ASTM D3039 Essai de traction Composites
L’essai de traction d’après ASTM D3039 / ASTM D3039M permet de déterminer les caractéristiques élastiques du module de traction et du coefficient de Poisson ainsi que la résistance à la traction pour les composites. Cela inclut les stratifiés composites à fibres unidirectionnelles (UD) et multidirectionnelles (MD) renforcés par des fibres continues, les stratifiés MD pouvant être constitués de couches individuelles d'UD, de tissu ou d'autres architectures de fibres textiles. Des essais sur composites fibre-plastique (FKV) avec des fibres de renforcement discontinues et réparties de manière aléatoire (par exemple Sheet Moulding Compounds - SMC) sont également possibles.
Les normes également les plus fréquemment utilisées pour les essais de traction sur les plastiques renforcés de fibres longues ou continues sont l’ISO 527-4 (conditions d'essais pour les plastiques renforcés de fibres isotropes et anistropes) et l’ISO 527-5 (conditions d'essais pour les plastiques renforcés de fibres unidirectionnelles).
Objectif & Grandeurs caractéristiques Réalisation de l'essai & Moyen d’essai Conditions d’essais Échantillons & Dimensions Informations détaillées FAQ Téléchargements
Objectif de l’essai et grandeurs caractéristiques déterminées d’après ASTM D3039
Les essais de traction pour composites d’après ASTM D3039 sont entre autres réalisés pour déterminer les propriétés de traction lors du développement et de la qualification des matériaux, pour déterminer les grandeurs caractéristiques nécessaires à la conception et au design de structures composites, ainsi que pour l'assurance qualité.
Indépendamment du type de renfort utilisé, l’ASTM D3039 détermine les résultats caractéristiques et grandeurs suivantes:
- Contrainte de traction: La force se référant à la section initiale de l'éprouvette
- Allongement longitudinal: Variation de la longueur de référence relative à la longueur de référence initiale en direction de charge
- Allongement transverse: Variation de la longueur de référence relative à la longueur de référence initiale en direction transverse (uniquement nécessaire à la détermination du coefficient de Poisson)
- Module de traction: Pente de la courbe de contrainte-déformation dans un intervalle élastique défini dans le domaine élastique. Également appelé module d'élasticité ou module E en abrégé
- Résistance à la traction: Valeur maximale de la contrainte de traction déterminée en essai de traction
- Allongement à la rupture: Allongement longitudinal à approche de la résistance à la traction
- Coefficient de Poisson: ratio négatif de l'allongement transverse et de l'allongement longitudinal
Pour les plastiques renforcés de fibres avec un comportement de contrainte-déformation bi-linéaire, une valeur caractéristique supplémentaire peut être déterminée:
- Allongement de transition (transition strain): Valeur moyenne de l'allongement axial dans la zone de transition. Généralement déterminée à partir de la courbe contrainte-déformation axiale
À l’instar de l’ASTM D3039, l’ISO 527-4 / ISO 527-5 définit les conditions de l’essai de traction des composites. Malgré la similitude des méthodes d'essai, les grandeurs caractéristiques obtenues ne sont pas totalement comparables, car les formes et dimensions des éprouvettes ainsi que la détermination des grandeurs caractéristiques varient partiellement (par exemple, intervalle d'allongement pour le module de traction et la valeur caractéristique de l'allongement de transition mentionnée ci-dessus).
Pour simplifier la réalisation des essais, des spécifications d'essai testXpert pré-définies comportant l’ensemble des réglages prescrits par la norme ASTM D3039 pourront être utilisées.
Mâchoires et unité d'alignement pour des résultats d'essais fiables d’après ASTM D3039
Pour la réalisation de l’essai de traction d’après ASTM D3039, l’éprouvette de traction correspondante est contrainte dans une machine d’essai statique. Une vérification régulière de l’alignement des mâchoires d’après ou ASTM E1012 est recommandée. Pour les laboratoires d'essais accrédités Nadcap dans le domaine de l'aérospatiale, une preuve de cet alignement est obligatoire.
Les mâchoires mécaniques coiffe sur coins ou mâchoires hydrauliques coiffe sur coins sont idéalement adaptées à cette exigence. Si aucune preuve de l’alignement n’est requise, des mâchoires à vis et coins, à alignement conditionnel, pourront également être utilisées.
Système d'essai modulaire Composites
En utilisant plusieurs machines d'essais adaptées aux nombreuses méthodes d’essais des composites, les grands laboratoires d'essais avec demandes d'essais élevées parviennent à minimiser les temps de transformation. Les différentes machines d'essais peuvent alors être adaptées à la plage de force de différents types d'essais. Lorsque la demande d'essais est trop peu importante ou irrégulière pour acquérir plusieurs machines d'essais, il peut être avantageux d'équiper une seule machine d'essais permettant de réaliser le plus grand nombre possible de méthodes d'essais à moindre impact en terme de travaux d'adaptation.
