01-Caractéristiques mécaniques des aciers

Raffinage-Pétrochimie-Chimie-Ingénierie ———

SUPPORTAGE DES TUYAUTERIES

CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES DES ACIERS

INTRODUCTION ................................................................................................................................. 1 I - L’ESSAI DE TRACTION............................................................................................................ 1 1 2 3 -

Divers types d’éprouvettes normalisées : NF A 03-151/A 03-160/A 03-351 ................................ 1 Déroulement de l’essai .................................................................................................................2 Caractéristiques obtenues lors de l’essai de traction ................................................................... 2

II - LE FLUAGE............................................................................................................................... 6 1 2 3 -

Définition ...................................................................................................................................... 6 Principe de l’essai de fluage.........................................................................................................6 Buts des essais de fluage ............................................................................................................ 6

III - ESSAI DE FLEXION PAR CHOC (NF EN 10045-1) ................................................................. 7 1 2 3 -

Principe de l’essai ........................................................................................................................ 7 Types d’éprouvettes .....................................................................................................................8 Influence de la température sur la résilience................................................................................9

IV - ESSAI DE DURETÉ ................................................................................................................ 10 1 2 -

Principe ...................................................................................................................................... 10 Principaux essais de dureté .......................................................................................................10

BA MEC - 02696_A_F - Rév. 0

19/09/2005

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

1

INTRODUCTION Les efforts dus à l’action de la pression, associés aux amplitudes de température appliqués sur les divers éléments d’un appareil chaudronné, se décomposent selon les règles de calcul de résistance des matériaux, en contraintes unitaires de traction, de compression et de cisaillement. Lors de la conception de ces équipements, il faut déterminer le comportement des matériaux face à ces divers types de sollicitations. Le caractère unitaire de la fabrication des appareils chaudronnés interdit, dans la majorité des cas, la pratique de vérification de ces caractéristiques mécaniques de tenue à la pression et à la température, par la réalisation d’essais conduisant l’équipement à un état de ruine par déformation permanente ou par rupture. La nécessité d’obtenir des valeurs limites des caractéristiques mécaniques de ces matériaux conduit à effectuer, sur des éprouvettes représentatives du matériau utilisé, une série d’essais déterminant la valeur de ces caractéristiques. Pour être totalement comparable, les essais doivent répondre à des critères définis par les normes en usage. Les essais les plus couramment pratiqués sont : - l’essai de traction - l’essai de dureté - l’essai de flexion par choc

I-

L’ESSAI DE TRACTION Cet essai permet de déterminer les caractéristiques mécaniques suivantes d’un matériau : -

la charge de rupture la limite conventionnelle d’élasticité les allongements la striction le module d’élasticité longitudinal

Rm Rp A% Z% E

Il consiste à soumettre une éprouvette, en général de forme cylindrique, à un effort de traction exercé selon un axe longitudinal.

1-

DIVERS TYPES D’ÉPROUVETTES NORMALISÉES : NF A 03-151/A 03-160/A 03351 a - Éprouvette cylindrique : - Ø 20 mm - longueur entre repères Lo = 100 mm - Ø 10 mm - longueur entre repères Lo = 50 mm b - Éprouvette rectangulaire : - largeur éprouvette 20 mm, longueur entre repères Lo = 80 mm pour tôles ou feuillards épaisseur 0,5 à 3 mm inclus - largeur éprouvette 12,5 mm, longueur entre repères Lo = 50 mm pour tôles ou feuillards épaisseur 0,5 à 2 mm inclus

Longueur entre repères o = 5,65√So 02696_A_F

© 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D MAC 202 B

Section So

∅D

c - Détail éprouvette cylindrique

2

2-

DÉROULEMENT DE L’ESSAI σ=

Contrainte

F So B

Rm A

C

σult

Rp

L’éprouvette est placée sur une machine de traction. Il est réalisé un enregistrement de la déformation de l’éprouvette sous l’action de la charge F ramenée à la section initiale So.

