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Essais de compression et essais de compression entaillés (OHC, FHC)

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  • Brochure sur le secteur d’activité: Composites PDF 7 MO

Objectif de l'essai

Les essais de compression servent à la caractérisation de différentes propriétés de compression, telles le module de compression et la résistance à la compression. Ils sont réalisés sur matériaux composites avec organisation unidirectionnelle des fibres, dans une direction de 0° ou dans une direction de 90°, sur stratifiés multi-directionnés, tissés ou non-tissés et matériaux à matrice élaborés à partir de plastiques durcissables ou thermoplastiques.

Des procédures permettant la caractérisation de l'impact d'un dommage en forme de trou sont utilisées, en plus des essais sur stratifiés non-endommagés. Les essais de compression entaillés Open Hole Compression (OHC) ou Filled Hole Compression (FHC) avec une vis ou boulon reproduisent l'état d'une liaison vissée ou rivetée dans une structure composite.

Les essais de compression sont très exigeants tant en matière de préparation de l'éprouvette que de réalisation de l'essai ou de technique d'essai proprement dite. Pour permettre la caractérisation des propriétés réelles du matériau, les pics de contrainte de cisaillement comme les allongements de flexion devront être évités pendant l'introduction de la force dans le stratifié.

Différentes méthodes d'essais présentant chacune des avantages ont été développées au cours des dernières décennies.

Essai de compression avec chargement par les extrémités (End loading compression)

Cette méthode d'essai est basée sur l'ASTM D 695 et a été développée dans différentes normes.

Le montage d'essai relativement aisé, nécessitant comme outil une protection anti-flambage exactement perpendiculaire, confère un avantage certain à la méthode. 

L'éprouvette est chargée en direction longitudinale entre deux plateaux de compression. Une protection anti-flambage empêche une défaillance prématurée du matériau par flexion.

L'essai se compose de deux parties:

  • Pour la mesure du module de compression, une éprouvette sans talon est utilisée. L'allongement est déterminé, en utilisant des jauges de contrainte.
  • Pour la mesure de la résistance à la compression, des talons renforcent l'éprouvette. L'objectif est d'éviter une défaillance prématurée sur les points de transmission de force.

La méthode est aujourd'hui décrite dans l'ISO, l'ASTM, l'EN, le DIN et de nombreuses autres normes. Tandis que la détermination de la résistance à la compression est souvent soumise à de fortes variations, des valeurs de module de compression aisément reproductibles sont en principe obtenues lorsque l'essai est correctement réalisé.

Mesure du module de compression 

Des valeurs de module de compression reproductibles seront ainsi déterminées dans la plage des faibles allongements éprouvette, cependant qu'une distorsion de l'éprouvette au point d'application de la force pourra imposer des limites pour les plus grands allongements.

En appliquant des talons de renfort aux points d'application de la force, la rupture se produit dans la zone de course souhaitée. Les premières délaminations surviennent avant la défaillance complète de l'éprouvette et sont visibles dans le diagramme. Cette méthode requiert un traitement très précis des extrémités de l'éprouvette. 

Essai de compression sous chargement par cisaillement (Shear Loading compression)

Dans cette méthode, la force de compression est appliquée par serrage de l'éprouvette, c'est à dire par contact de friction. Une répartition homogène de la contrainte est obtenue dans la zone de la course de mesure, lorsque l'éprouvette est suffisamment longue.

  • La bonne qualité du guidage axial de l'éprouvette pendant l'essai, de même que la disparition du chargement par les extrémités et nécessité de traitement de ces extrémités sont autant d'avantages. 
  • La méthode a été normalisée dans les années 80 dans l'ASTM D 3410), et utilise un dispositif d'essais Celanese (éléments de serrage coniques). Cette méthode est utilisée dans différentes normes. 
  • Dans le montage Celanese les écarts d'épaisseur éprouvette provoquent un appui linéaire indésirable des éléments de fixation. Les normes DIN 65375 et prEN 2850 proposent des dispositifs Celanese modifiés avec angles plats, permettant de résoudre le problème de l'épaisseur éprouvette.

