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Essai sur tôles fortes

Les tôles fortes sont principalement utilisées dans la construction (ponts, bâtiments, construction navale, plateforme de forage, éoliennes, grues, pelleteuse). Elles sont aussi utilisées dans la fabrication des oléoducs ou des gazoducs.

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La conformité à des exigences techniques ou de sécurité sont requises, dans de nombreuses applications. Les caractéristiques pertinentes de ces produits dépendent de l'application finale. Les méthodes d'essais décrites dans cette section sont les plus utilisées. Pour des applications spéciales, d'autres méthodes d'essais peuvent être utilisées pour assurer une utilisation pérenne et en toute sécurité du produit.

Les tôles fortes sont des produits dont le dimensionnel varie de 3 à 250 mm d'épaisseur, pour une largeur pouvant aller jusqu'à 4 m et une longueur jusqu'à 20 m. Elles sont obtenues par laminage d'une brame. 

Essais de traction

Les essais de traction sur tôles fortes sont principalement réalisés selon des normes reconnues sur le plan international et très largement diffusées (ISO 6892-1 et ASTM E 8). La norme ISO 6892-1 est également une norme européenne, identique dans les termes, (EN ISO 6892-1) et donc valable dans toute l'Union Européenne (par exemple, en France, la NF EN ISO 6892-1). Les éprouvettes soumises à essai, prélevées dans la tôle forte, ont des épaisseurs proches du produit initial. Elles possèdent donc des sections très importantes, nécessitant des machines de fortes capacités. La longueur parallèle ou partie de l'éprouvette se déformant sous charge d'essai est obtenue par fraisage. L'épaisseur non-traitée ainsi que le fraisage doux garantissent un matériau très faiblement modifié par la préparation éprouvette et des propriétés de matériau peu influencées. 

Depuis 2009, l'ISO 6892-1 et l'ASTM E8 permettent de réaliser des essais en vitesse de déformation imposée, en contrôlant la vitesse de déplacement traverse. Les tolérances exigées par les normes pour ce contrôle en vitesse de déformation (en particulier en boucle fermée) peuvent être facilement atteintes par les extensomètres makroXtens et laserXtens.

Large gamme de solutions d'essais

Pour l’essai de traction, ZwickRoell propose une large gamme de produits standards ou dédiés à une application client, et ce jusqu'à 2500 kN. Ces moyens d'essai permettent de déterminer les caractéristiques des matériaux selon les normes et avec un haut degré de fidélité et de justesse. Les mâchoires hydrauliques à fermeture parallèle de la société ZwickRoell sont le garant d'un serrage parfait et du guidage de l'éprouvette pendant l'ensemble du déroulement d'essai. Le glissement de l'éprouvette entre les mâchoires hydrauliques peut ainsi être évité. 

Mesure de déformation

Dans la plupart des cas, la mesure de la déformation est réalisée par des extensomètres à contact ou optiques (sans contact). Le makroXtens de ZwickRoell est un extensomètre à contact robuste et éprouvé pour les essais sur tôles fortes. La mécanique du makroXtens allie résolution, fidélité, et solidité, pour travailler dans des environnements sévères. C'est cette même mécanique qui lui permet de mesurer la déformation de l'éprouvette, et ce jusqu'à rupture. 

Mesure de la déformation jusqu'à rupture

laserXtens est la solution innovante pour la mesure de l'allongement jusqu'à la rupture de l'éprouvette. laserXtens satisfait également avec brio aux exigences normatives (ISO 6892-1, ASTM E 8 de même que ISO 9513 et ASTM E 83) pour les tôles fortes. laserXtens ne nécessite pas de marquage préalable de l'échantillon; il utilise le motif créé par l'interaction du laser avec la surface. Cette mesure peut aussi être réalisée sur des surfaces calaminées. 

