Essai de choc Charpy : mesure de la ténacité des matériaux, procédure et interprétation

Introduction

L'essai de choc Charpy a été développé pour la première fois dans les années 1900 pour faire progresser la compréhension de la raison pour laquelle les matériaux se rompent prématurément. L'essai Charpy détermine la quantité d'énergie qu'un matériau absorbe pendant la fracture, connue sous le nom d'énergie de choc, et est utilisé pour évaluer la résistance au choc Charpy d'un matériau. L'essai est comparatif, ce qui signifie que les résistances au choc de divers matériaux sont comparées entre elles, à condition qu'elles aient été testées selon la même norme. La procédure d'essai de choc Charpy implique de 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. L'essai aide à évaluer la ténacité à l'entaille, qui indique la résistance d'un matériau à la fracture au niveau de l'entaille.

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

Qu'est-ce que l'essai de choc Charpy ?

L'essai de choc Charpy est utilisé pour mesurer la capacité d'un matériau à absorber de l'énergie pendant la fracture. L'essai de choc Charpy est réalisé en frappant un éprouvette entaillée avec un pendule oscillant. La quantité d'énergie absorbée pendant l'impact est déterminée par la différence de hauteur avant et après l'oscillation. L'essai vise à évaluer la résistance au choc d'un matériau, spécifiquement sa résistance à la fracture fragile sous des taux de déformation élevés. L'essai de choc Charpy est essentiel pour comprendre comment les matériaux performent dans des conditions réelles (températures extrêmes ou sous impact soudain). L'essai Charpy mesure la ténacité des matériaux en testant leur réponse à des forces soudaines.

La définition de l'essai de choc implique la comparaison de l'énergie absorbée par différents matériaux sous des conditions standardisées.

Quelle est l'histoire de l'essai de choc Charpy ?

L'histoire de l'essai de choc Charpy remonte au début du 20e siècle, lorsqu'il a été développé pour mieux comprendre la rupture des matériaux sous impact soudain. L'essai de choc Charpy a été inventé par Georges Augustin Albert Charpy en 1901. L'essai a été créé pour découvrir pourquoi les machines (chaudières à vapeur, machines à vapeur et armements militaires) se rompaient prématurément. Charpy a amélioré l'approche basée sur le pendule développée pour la première fois par S.B. Russell. Il a découvert qu'ajouter une entaille à l'échantillon améliorait la précision et la sensibilité de l'essai. L'essai a été nommé d'après Charpy, car il était responsable de divers efforts de standardisation et d'améliorations techniques.

Quelle est l'importance de l'essai de choc Charpy ?

L'importance de l'essai de choc Charpy est qu'il fournit des informations précieuses sur la capacité d'un matériau à résister à des forces ou impacts soudains. L'essai est nécessaire en ingénierie des matériaux car il aide à déterminer la ténacité et la fiabilité des matériaux dans des environnements soumis à des chargements rapides ou des fluctuations de température. Comprendre la résistance au choc Charpy des matériaux imprimés assure que les pièces imprimées supportent les contraintes réelles sans se rompre en impression 3D. L'essai joue un rôle dans la conception mécanique, où les matériaux doivent être choisis pour leur capacité à résister à la fracture sous des charges imprévues. L'essai de choc Charpy évalue la ténacité à l'entaille, qui mesure la capacité d'un matériau à résister à la propagation de fissure au site d'une entaille, le rendant essentiel pour la sélection de matériaux pour des applications où la rupture entraîne des conséquences catastrophiques.

Comment calculer l'essai de choc Charpy ?

Pour calculer l'essai de choc Charpy, il y a quatre étapes à suivre. Premièrement, configurer l'essai en fixant l'éprouvette d'essai Charpy en place sous le pendule. Deuxièmement, relâcher le pendule et le laisser frapper l'éprouvette entaillée. Troisièmement, mesurer la hauteur du pendule avant et après l'impact pour déterminer la quantité d'énergie absorbée. Enfin, utiliser 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 en utilisant la formule de l'essai de choc, qui inclut la masse du pendule et la différence de hauteur, tout en tenant compte des pertes d'énergie dues au frottement et à la résistance de l'air.

Quelle est la formule de l'essai de choc Charpy ?

La formule de l'essai de choc Charpy est utilisée pour calculer l'énergie absorbée par l'éprouvette pendant l'impact.
La formule de l'essai de choc est montrée ci-dessous.

E = mgΔh

E est l'énergie absorbée par l'éprouvette (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 avec une masse de 1,5 kg oscille d'une hauteur de 2 mètres et est abaissé à 1 mètre après avoir frappé l'éprouvette.

La formule est montrée ci-dessous.

E = 1,5 ⋅ 9,81 ⋅ ( 2 - 1 )

E = 1,5 ⋅ 9,81 ⋅ (1) = 14,715 J

E = 14,715 J

L'éprouvette a absorbé 14,715 joules d'énergie pendant l'impact. L'essai de choc Charpy détermine l'énergie absorbée, généralement exprimée en joules, tandis que la résistance au choc est souvent calculée comme énergie par unité de surface (J/cm² ou kJ/m²).