Dispositif avec guidage colonnes, développé par l'IITRI (USA)

  • L'IITRI, aux États-Unis, a développé un outil similaire avec guidage par colonnes, qui remplace aujourd'hui l'ancien dispositif de compression Celanese dans l'ASTM. Ce dispositif - comme le modèle antérieur - utilise le principe du serrage par coins.
  • Les mors à coins sont tout d'abord alignés sur l'éprouvette en dehors de l'outil de compression, puis utilisés dans le dispositif de compression.
  • La pression de serrage, créée en essai par action des coins sur la force longitudinale, entraîne en effet un déplacement des coins, conduire à des flexions dans l'éprouvette

Dispositif de compression hydraulique HCCF, IMA (Dresde, Allemagne)

  • L'IMA, de Dresde en Allemagne, a développé et déposé le brevet du dispositif de compression hydraulique HCCF.
  • Ce dispositif a une très bonne accessibilité, une manipulation aisée et des mors fixes, qui restent précisément alignés les uns sur les autres pendant le déroulement d'essai.
  • Contrairement au serrage par coins, la force de serrage reste constante (principe de serrage hydraulique). L'utilisation d'un extensomètre Clip-On est possible.

Essais de compression avec chargement combiné (Combined Loading Compression)

Cette méthode est appropriée à l'essai des composites à fibres sous chargements les plus élevés tels que survenant sur les plus grandes sections éprouvette. Une partie de la force de compression est introduite par le serrage éprouvette, la force restante sur les extrémités de l'éprouvette. La longueur de l'éprouvette est précisément ajustée à la longueur des mors. Comme dans la méthode de cisaillement par les extrémités, une attention particulièrement importante est accordée au traitement des extrémités de l'éprouvette.

  • L’ASTM D 6641 et la méthode 2 selon ISO 14126 décrivent un outil d'essai mécanique se composant de 4 éléments reliés entre-eux par colonnes de guidage. La force de serrage est créée par 8 vis, qui sont serrées par une clé dynamométrique. Le dispositif d'essai ainsi que l'éprouvette sont placés dans la machine d'essais entre deux plateaux de compression.
  • En décrivant tant le chargement par cisaillement que le chargement combiné dans son édition 2010, la norme AITM 1.0008 propose un enrichissement de la méthode. L'application de la force de serrage est décrite comme principe de serrage parallèle hydraulique. Des études démontrent qu'un nombre d'images de rupture valides plus grand est obtenu, lorsque les pics de contrainte sur la transition entre l'écartement libre entre outillages et surface de serrage sont évités grâce à la conception des mors de serrage. La norme Airbus décrit ce procédé comme „soft load introduction“. 
  • Le dispositif de compression hydraulique HCCF, développé et breveté par l'IMA (Dresde, Allemagne) satisfait aux exigences de l'ASTM D 6641. Sur cet outil de compression, l'application de la force de serrage s'effectue par flux hydraulique avec réglage de la pression.
  • Pour les laboratoires, qui réalisent très régulièrement des essais de compression, la très bonne accessibilité par l'avant, la manipulation aisée et un nettoyage simplifié sont essentiels.
  • Le dispositif d'essai HCCF satisfait aux exigences de l'AITM 1.0008. Il a été vérifié et approuvé à cet égard par la société Airbus à Brème.

Essai de compression entaillé (OHC), essai de compression sur stratifiés assemblés (FHC)

  • Essai de compression entaillé:
    Cet essai caractérise l'influence d'un trou sur la résistance à la traction des stratifiés. Le résultat est habituellement représenté comme un facteur d'entaille, qui donne le ratio de l'éprouvette endommagée-non endommagée. Conformément à la norme Airbus AITM 1.0008, cet essai est réalisé avec les dispositifs d'essais de l'essai de compression. Les normes ASTM et Boeing utilisent un éprouvette de 300 mm de long, qui est fixée dans un outil hydraulique parallèle à l'aide d'un dispositif d'appui.
  • Essai de compression sur stratifiés assemblés:
    Cet essai utilise la même éprouvette que l'essai de traction entaillé; une connexion filetée ferme le trou.

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