Résistance au Choc : Définitions, Importance et Techniques de Mesure Précises

La résistance au choc est la mesure de la capacité d'un matériau à résister au fissurement, à la fracture ou à la déformation plastique sous un choc ou des charges de choc soudaines et intenses. C'est une propriété critique qui détermine la capacité du matériau à résister aux forces soudaines. La conception de composants qui seront soumis à des charges de choc ou d'impact élevées repose sur une compréhension de ces mesures, pour permettre d'anticiper les défaillances potentielles. La résistance au choc d'un matériau est généralement quantifiée en utilisant le test IZOD ou les tests Charpy. Ce sont des tests indicatifs et standardisés, utilisés pour classer les matériaux. Cependant, ils ne sont pas représentatifs de l'utilisation réelle et fournissent des informations limitées sur le chargement cyclique ou réel. Cet article décrira la résistance au choc, comment elle est calculée, son importance, les facteurs qui l'affectent et les différents types de défaillances de résistance au choc.

Qu'est-ce que la Résistance au Choc ?

La résistance au choc est une mesure de la capacité d'un matériau à résister à la fracture sous chargement de choc et d'impulsion. Elle n'est applicable qu'aux matériaux qui subissent une fracture fragile. Elle est également utilisée dans le test de matériaux ductiles qui affichent une transition fragile-ductile dépendante de la température et/ou de l'impulsion. De nombreux matériaux qui sont ductiles sous des conditions de chargement et d'exploitation « normales » peuvent afficher un comportement fragile lorsqu'ils sont froids et/ou impactés soudainement. Évaluer ces comportements est informatif dans la conception de produits et la sélection de matériaux.

Quelle est l'Importance de la Résistance au Choc ?

Comprendre les comportements aux chocs des matériaux est une pièce critique d'information de conception qui guide à la fois la sélection des matériaux et la conception détaillée. Les composants susceptibles de subir des impacts d'impulsion élevés (c'est-à-dire de courte durée) doivent être conçus pour résister aux effets catastrophiques que ceux-ci peuvent créer.

Une bonne conception de produits résilients nécessite que divers comportements soient compris en plus de la résistance au choc de base. Comprendre des propriétés telles que la fatigue, la microfracture et les comportements mixtes ductiles/fragiles contribuent également à réduire/éviter la fabrication de produits qui échouent prématurément en service. La durée de vie en service est particulièrement importante dans de nombreux domaines. Elle permet la maintenance préventive et guide la compréhension des processus et calendriers d'inspection pour prévenir les défaillances.

Comment la Résistance au Choc est-elle Calculée ou Mesurée ?

Voici les deux méthodes pour calculer la résistance au choc :

1. Test de Choc Charpy

Le test Charpy est moins couramment utilisé que le test IZOD et résulte en une mesure de l'énergie de choc Charpy V absorbée, en Joules. Cela est mesuré par le parcours post-impact du marteau, car l'énergie restante est dissipée dans le balancement continu du marteau oscillant.

Pour en savoir plus, consultez notre guide complet sur le Test de Choc Charpy.

Quels sont les Facteurs qui Affectent la Résistance au Choc des Matériaux ?

Voici les facteurs qui affectent la résistance au choc du matériau :

1. Épaisseur du Matériau

Un matériau plus épais influencera la résistance en fournissant plus de structure/liaisons qui devront être brisées pour atteindre la fracture.

2. Température

De nombreux matériaux montrent des changements significatifs de propriétés à mesure que la température change. Caractériser ces altérations est une partie critique du processus de définition/test du matériau, et les tests IZOD et Charpy sont effectués à une gamme de températures standard.

Les métaux, en particulier, ont une température de recuit, à laquelle ils peuvent devenir plus auto-réparateurs. L'aluminium, par exemple, se recuit à 570 °F, donc toutes les frontières de cristal se fondent les unes dans les autres et le matériau devient très ductile. Certains matériaux subissent une fragilisation à basse température. De nombreux matériaux s'affaiblissent en chauffant, avec des transitions inhabituelles évidentes à des températures telles que le début de la transition vitreuse.

3. Rayon d'Entaille

La concentration de contrainte est un facteur majeur dans la résistance du matériau. Une entaille à pointe aiguë favorisera la fracture en concentrant la contrainte en un point, donc le rayon d'entaille est critique pour comparer les tests de matériaux similaires.

Quels sont les Différents Types de Défaillances de Résistance au Choc ?