Essai de dureté

Les essais de dureté sur tôles épaisses sont réalisées selon différentes méthodes. Selon l'application, les essais sont réalisés selon l'ISO 6506-1, (Brinell), ISO 6507-1 (Vickers), ISO 6508-1 (Rockwell) ou les normes ASTM E 10 (Brinell), ASTM E 384 (Vickers et Knoop) et ASTM E 18 (Rockwell). D'autres méthodes ou règles peuvent être appliquées pour certains secteurs (par exemple la norme européenne EN 2002-7 pour l'aéronautique). 

Le portefeuille produit ZwickRoell offre une large gamme d'appareils de dureté adaptée aux différentes méthodes d'essais. Les appareils de dureté ZwickRoell répondent aux différentes normes internationales et peuvent être étalonnés en accord avec leurs exigences. En tant que prestataire de service pour l'étalonnage des machines, ZwickRoell est accrédité COFRAC pour l'étalonnage de ces machines.

Caractérisation de la dureté moyenne

Une des applications de la mesure de dureté est un estimation de la dureté moyenne sur les produits après laminage. Le laminage est un procédé thermo-mécanique qui détermine les géométries de la tôle, mais aussi ses propriétés mécaniques. Des mesures de dureté sous fortes charges permettent de moyenner l'effet de la structure, qui peut parfois être grossière. On utilise préférablement les méthodes Brinell ou Rockwell. Des appareils d'essais de dureté non stationnaires sont fréquemment utilisés pour les tôles fortes qui peuvent être mis en œuvre sur place. Lorsque des machines d'essais de dureté stationnaires sont utilisées, des coupons sont prélevés des tôles fortes. Une autre méthode consiste à prélever un échantillon et à le préparer pour la mesure de dureté sur des moyens conventionnels. 

Caractérisation de la micro-structure par des essais de dureté

Un autre aspect de la mesure de dureté est la caractérisation de la micro structure par une mesure locale sur chaque constituant. A cause de la très petite taille des éléments structuraux, des machines d'essai de dureté avec petites jusqu'à très petites force sont utilisées ici; de manière plus générale, des appareils d'essai de micro dureté, dont les tailles et profondeurs d'empreinte pourront être adaptées aux dimensions des éléments structuraux. 

Essai de flexion choc entaillé

La résistance au choc des matériaux est un paramètre important pour la construction de Pipeline ou encore la construction navale. Elle peut être déterminée sur éprouvettes Charpy à l'aide d'un mouton pendule. Les normes internationales ISO 148-1 et ASTM E 23 décrivent et définissent la méthode d'essai correspondante. La norme ISO est également une norme européenne, identique dans les termes (EN ISO 148-1).

Dans l'essai de flexion choc entaillé, une éprouvette normalisée peut être positionnée manuellement dans le mouton pendule, à l'aide d'une simple pince, ou au moyen d'un système d'alimentation automatique, puis impactée à des niveaux d'énergies pouvant atteindre 750 J. Les essais sont réalisés à température ambiante, mais aussi à basse température pour déterminer la température de transition ductile/fragile. ZwickRoell fournit également des bains de refroidissement jusqu'à -70°C, voir -180°C.

La directive machine définit des exigences de sécurité élevées en matière d'utilisation d'un mouton pendule. Grâce à un boîtier de protection et une sophistication croissante des technologies de sécurité employées, la société ZwickRoell remplit toutes les exigences relatives à l'essai de flexion choc entaillé aux règles de sécurité européennes.

Essai de chute de poids

L'essai de chute décrit par W.S.Pellini est utilisé pour évaluer la sensibilité d'un acier à la rupture fragile, selon les exigences des normes ASTM E 208 et SEP 1325. Pendant l'essai, les poids tombent sur une éprouvette de flexion rectangulaire soutenue en ses deux extrémités et l'impactent. En tombant, les poids déclenchent une rupture fragile, à l'intérieur du fléchissement total prescrit, sur le côté extérieur de l'éprouvette. Cette rupture fragile est amorcée dans un cordon de soudure entaillé, déposé sur la face inférieure. L'essai ainsi réalisé permet alors de spécifier si la rupture fragile provoquée par le Crack-starter s'étend à l'un des côtés de l'éprouvette ou s'arrête avant ce dernier. La fissure est soit contenue dans le cordon de soudure, soit se propage dans l'ensemble de l'éprouvette. Le résultat de l'essai est évalué visuellement. Si la fissure s'étend jusqu'au bord de l'éprouvette, celle-ci est considérée comme rompue. Bien évidement, le résultat dépend fortement de la température d'essai.