Pour ce faire, ZwickRoell a développé un concept modulaire, disponible en machine d’essai statique 100kN ou 250kN, couvrant 21 méthodes d’essais et 120 normes d’essais environ (ISO, EN, ASTM, ainsi qu’Airbus AITM et Boeing BSS) et permettant une caractérisation complète des matériaux composites fibreux à température ambiante ou lors d’essais à basse ou haute température de -80°C à +360°C
Logiciel d'essais testXpert: Fiabilité garantie des essais selon ASTM 3039
Grâce au logiciel d'essai testXpert, les résultats de vos essais selon l'ASTM D3039 sont fiables, vos essais sont efficients:
- Épargnez du temps, cessez d’éplucher les normes: Le Programme d'essai Standard vous garantit la conformité à l’ASTM D3039. Toutes les valeurs caractéristiques et tous les paramètres de l'ASTM D3039 sont déjà enregistrés dans la spécification d'essai.
- Reliez vos périphériques, pour travailler plus efficacement: Les dimensions de l'éprouvette sont directement envoyées du micromètre au logiciel d'essai. Vous gagnez du temps et évitez les erreurs de saisie.
- L’enceinte thermique est également intégrée de manière conviviale dans le logiciel d'essai: Vérifiez et contrôlez la température dans l’enceinte, définissez des rampes de température et visualisez clairement les valeurs respectées, même a posteriori.
Machines d’essais de traction pour ASTM 3039
Pour les essais de traction d’après ASTM D3039 avec échantillons normalisés et pour de nombreuses autres méthodes d’essais normalisées des plastiques renforcés de fibres, une machine d’essai 100 kN suffit bien souvent. Sur la configuration de machine 100 kN présentée à droite, l'utilisation de mâchoires mécaniques coiffe sur coins permet de passer aisément d'un montage d'essai ou d'un dispositif d'essai à un autre. Grâce au démontage aisé des mâchoires, l'ensemble de l'espace de travail de la machine d'essai pourra également être utilisé pour des essais non standard. Les pieds de réglage en hauteur permettent d'adapter la hauteur de l'espace de travail aux besoins de l’utilisateur.
Lorsque les essais portent exclusivement sur des plastiques renforcés de fibres de verre (GFK), une machine d’essai avec une capacité maximale de 50 kN peut cependant être suffisante.
Extensomètres pour la mesure de la déformation d’après ASTM D3039
Pour permettre une détermination correcte des caractérologies élastiques et de l’allongement à la rupture, une mesure directe de la déformation est requise. Une mesure de l’allongement longitudinal suffira à déterminer le module d'élasticité. Si vous souhaitez déterminer le coefficient de Poisson, un système de mesure de la déformation biaxial, permettant également de mesurer l’allongement transverse, sera toutefois nécessaire. La mesure de la déformation pourra également être réalisée au moyen de jauges de contrainte, de systèmes de mesure avec contact tels les extensomètres Clip-on (restriction: pas de mesure jusqu’à rupture de l’éprouvette) ou extensomètres automatiques à bras de palpeur (makroXtens , multiXtens) ou de systèmes de mesure optiques sans contact (videoXtens).
ASTM D3039 Conditions d'essai
Vitesse d'essai
L'ASTM D3039 prévoit deux possibilités de réglage de la vitesse d'essai.
D'une part, en réglant une vitesse de déformation constante de 0,01 min-1 (valeur nominale). Puis, d’autre part, en réalisant l’essai à une vitesse constante de 2 mm/min (valeur nominale).
- Défaillance éprouvette valide
Pour documenter la défaillance de l’éprouvette, l ASTM D3039 fournit un code à trois lettres qui définit clairement le mode de défaillance et la position le long de l'éprouvette contrainte. La défaillance est considérée comme non valide, dès lors que la rupture se produit dans les mors de serrage, à la transition ou à l'intérieur de l’écartement entre une largeur d'éprouvette et les mors de serrage. Les essais de traction UD à 0° montrent cependant une rupture explosive à haute énergie, dans laquelle toute la zone libre de l'éprouvette se brise. Aussi, cette défaillance sera-t-elle en principe considérée comme défaillance valide.
Plage de température
Considérant la forte dépendance à la température des plastiques renforcés de fibres, des essais à basse et haute température seront réalisés en plus des essais de traction à température ambiante. Pour ce faire, la machine d'essai pourra être équipée d'une enceinte thermique adaptée à des limites d’utilisation en température allant de -80°C à 360°C.
Échantillon et dimensions selon ASTM D3039
| Type d’éprouvette / stratifié | Représentation schématique de la forme d’éprouvette (simplifiée, le schéma n’est pas à l’échelle) | Remarque relative à l’utilisation de talon |
|---|---|---|
| 0° UD stratifié |  |
|
| 90° UD stratifié |  |
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| Stratifiés UD et tissés multidirectionnels, stratifiés renforcés de fibres discontinues avec orientation aléatoire des fibres (par exemple, SMC) |  | Pour les stratifiés multidirectionnels UD ou tissés ou pour les éprouvettes de stratifiés renforcés de fibres discontinues avec une orientation aléatoire des fibres, l’utilisation de toiles abrasives au lieu d'éléments d'application de force collés est souvent suffisante. |
- Les éléments d'application des forces collés (talons) ne sont pas obligatoires, mais sont expressément recommandés pour les stratifiés UD afin d'éviter des ruptures de serrage non valides (rupture au niveau ou dans le serrage).