Voici les différents types de défaillances de résistance au choc :

1. Fracture Fragile

Une fracture fragile est celle dans laquelle un échantillon de matériau s'est divisé en deux ou plusieurs parties. Ces parties peuvent être réassemblées pour former la forme/le contour original de la pièce. Un biscuit subit une fracture fragile, quand il est frais et croustillant.

2. Fracture Ductile

Une fracture ductile est une occurrence rare. Les modes de défaillance ductile se produisent lorsqu'un matériau s'affine irréversiblement (c'est-à-dire subit une déformation plastique) et de manière extensive. En général, une défaillance ductile massive dans une éprouvette de traction ressemble à de la pâte à modeler qui a été étirée pour former un col. Cela est généralement suivi par une petite fracture fragile qui peut s'emboîter proprement — plutôt que de s'étendre en un fil fin comme un cheveu.

3. Fluage

Le fluage est une caractéristique des matériaux élastiques qui atteignent leur limite élastique et subissent ensuite une distorsion plastique. Lorsque subissant des forces en dessous du point de fluage, le matériau reviendra à la forme/dimensions originales lorsque la force est relâchée. D'autre part, lorsque le point de fluage ou la limite d'élasticité est dépassé, le matériau subira une déformation plastique (c'est-à-dire permanente). Lorsque la force est relâchée, le matériau récupérera sa distorsion élastique, mais pas la composante plastique.

4. Fissuration Légère

Le but des tests Charpy et IZOD lorsqu'ils sont correctement effectués est la rupture ou la fracture de l'échantillon de matériau, en deux ou plusieurs pièces. Si l'échantillon est seulement légèrement endommagé ou partiellement brisé, un test à énergie plus élevée ou à entaille plus profonde peut être approprié. La défaillance peut être atteinte à partir d'un mélange de modes — cisaillement, ductile et fragile. Les types de défaillance sont listés comme : rupture complète, rupture charnière, rupture incomplète et non-rupture.

Comment la Résistance au Choc se Relie-t-elle à l'Impression 3D ?

La plupart des plastiques imprimés en 3D affichent une résistance au choc considérablement plus faible qu'un bloc moulé ou usiné du même matériau. C'est une fonction des propriétés anisotropes des méthodes de construction utilisées pour l'impression 3D et peut se rapporter significativement à l'orientation de construction. Par exemple, les pièces FDM offrent généralement une meilleure liaison inter-couches qu'elles ne le font intra-couche, donc les modèles ont un degré raisonnable de résistance dans le plan X-Y de la construction mais sont beaucoup plus faibles le long de l'axe Z. Cette variation/directionnalité est vraie pour d'autres types de modèles, à des degrés divers.

Quelle est la Résistance au Choc Idéale pour un Matériau Imprimé en 3D ?

La résistance au choc idéale pour un matériau imprimé en 3D varie selon les caractéristiques du matériau. En général, la résistance au choc des pièces imprimées FDM en, par exemple, PLA est proche de zéro sur l'axe Z et jusqu'à 23 kJ/m² sur les axes X-Y dans les tests Charpy.

Quelles sont les Applications de la Résistance au Choc ?

Bien que les tests de résistance au choc ne puissent pas fournir un point de référence absolu dans la conception de composants, c'est une mesure d'échelle nécessaire. Voici quelques applications de la résistance au choc :

1. La résistance relative des matériaux.
2. Modes de défaillance sous conditions « normales » adverses. Ces résultats peuvent informer le processus de conception, en améliorant la rigidité et la dissipation d'énergie pour les composants. Cela aide à améliorer la performance réelle en, par exemple, mieux tolérant la distorsion ductile qui peut prévisiblement se produire.
3. Comprendre la performance en température, pour permettre la sélection de matériaux adaptés aux conditions de travail attendues pour la pièce.
4. Comprendre d'autres facteurs environnementaux tels que l'exposition/l'absorption d'humidité et son effet sur les pièces.

Quels sont des Exemples de la Résistance au Choc de Certains Matériaux ?