Les tours de chute Pellini existent avec des capacités de 550 J et 1650 J. La hauteur de chute maximale est de 1,0 m et/ou 1,3 m. La remontée du poids de chute s'effectue automatiquement. La hauteur de chute est réglable en continu. Conformément à la norme (ASTM Ec208 et SEP 1325), les énergies de chute prescrites sont approchées par application simple des poids de chute. L'énergie de chute est calculée automatiquement. La zone d'essai est doublement protégée, électriquement et mécaniquement. L'essai ne peut démarrer tant que l'ensemble des sécurités n'a pas été validé. L'interfaçage avec la machine s'effectue via un écran tactile, qui affiche les données de l'essai (hauteur de chute, énergie de chute, masse, vitesse à l'impact).

Essai de ténacité à la rupture

La ténacité KIC est une caractéristique importante pour les matériaux métalliques utilisés dans des applications critiques du point de vue de la sécurité, comme l'aviation, le nucléaire, et parfois l'automobile. La détermination de la ténacité à la rupture s'effectue avec une éprouvette dans laquelle une fissure artificielle a été introduite. L'amorce de fissure se fait en principe par entaillage de l'éprouvette, suivi d'une oscillation de l'éprouvette jusqu'à obtention d'une longueur d'entaille déterminée. Cette éprouvette est ensuite chargée jusqu'à la rupture. La ténacité à la rupture KIc est ensuite déterminée à partir d'une courbe de force-déformation et de la longueur de rupture. La norme ASTM E 399 prescrit ici comment réaliser l'essai. Les principales autres normes sont l'ASTM E 813, E 1152 et l'E 1290.

Détermination du KIc en deux étapes

L'essai de KIC, constitué de deux étapes, peut être conduit successivement sur un vibrophore ZwickRoell et sur une machine statique. Le procédé mécanique de fabrication d'entaille initie la formation d'une fissure, qui est ensuite soumise à sollicitation cyclique. Grâce aux hautes-fréquences atteintes par le viborphore, l'oscillation nécessaire à la fabrication d'une fissure définie intervient très rapidement; une très bonne reproductibilité est également obtene grâce à la grande sensibilité de la fréquence de résonance à la fissuration.

Éprouvette CT

L'éprouvette la plus utilisée est l'éprouvette CT (ou Compact Tension). La charge est appliquée dans les trous via une pointe. Une sollicitation mixte de traction/flexion est alors obtenue.

Éprouvettes SENB

Outre les éprouvettes CT, des éprouvettes de flexion, plus communément appelées éprouvettes SENB sont également utilisées. Le mode de sollicitation est idéalement approprié aux éprouvettes de flexion, mais l'éprouvette CT est plus intéressante à cause de ses dimensions réduites. Les photos illustrent bien le procédé.

Systèmes d'essais robotisés

La manipulation d'éprouvettes de grandes tailles, qui doivent être positionnées de manière précise, reproductible, et en toute sécurité est une exigence quotidienne de tout opérateur de machine d'essai. Les systèmes d'essai robotisés ZwickRoell répondent à ces exigences. Décharge de l'utilisateur, influence réduite de l'utilisateur sur le résultat d'essais et sécurité de fonctionnement accrue.

Du magasin éprouvettes (chargé manuellement par l'opérateur) jusqu'au résultat d'essai, tout est automatique. Conformément aux exigences du cahier des charges, diverses fonctionnalités pourront être intégrées, comme par exemple la mesure de section automatique, le tri des éprouvettes après essais (pour des expertises complémentaires), ....

Le mesureur de section ZwickRoell, équipé de quatre capteurs de mesure automatique de la section, permet notamment des mesures précises et en ligne avec les exigences des normes d'essai.

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