Quelle est l'unité pour un essai de choc Charpy ?

Les résultats de l'essai de choc Charpy sont mesurés en joules, qui est l'unité SI pour l'énergie. L'unité est la quantité de travail effectuée lorsqu'une force de 1 Newton est exercée sur une distance de 1 mètre. La valeur est utilisée pour calculer l'énergie de choc en J/m² en divisant la valeur en joules par la section transversale de l'éprouvette au niveau de l'entaille.

Quelles sont les procédures étape par étape des essais de choc Charpy ?

Les procédures étape par étape des essais de choc Charpy sont listées ci-dessous.

1. Préparation de l'éprouvette : Commencer par découper l'éprouvette de matériau aux dimensions requises, une forme rectangulaire standard, en s'assurant qu'elle est exempte de tout défaut de surface. L'éprouvette doit être positionnée dans la machine d'essai avec le côté entaillé face à l'opposé du pendule oscillant. Une préparation correcte de l'éprouvette est essentielle pour des résultats précis dans la procédure d'essai Charpy.
2. Orientation de l'entaille : L'entaille doit être précisément alignée, car son emplacement et son orientation affectent les résultats. L'entaille est placée au centre de l'éprouvette et doit faire face à l'opposé de la direction de l'impact. Une orientation correcte de l'entaille est essentielle pour tester la procédure d'essai de choc Charpy du matériau.
3. Frappe du pendule : Relâcher le pendule d'une hauteur connue pour qu'il oscille vers le bas et frappe l'éprouvette entaillée. La force appliquée à l'éprouvette pendant l'impact la fait se fracturer, et la hauteur du pendule diminue en conséquence. Cette étape fait partie de la procédure d'essai de choc utilisée pour simuler une force soudaine sur le matériau.
4. Mesure de l'énergie : Mesurer la différence de hauteur du pendule avant et après avoir frappé l'éprouvette après l'impact. L'énergie absorbée par l'éprouvette est calculée en utilisant la différence de hauteur, la masse du pendule et la gravité. Cette étape conclut la procédure d'essai de choc Charpy, déterminant la ténacité et la résistance au choc du matériau.

Quelle machine est utilisée dans les essais de choc Charpy ?

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

Quelle est la norme de l'essai de choc Charpy ?

La norme de l'essai de choc Charpy est définie par des directives spécifiques pour assurer 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 les essais de matériaux métalliques, fournissant les méthodes pour mesurer les propriétés d'impact des métaux (préparation de l'éprouvette, procédures d'essai et exigences d'équipement). ASTM D6110 s'applique aux plastiques et décrit les méthodes pour déterminer la résistance au choc des matériaux polymères en utilisant l'essai Charpy. ASTM E23 et ASTM D6110 sont essentiels pour garantir que les résultats d'essai sont précis et comparables entre différents matériaux et conditions d'essai.

Quelle est la température pour un essai de choc Charpy ?

La température pour les essais de choc Charpy est de 23 °C. Cependant, ces essais sont effectués à de nombreuses plages de température pour tracer la température de transition ductile-fragile des matériaux.

Quels sont les deux types de résultats de l'essai de choc Charpy ?

Les deux types de résultats de l'essai de choc Charpy sont listés ci-dessous.

1. Résultats quantitatifs : Les résultats quantitatifs fournissent des données mesurables, exprimées en joules, représentant la quantité d'énergie absorbée par l'éprouvette pendant l'impact. La valeur est utilisée pour déterminer la résistance au choc Charpy du matériau et sa capacité à résister à la fracture sous contrainte. Les résultats quantitatifs aident à comparer différents matériaux en termes de ténacité et de résistance au choc.
2. Résultats qualitatifs : Les résultats qualitatifs offrent des informations sur le comportement du matériau, comme s'il se fracture de manière ductile ou fragile. Ils sont observés visuellement après l'essai et fournissent une description de la surface de fracture (si elle montre des signes de déformation plastique/expansion latérale ou une surface cristalline, plate). La procédure d'essai de choc Charpy aide à obtenir ces types de résultats, offrant une compréhension complète de la performance du matériau sous choc.

1. Résultats quantitatifs

Les résultats quantitatifs sont des données basées sur des valeurs numériques. Les données quantitatives sont normalement l'énergie absorbée pendant la fracture de l'échantillon dans l'essai de choc Charpy. La température de transition ductile-fragile (TTDF) est estimée en testant plusieurs échantillons à plusieurs températures pour voir où il y a une augmentation drastique de l'énergie de choc requise.

La formule de l'essai de choc Charpy est montrée ci-dessous.

E = m g (h₁ − h₂)

Essai Charpy à entaille en V : pourquoi est-il important dans les essais Charpy ?