Les tests de choc des matériaux sont un domaine aux résultats mixtes. Tous les tests ne sont pas aussi rigoureux qu'ils devraient l'être. La fabrication des matériaux peut introduire une variabilité qui n'est pas apparente avant la défaillance. Dans les métaux, le traitement thermique et les altérations de structure cristalline résultantes peuvent avoir des effets profonds qui sont difficiles à comprendre ou quantifier. Les agents d'alliage sont similaires importants, bien que moins cachés. Finalement, les processus de fabrication peuvent altérer la performance si marquée que les tests de matériaux de base peuvent être non informatifs. Un bon exemple est la différence entre une pièce en acier forgée et une pièce en acier coulée faite du même matériau. La matière première est identique, mais la pièce forgée peut être des ordres de grandeur plus rigide, plus forte et plus résistante à la fracture.

Quelle est la Résistance au Choc du Plastique ?

Les résistances au choc de certains polymères courants sont montrées dans le Tableau 1 ci-dessous :

Tableau 1 : Résistances au Choc de Certains Polymères Courants

Polymère	Valeur IZOD Min (J/m²)	Valeur IZOD Max (J/m²)
ABS - Acrylonitrile Butadiène Styrène	200	215
ASA - Acrylonitrile Styrène Acrylate	100	600
HDPE - Polyéthylène Haute Densité	20	220
HIPS - Polystyrène Haute Résistance	50	350
LDPE - Polyéthylène Basse Densité	999	999
LLDPE - Polyéthylène Linéaire Basse Densité	54	999
PA 66 - Polyamide 6-6	50	150
PBT - Polybutylène Téréphtalate	27	999
PC - Polycarbonate	80	650
PET - Polyéthylène Téréphtalate	140	140
PETG - Polyéthylène Téréphtalate Glycol	50	50
PMMA - Polyméthacrylate de Méthyle/Acrylique	10	25
POM - Polyoxyméthylène (Acétal)	60	120
PP - Polypropylène 10–20% Fibre de Verre	50	145
PTFE - Polytétrafluoroéthylène	160	200
PVC Rigide	20	110

Crédit du tableau : https://omnexus.specialchem.com/

Questions Fréquentes sur la Résistance au Choc

Quel est le Métal à la Plus Forte Résistance au Choc ?

Dans les résultats de recherche, la plus haute valeur de test Charpy jamais atteinte était pour un échantillon de composite métallique (~450 J). C'était pour un bloc laminé de feuilles alternées d'aciers ferrite et martensite laminés à chaud.

Quel Appareil est Utilisé pour Mesurer la Résistance au Choc du Matériau ?

Dans les tests IZOD et Charpy, l'échantillon est impacté par un marteau oscillant dont l'énergie peut être ajustée avec un poids de masse plus haut ou plus bas. Dans les tests IZOD, l'échantillon est généralement serré à une extrémité, monté verticalement, et il peut être entaillé ou (moins couramment) non. L'entaille peut faire face au marteau ou être inversée. Bien que les mesures devraient, en principe, varier peu, la cohérence dans tout cycle de test est importante. Dans les tests Charpy, l'échantillon fait le pont sur l'espace horizontal entre deux supports sur lesquels il repose. Le marteau oscille entre ces supports et est plus lourd pour les matériaux à plus haute résistance.

Quelle est la Différence entre la Résistance au Choc et la Résistance à la Traction ?

La résistance au choc définit la capacité d'un composant à résister à la distorsion et à la fracture lorsqu'il est impacté latéralement et qu'une ou les deux extrémités sont supportées. Le test de traction applique une charge longitudinale à une extrémité d'un échantillon, tandis que l'autre extrémité est fermement retenue dans un collet 2D. La capacité de traction est une mesure plus claire avec une sortie mieux quantifiée, ce qui se traduit en une résistance simple, calculable en traction, pour les composants.

Pour en savoir plus, consultez notre guide complet sur la Résistance à la Traction.

Résumé

Cet article a présenté la résistance au choc, expliqué ce que c'est et discuté de ce que cela signifie dans la fabrication. Pour en savoir plus sur la résistance au choc, contactez un représentant Xometry.

Xometry fournit une large gamme de capacités de fabrication, y compris l'impression 3D et d'autres services à valeur ajoutée pour tous vos besoins de prototypage et de production. Visitez notre site web pour en savoir plus ou pour demander un devis gratuit, sans engagement.

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Dean McClements

Dean McClements est diplômé B.Eng Honors en génie mécanique avec plus de deux décennies d'expérience dans l'industrie manufacturière. Son parcours professionnel comprend des rôles significatifs dans des entreprises de premier plan telles que Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace et Hyster-Yale, où il a développé une compréhension approfondie des processus et innovations d'ingénierie.

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