Résistance aux chocs :définitions, importance et techniques de mesure précises

La résistance aux chocs est la mesure de la capacité d'un matériau à résister à la fissuration, à la fracture ou à la déformation plastique sous un impact soudain et intense ou des charges de choc. Il s'agit d'une propriété essentielle qui détermine la capacité du matériau à résister à des forces soudaines. La conception de composants qui seront soumis à des charges d'impact ou de choc élevées dépend de la compréhension de ces mesures, pour tenir compte des défaillances potentielles. La résistance aux chocs d'un matériau est généralement quantifiée à l'aide du test IZOD ou des tests Charpy. Il s'agit de tests indicatifs et standardisés, utilisés pour classer les matériaux. Cependant, ils ne sont pas représentatifs d’une utilisation réelle et fournissent des informations limitées sur le chargement cyclique ou réel. Cet article décrira la résistance aux chocs, comment elle est calculée, son importance, les facteurs qui l'affectent et les différents types de ruptures de résistance aux chocs.

Qu'est-ce que la résistance aux chocs ?

La résistance aux chocs est une mesure de la capacité d’un matériau à résister à la rupture sous l’effet d’un choc ou d’une charge d’impulsion. Elle ne s'applique qu'aux matériaux soumis à une rupture fragile. Il est également utilisé dans les tests de matériaux ductiles qui présentent une transition fragile-ductile dépendante de la température et/ou des impulsions. De nombreux matériaux ductiles dans des conditions de chargement et de fonctionnement « normales » peuvent présenter un comportement fragile à froid et/ou lors d'un impact soudain. L'évaluation de ces comportements est informative dans la conception du produit et la sélection des matériaux.

Quelle est l'importance de la résistance aux chocs ?

Comprendre les comportements d'impact des matériaux est une information de conception essentielle qui détermine à la fois la sélection des matériaux et la conception détaillée. Les composants susceptibles de subir des impacts à forte impulsion (c'est-à-dire sur une courte période) doivent être conçus pour résister aux effets catastrophiques que ceux-ci peuvent créer.

Une bonne conception de produits résilients nécessite la compréhension de divers comportements en plus de la résistance aux chocs de base. Comprendre les propriétés telles que la fatigue, la microfracture et les comportements mixtes ductiles/fragiles contribue également à réduire/éviter la fabrication de produits qui échouent prématurément en service. La durée de vie est particulièrement importante dans de nombreux domaines. Il permet une maintenance préventive et permet de comprendre les processus et les calendriers d'inspection pour éviter les pannes.

Comment la résistance aux chocs est-elle calculée ou mesurée ?

Vous trouverez ci-dessous les deux méthodes de calcul de la résistance aux chocs :

1. Test de choc Charpy

Le test Charpy est moins utilisé que le test IZOD et permet de mesurer l'énergie d'impact Charpy V absorbée, en Joules. Ceci est mesuré par la course du marteau après impact, car l'énergie restante est dissipée lors du balancement continu du marteau pivotant.

Pour en savoir plus, consultez notre guide complet sur le test d'impact Charpy.

Quels sont les facteurs qui affectent la résistance aux chocs des matériaux ?

Vous trouverez ci-dessous les facteurs qui affectent la résistance aux chocs du matériau :

1. Épaisseur du matériau

Un matériau plus épais influencera la résistance en fournissant plus de structure/liaisons qui devront peut-être être rompues pour obtenir une rupture.

2. Température

De nombreux matériaux présentent des changements de propriétés significatifs à mesure que la température change. La caractérisation de ces altérations est une partie essentielle du processus de définition/test des matériaux, et les tests IZOD et Charpy sont effectués dans une plage de températures standard.

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

3. Rayon d'encoche

La concentration des contraintes est un facteur majeur dans la résistance des matériaux. Une encoche à pointe pointue favorisera la rupture en concentrant la contrainte sur un point. Le rayon de l'entaille est donc d'une importance cruciale pour comparer les tests de matériaux similaires.

Quels sont les différents types de défaillances liées à la résistance aux chocs ?

Vous trouverez ci-dessous les différents types de ruptures de résistance aux chocs :

1. Fracture fragile

Une rupture fragile est une rupture dans laquelle un échantillon de matériau s'est divisé en deux parties ou plus. Ces pièces peuvent être réaménagées ensemble pour former la forme/le contour original de la pièce. Un biscuit subit une fracture fragile lorsqu'il est frais et croustillant.