L'essai Charpy à entaille en V est important car l'entaille en V crée une concentration de contrainte contrôlée qui force la fracture à commencer à un emplacement précis, permettant une mesure précise de la ténacité au choc. L'essai Charpy à entaille en V assure que l'absorption d'énergie est évaluée sous des conditions répétables lors du chargement soudain. Un essai à entaille en V révèle avec quelle efficacité un matériau résiste à la rupture fragile lorsqu'il est exposé à un impact à haute vitesse. Un essai d'entaille standardise l'initiation de fissure pour que les valeurs d'énergie absorbée restent comparables entre différents échantillons de matériaux. L'angle de Charpy définit l'angle d'entaille exact qui contrôle l'intensité de contrainte, ce qui affecte directement la précision et la cohérence de la mesure de la ténacité au choc.

Diagramme de l'essai de choc Charpy : comment est-il représenté ?

Le diagramme de l'essai de choc Charpy est présenté par les étapes suivantes listées ci-dessous.

1. Présenter la disposition du diagramme de l'essai de choc 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 convertit en énergie de choc au point de frappe.
2. Montrer l'arrangement dans un diagramme d'essai Charpy. Le diagramme d'essai Charpy affiche l'éprouvette d'essai reposant horizontalement sur deux enclumes avec un écart défini entre les supports. L'entaille fait face au pendule, de sorte que la fracture s'initie à la concentration de contrainte la plus élevée pendant l'impact.
3. Dépeindre le fonctionnement d'un essai de choc Charpy. L'illustration de l'essai de choc Charpy trace l'arc du pendule du relâchement au contact de l'éprouvette. La différence entre la hauteur initiale et de rebond représente l'énergie absorbée pendant la fracture.
4. Illustrer l'étape de mesure de l'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 ténacité au choc du matériau sous chargement soudain.

Quels sont les facteurs affectant un essai de choc Charpy ?

Les facteurs affectant un essai de choc Charpy sont listés ci-dessous.

• Limite de rendement : La limite de rendement affecte la rigidité du matériau, une résistance plus élevée réduit la déformation avant la rupture.
• Entaille : Les entailles créent des points de contrainte, et les rainures guident la fracturation.
• Température : La température influence le comportement fragile ou ductile, changeant l'énergie nécessaire pour fracturer.
• 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 de rendement

La limite de rendement du matériau augmente lorsque l'énergie de choc diminue. Les matériaux avec une limite de rendement plus élevée ont une ténacité plus faible. Les matériaux qui se déforment plastiquement avant la rupture ultime sont considérés comme plus tenaces. La limite de rendement et une limite de rendement plus élevée sont des facteurs affectant un essai de choc Charpy, ce qui crée une réponse plus rigide qui réduit la quantité d'énergie absorbée pendant l'impact.

2. Entaille

L'entaille introduit un point de contrainte contrôlé qui dirige le chemin de fracture et influence la ténacité mesurée. L'éprouvette à entaille en V est utilisée lorsque le matériau est fragile, et une éprouvette à entaille en U est utilisée lorsque le matériau est ductile. L'éprouvette à entaille en U a un facteur de concentration de contrainte plus élevé que l'éprouvette à entaille en V. Il doit être noté que les entailles doivent être précisément les mêmes pour obtenir des résultats précis qui se comparent aux essais passés.

3. Température

La température altère le comportement du matériau en déplaçant l'équilibre entre les réponses fragile et ductile pendant le chargement d'impact. Les essais de choc Charpy sont généralement effectués à 23 °C. Cependant, des températures plus élevées et plus basses sont utilisées pour tracer une courbe représentant le comportement de transition ductile-fragile d'un matériau. Des températures plus élevées augmentent la résistance au choc.

4. Mécanisme de fracture

Le mécanisme de fracture détermine comment un matériau se sépare sous une force soudaine et définit la quantité d'énergie requise pour compléter la rupture. Les deux mécanismes de fracture sont la clivage, commun dans les matériaux fragiles, et la coalescence de micro-vides, plus commune pour les matériaux ductiles. Les matériaux qui se fracturent via le mécanisme de fracture par clivage ont une énergie de choc plus faible que ceux qui échouent via la coalescence de micro-vides.

L'essai de choc Charpy est-il important en impression 3D ?

Oui, l'essai de choc Charpy est important en impression 3D. Effectuer des essais de choc Charpy sur des échantillons imprimés en 3D aide les ingénieurs à déterminer la résistance au choc de divers matériaux d'impression 3D, considérant que certaines technologies impriment des pièces avec des propriétés anisotropes. Tester des échantillons avec différentes géométries d'impression aide les ingénieurs à comprendre comment optimiser leurs conceptions pour la résistance au choc. L'essai de choc Charpy est important en impression 3D car la méthode fournit une mesure claire de la façon dont un matériau imprimé absorbe l'énergie pendant un chargement soudain. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur Tout ce qu'il faut savoir sur l'impression 3D.

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