- Le stratifié en plastique renforcé de fibres de verre (PRV) avec une orientation des fibres de ±45° par rapport à la direction de charge dans l'essai de traction a fait ses preuves comme matériau de talon.
- Les informations données par l'ASTM D3039 sur la géométrie éprouvettes pour chaque type de stratifié sont des recommandations et permettent de comparer les résultats entre différents laboratoires. Des écarts aux dimensions de l'échantillon sont autorisés sous réserve de respecter les recommandations générales sur la géométrie de l'éprouvette indiquées dans la norme.
- La longueur de référence L0 en cas d'utilisation de systèmes de mesure de la déformation avec ou sans contact devrait être comprise entre 10 et 50 mm.
Informations détaillées sur l’ASTM D3039
- L’ASTM D3039 permet d'utiliser les paramètres d'essai et dimensions d’éprouvettes tant dans le système d'unités SI que dans le système d'unités Inch-Pound (impérial). On évitera toutefois de mélanger les deux systèmes d'unités, car cela peut conduire à des résultats non conformes à la norme.
- Pour déterminer les propriétés de traction au niveau des couches individuelles, des composites multicouches - dans lesquels chaque couche individuelle est orientée de la même manière - sont fabriqués. C’est le cas notamment des stratifiés UD à 0° ou 90°. Pour les composites multicouches de tissus orientés de la même manière, on parle également de caractéristiques mécaniques dans le sens de la chaîne et de la trame.
- Outre la réalisation d'essais de traction à des fins de développement de matériaux, de qualification de matériaux et d'assurance qualité, les valeurs caractéristiques déterminées au niveau des couches individuelles sont également utilisées dans la conception de structures composites pour des méthodes de calcul analytiques. La théorie classique des stratifiés permettra, ainsi, de calculer les propriétés élastiques d'un composite multicouche multidirectionnel à partir des valeurs caractéristiques de chaque couche individuelle. Les résistances au niveau des couches individuelles sont utilisées, entre autres, pour le calcul de critères de défaillance tels que la résistance max. Stress, Hashin, Puck ou LaRC.
- Considérant que les propriétés mécaniques d'un composite multicouche dépendent de l'orientation des différentes couches, chaque composite multicouche avec couches individuelles orientées différemment fournit d'autres propriétés mécaniques de traction. Les propriétés mécaniques de matériaux plastiques renforcés de fibres ne sont donc obtenues que lors de la fabrication du stratifié. Le procédé de fabrication lui-même a une influence déterminante sur les grandeurs caractéristiques obtenues. L'influence du procédé de fabrication sur les propriétés mécaniques d'un stratifié fibre-plastique (FKV) est donc souvent confirmée par un essai mécanique.
Questions fréquemment posées sur l’essai de traction des composites d’après ASTM D3039
L’ASTM D638 est la méthode d'essai standard pour déterminer les propriétés de traction des plastiques non renforcés et renforcés utilisant des éprouvettes haltère. Lorsque des fibres continues ou discontinues d'un module >20GPa sont utilisées pour le renforcement, l'ASTM D638 fait référence à la méthode d'essai standard ASTM D3039 servant à déterminer les propriétés de traction des composites à matrice polymère. Pour ce faire, l’ASTM D3039 utilise alors des échantillons rectangulaires. Lors d'essais de traction sur des plastiques notamment renforcés de fibres de carbone ou de verre (PRFC, PRV) avec des fibres continues, des forces d'essai sensiblement plus élevées sont atteintes par rapport aux essais de traction sur plastiques non renforcés ou renforcés de fibres courtes, ce qui nécessite l'utilisation d'une machine d’essai appropriée.
L’ASTM D3039 est une méthode d’essai standard pour la détermination des propriétés de traction de plastiques renforcés de fibres. Les fibres de renfort à haut module peuvent alors se présenter sous forme de fibres continues ou de fibres discontinues avec une orientation aléatoire des fibres. Les dimensions recommandées des éprouvettes rectangulaires dans l'ASTM D3039 dépendent du type de stratifié composite à tester (par exemple 0° unidirectionnel, 90° unidirectionnel, multidirectionnel ou discontinu aléatoire).
L’épaisseur éprouvette pour l’ASTM D3039 dépend du type de stratifié pour lequel les propriétés de traction devront être déterminées. L'ASTM D3039 recommande une épaisseur d'éprouvette de 1 mm pour les essais de traction unidirectionnels (UD) à 0° et de 2 mm pour les essais de traction UD à 90°. Pour les stratifiés multidirectionnels ou les stratifiés avec une orientation aléatoire et discontinue des fibres, l'épaisseur éprouvette recommandée est de 2,5 mm. Des recommandations correspondantes sont également données pour la longueur totale, la largeur, la longueur de talon et l'épaisseur de talon des échantillons.
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