ils sont observés visuellement après les essais et fournissent une description de la surface de fracture (si elle présente des signes de déformation plastique/expansion latérale ou une surface cristalline et plane). La procédure de test d'impact Charpy aide à obtenir des types de résultats, offrant une compréhension complète des performances des matériaux sous impact.

1. Résultats quantitatifs

Les résultats quantitatifs sont des données basées sur des valeurs numériques. La donnée quantitative est normalement l'énergie absorbée lors de la rupture de l'échantillon lors de l'essai de choc Charpy. La température de transition ductile à fragile (DBTT) est estimée en testant plusieurs échantillons à plusieurs températures pour voir où il y a une augmentation drastique de l'énergie d'impact requise.

La formule du test d'impact Charpy est présentée ci-dessous.

E =m g (h₁ − h₂)

Tests Charpy V-Notch :pourquoi est-ce important dans les tests Charpy ?

Les tests Charpy V-Notch sont importants car l'encoche en forme de V crée une concentration de contraintes contrôlée qui force la fracture à commencer à un emplacement précis, permettant ainsi une mesure précise de la résistance aux chocs. Le test d'encoche Charpy V garantit que l'absorption d'énergie est évaluée dans des conditions reproductibles lors d'une charge soudaine. Un test d'encoche en V révèle l'efficacité avec laquelle un matériau résiste à la rupture fragile lorsqu'il est exposé à un impact à grande vitesse. Un test d'encoche standardise l'initiation des fissures afin que les valeurs d'énergie absorbée restent comparables entre différents échantillons de matériaux. L'Angulo de Charpy définit l'angle d'entaille exact qui contrôle l'intensité des contraintes, ce qui affecte directement la précision et la cohérence de la mesure de la résistance aux chocs.

Schéma du test de choc Charpy :comment est-il représenté ?

Le diagramme d'essai d'impact Charpy est présenté par les étapes suivantes répertoriées ci-dessous.

1. Présenter la présentation du diagramme de test d'impact Charpy . Un diagramme d'essai de choc Charpy montre un cadre de support rigide avec un pendule monté à une hauteur fixe au-dessus de l'éprouvette. La conception illustre comment l'énergie potentielle gravitationnelle se transforme en énergie d'impact au point de frappe.
2. Afficher la disposition dans un diagramme de test Charpy . Le diagramme d'essai Charpy montre l'éprouvette reposant horizontalement sur deux enclumes avec une portée définie entre supports. L'encoche est tournée vers le pendule, de sorte que la fracture commence à la concentration de contrainte la plus élevée lors de l'impact.
3. Représentez le fonctionnement d'un testeur d'impact Charpy . L'illustration du testeur d'impact Charpy retrace l'arc du pendule depuis la libération jusqu'au contact avec l'échantillon. La différence entre la hauteur initiale et la hauteur de rebond représente l'énergie absorbée lors de la fracture.
4. Illustrer l'étape de mesure d'énergie . L'étape finale du diagramme montre une échelle mécanique ou un affichage numérique connecté à l'axe du pendule. La perte d'énergie mesurée représente directement la résistance aux chocs du matériau sous une charge soudaine.

Quels sont les facteurs affectant un essai d'impact Charpy ?

Les facteurs affectant un test d'impact Charpy sont répertoriés ci-dessous.

• Contrainte d'élasticité  :La limite d'élasticité affecte la rigidité du matériau, une résistance plus élevée réduit la déformation avant la rupture.
• Encoche  :Les encoches créent des points de contrainte et les rainures guident la fracturation.
• Température :La température influence le comportement fragile ou ductile, modifiant l'énergie nécessaire à la rupture. 
• Mécanisme de fracture :Le mécanisme de fracture montre comment le matériau se sépare sous l'impact, reflétant la résistance de sa structure interne à la force.

1. Limite d'élasticité

La limite d'élasticité du matériau augmente lorsque l'énergie d'impact diminue. Les matériaux ayant une limite d'élasticité plus élevée ont une ténacité plus faible. Les matériaux qui se déforment plastiquement avant leur rupture finale sont considérés comme plus résistants. La limite d'élasticité et une limite d'élasticité plus élevée sont des facteurs affectant un test d'impact Charpy, qui crée une réponse plus rigide qui réduit la quantité d'énergie absorbée lors de l'impact.

2. Encoche

L'entaille introduit un point de contrainte contrôlé qui dirige le chemin de fracture et influence la ténacité mesurée. L'éprouvette à encoche en V est utilisée lorsque le matériau est fragile, et une éprouvette à encoche en U est utilisée lorsque le matériau est ductile. L'éprouvette à encoche en U présente un facteur de concentration de contraintes plus élevé que l'éprouvette à encoche en V. Il convient de noter que les encoches doivent être exactement les mêmes pour obtenir des résultats précis comparables aux tests précédents.

3. Température

La température modifie le comportement du matériau en modifiant l'équilibre entre les réponses fragiles et ductiles lors du chargement par impact. Les tests de choc Charpy sont généralement réalisés à 23 °C. Cependant, des températures plus élevées et plus basses sont utilisées pour tracer une courbe représentant le comportement de transition ductile à fragile d’un matériau. Des températures plus élevées augmentent la résistance aux chocs.

4. Mécanisme de fracture

Le mécanisme de fracture détermine la manière dont un matériau se sépare sous l'effet d'une force soudaine et définit la quantité d'énergie nécessaire pour achever la rupture. Les deux mécanismes de fracture sont le clivage, courant dans les matériaux fragiles, et la coalescence par microvides, plus fréquente dans les matériaux ductiles. Les matériaux qui se fracturent via le mécanisme de fracture par clivage ont une énergie d'impact inférieure à celle des matériaux qui échouent par coalescence par microvides. 

Le test d'impact Charpy est-il important dans l'impression 3D ?

Oui, le test d'impact Charpy est important en impression 3D. La réalisation de tests d'impact Charpy sur des échantillons imprimés en 3D aide les ingénieurs à déterminer la résistance aux chocs de divers matériaux d'impression 3D, étant donné que certaines technologies impriment des pièces aux propriétés anisotropes. Tester des échantillons avec différentes géométries d'impression aide les ingénieurs à comprendre comment optimiser leurs conceptions en termes de résistance aux chocs. Le test d'impact de Charpy est important dans l'impression 3D car la méthode fournit une mesure claire de la façon dont un matériau imprimé absorbe l'énergie lors d'un chargement soudain. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur Tout ce que vous devez savoir sur l'impression 3D.

Consultez notre glossaire de fiches techniques pour en savoir plus sur les différentes propriétés des matériaux.