2. Fracture Ductile

Une fracture ductile est un phénomène rare. Les modes de rupture ductile se produisent lorsqu'un matériau se rétrécit de manière irréversible (c'est-à-dire subit une déformation plastique) et de manière étendue. En général, une rupture ductile massive dans une éprouvette de traction ressemble à une pâte à modeler qui a été tirée pour former un col. Ceci est généralement suivi d'une petite fracture fragile qui peut se reconstituer parfaitement, plutôt que de s'étendre jusqu'à un fil très fin.

3. Céder

La déformation est une caractéristique des matériaux élastiques qui atteignent leur limite élastique puis subissent une déformation plastique. Lorsqu'il subit des forces inférieures à la limite d'élasticité, le matériau reprend sa forme/dimensions d'origine lorsque la force est relâchée. D'un autre côté, lorsque la limite d'élasticité ou la limite d'élasticité est dépassée, le matériau subira une certaine plasticité (c'est-à-dire une déformation permanente). Lorsque la force est relâchée, le matériau retrouvera sa déformation élastique, mais pas le composant plastique.

4. Légère fissure

Le but des tests Charpy et IZOD, lorsqu'ils sont correctement effectués, est la séparation ou la fracture de l'échantillon de matériau, en deux ou plusieurs morceaux. Si l'échantillon n'est que légèrement endommagé ou partiellement cassé, un test d'énergie plus élevée ou d'entaille plus profonde peut être approprié. La rupture peut être obtenue à partir d'un mélange de modes :cisaillement, ductile et fragile. Les types de défaillance sont répertoriés comme :rupture complète, rupture articulée, rupture incomplète et non-rupture.

Quel est le lien entre la résistance aux chocs et l'impression 3D ?

La plupart des plastiques imprimés en 3D présentent une résistance aux chocs considérablement inférieure à celle d’un bloc moulé ou usiné du même matériau. Ceci est fonction des propriétés anisotropes des méthodes de construction utilisées pour l’impression 3D et peut être lié de manière significative à l’orientation de la construction. Par exemple, les pièces FDM offrent généralement de meilleurs inter -liaison de couches qu'ils ne le font intra -couche, de sorte que les modèles ont un degré de résistance raisonnable 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 aux chocs idéale pour un matériau imprimé en 3D ?

La résistance aux chocs idéale pour un matériau imprimé en 3D varie en fonction des caractéristiques du matériau. En général, la résistance aux chocs des pièces imprimées FDM, par exemple en 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 aux chocs ?

Bien que les tests de résistance aux chocs ne puissent pas fournir un point de référence absolu dans la conception des composants, il s’agit d’une mesure d’échelle nécessaire. Vous trouverez ci-dessous quelques applications de la résistance aux chocs :

1. La résistance relative des matériaux.
2. Modes de défaillance dans des conditions défavorables « normales ». Ces résultats peuvent éclairer le processus de conception, en améliorant la rigidité et la dissipation d’énergie des composants. Il contribue à améliorer les performances réelles, par exemple en tolérant mieux les distorsions ductiles qui peuvent se produire de manière prévisible.
3. Comprendre les performances en température, pour permettre la sélection des matériaux adaptés aux conditions de travail attendues pour la pièce.
4. Comprendre d'autres facteurs environnementaux tels que l'exposition/l'absorption de l'humidité et ses effets sur les pièces.

Quels sont les exemples de résistance aux chocs de certains matériaux ?

Les tests d’impact sur les matériaux sont un domaine aux résultats mitigés. Tous les tests ne sont pas aussi rigoureux qu’ils devraient l’être. La fabrication des matériaux peut introduire une variabilité qui n’est apparente qu’en cas de défaillance. Dans les métaux, le traitement thermique et les altérations de la structure cristalline qui en résultent peuvent avoir des effets profonds, difficiles à comprendre ou à quantifier. Les agents d’alliage sont tout aussi importants, bien que moins cachés. Enfin, les processus de fabrication peuvent altérer les performances de manière si marquée que les tests de base des matériaux peuvent ne pas fournir d'informations. Un bon exemple est la différence entre une pièce en acier forgé et une pièce en acier moulé fabriquée dans le même matériau. La matière première est identique, mais la pièce forgée peut être plusieurs fois plus rigide, plus solide et plus résistante à la rupture.

Quelle est la résistance aux chocs du plastique ?

Les résistances aux chocs de certains polymères courants sont présentées dans le tableau 1 ci-dessous : 

Tableau 1 :Résistances aux chocs de certains polymères courants

Polymère Valeur IZOD minimale (J/m2) Valeur IZOD maximale (J/m2)

Polymère

ABS - Acrylonitrile Butadiène Styrène

Valeur minimale IZOD (J/m2)

200

Valeur IZOD maximale (J/m2)

215

Polymère

ASA - Acrylonitrile Styrène Acrylate

Valeur minimale IZOD (J/m2)

100

Valeur IZOD maximale (J/m2)

600

Polymère

HDPE - Polyéthylène haute densité

Valeur minimale IZOD (J/m2)

20

Valeur IZOD maximale (J/m2)

220

Polymère

HIPS - Polystyrène à fort impact

Valeur minimale IZOD (J/m2)

50

Valeur IZOD maximale (J/m2)

350

Polymère

LDPE - Polyéthylène basse densité

Valeur minimale IZOD (J/m2)

999

Valeur IZOD maximale (J/m2)

999

Polymère

LLDPE - Polyéthylène linéaire basse densité

Valeur minimale IZOD (J/m2)

54

Valeur IZOD maximale (J/m2)

999

Polymère

PA 66 - Polyamide 6-6

Valeur minimale IZOD (J/m2)

50

Valeur IZOD maximale (J/m2)

150

Polymère

PBT - Polybutylène téréphtalate

Valeur minimale IZOD (J/m2)

27

Valeur IZOD maximale (J/m2)

999

Polymère

PC - Polycarbonate

Valeur minimale IZOD (J/m2)

80

Valeur IZOD maximale (J/m2)

650

Polymère

PET - Polyéthylène Téréphtalate

Valeur minimale IZOD (J/m2)

140

Valeur IZOD maximale (J/m2)

140

Polymère

PETG - Polyéthylène téréphtalate glycol

Valeur minimale IZOD (J/m2)

50

Valeur IZOD maximale (J/m2)

50

Polymère

PMMA - Polyméthacrylate de méthyle/Acrylique

Valeur minimale IZOD (J/m2)

10

Valeur IZOD maximale (J/m2)

25

Polymère

POM - Polyoxyméthylène (Acétal)

Valeur minimale IZOD (J/m2)

60

Valeur IZOD maximale (J/m2)

120

Polymère

PP - Polypropylène 10–20 % fibre de verre

Valeur minimale IZOD (J/m2)

50

Valeur IZOD maximale (J/m2)

145

Polymère

PTFE - Polytétrafluoroéthylène

Valeur minimale IZOD (J/m2)

160

Valeur IZOD maximale (J/m2)

200

Polymère

PVC rigide

Valeur minimale IZOD (J/m2)

20

Valeur IZOD maximale (J/m2)

110

Crédit de table :https://omnexus.specialchem.com/

Questions fréquemment posées sur la résistance aux chocs

Quel est le métal le plus résistant aux chocs ?

Selon les résultats de la recherche, la valeur du test Charpy la plus élevée jamais obtenue concernait un échantillon composite métallique (~ 450 J). Il s'agissait d'un bloc laminé de tôles alternées d'aciers ferrite et martensite liés laminés à chaud.

Quel appareil est utilisé pour mesurer la résistance aux chocs 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 bob supérieur ou inférieur. Dans les tests IZOD, l'échantillon est généralement serré à une extrémité, monté verticalement, et il peut être encoché ou (moins fréquemment) non. L'encoche peut faire face au marteau ou être inversée. Même si les mesures devraient, en principe, varier peu, la cohérence de tout cycle de test est importante. Dans les tests Charpy, l'échantillon comble l'espace horizontal entre deux supports sur lesquels il repose. Le marteau oscille entre ces supports et est plus lourd pour les matériaux plus résistants.

Quelle est la différence entre la résistance aux chocs et la résistance à la traction ?

La résistance aux chocs définit la capacité d'un composant à résister à la distorsion et à la fracture lorsqu'il est soumis à un impact latéral et qu'une ou les deux extrémités sont soutenues. Les essais de traction appliquent une charge longitudinale à une extrémité d'un échantillon, tandis que l'autre extrémité est fermement retenue dans une pince de serrage 2D. La capacité de traction est une mesure plus claire avec un résultat mieux quantifié, qui se traduit par une résistance à la traction simple et calculable pour les composants.

Pour en savoir plus, consultez notre guide complet sur la résistance à la traction.

Résumé

Cet article présente la résistance aux chocs, explique ce que c'est et discute de ce que cela signifie dans la fabrication. Pour en savoir plus sur la résistance aux chocs, contactez un représentant Xometry.

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Dean McClements

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

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