E %

0

3-

D MAC 1000 C

A%

CARACTÉRISTIQUES OBTENUES LORS DE L’ESSAI DE TRACTION a - Charge unitaire σ Quotient de la force de traction ramenée à la section initiale de l’éprouvette. b - Charge de rupture maximale Rm Charge unitaire maximale absorbée par le matériau c - Charge ultime σult Charge unitaire absorbée par le matériau au moment de la rupture. d - Phase élastique Partie OA de la courbe, elle correspond à une phase où les déformations sont proportionnelles aux charges unitaires. Durant cette phase, il y a restitution de la déformation après suppression de la charge. e - Phase plastique : partie AC de la courbe Elle se décompose en deux parties : - la partie AB correspondant à une phase de déformation plastique ; lors de cette portion de déformation, après suppression de la charge, le matériau conserve une partie de la déformation obtenue lors du chargement - la partie BC est toujours une phase de déformation à caractère plastique, mais en plus apparaît visiblement une zone d’étranglement de la partie cylindrique, de section So, c’est la striction qui aboutit finalement à la rupture de l’éprouvette

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3

f - Limite supérieure d’écoulement ReH C’est le premier point de la courbe pour lequel il y a une augmentation de la déformation sans accroissement de la charge unitaire.

Charge unitaire

D MAC 1332 A

Les aciers austénitiques ne présentent pas de palier de plastification distinct. Il a été défini une limite élastique conventionnelle en déterminant un point arbitraire, intersection de la courbe contrainte-déformation et d’une droite parallèle à la tangente à l’origine de la partie élastique et passant par un point d’allongement réparti de 0,2 %.

%

Rp0,2

0,2

Les aciers ferritiques présentent un palier d’écoulement assez bien défini, la limite conventionnelle d’élasticité est alors caractéristique et très bien définie.

D MAC 1331 A

Allongement

0

Limite conventionnelle d'élasticité à 1,0% Rp1,0

Limite conventionnelle d'élasticité à ,0,2% Rp0,2

Limite supérieur d'ecoulement ReH

Charge unitaire

Allongement

0 0,2 1,0

Dans le code de construction CODAP c’est toujours la limite conventionnelle d’élasticité qui sert de référence dans les diverses déterminations des épaisseurs. g - Module d’élasticité longitudinal E (appelé auparavant Module de Young) C’est la caractéristique, qui dans la phase élastique, relie les déformations unitaires longitudinales et les charges unitaires.

σ

tg α =

σ (∆l/l)

tg α = E Module d’élasticité longitudinal

0

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D MAC 1001 C

α

La relation permettant de lier la contrainte à la déformation unitaire est connue sous le nom de la Loi de Hooke. ∆l σ=E• l


%

4

h - Module d’élasticité transversal G (appelé auparavant Module de Coulomb) C’est la caractéristique, qui dans la phase élastique relie la déformation transversale et la charge unitaire sous l’action d’un effort tranchant.

Τ

Section A

Charge unitaire de glissement

D

C C'

D MAC 1329 A

Glissement

γ

Τ

τ=

effort tranchant T Section A

CC’ = tg γ CD

Le module de Coulomb est le rapport G =

Charge unitaire : τ Glissement : tg γ

i - Coefficient de Poisson Dans la phase élastique du matériau, le coefficient de Poisson caractérise le rapport de la déformation linéique transversale à la déformation linéique longitudinale. Ce coefficient est défini par la relation :

ν=

e II eI

F

avec e II dilatation linéique transversale (∆Ø/Ø) e I dilatation linéique longitudinale (∆l/l)

Ø

D MAC 1330 A

D’une manière générale le coefficient de Poisson varie avec la température. Par exemple pour un acier en carbone il varie de 0,284 à 0,314 pour une variation de température de 0 à 600°C.

F Ø + ∆Ø

j - Relation entre les deux modules d’élasticité Ces deux modules sont liés entre eux par le coefficient de Poisson. Pour l’acier ν = 0,3 :

G=

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E 2(1+ν

)

→


G=

E 2,6

5

k - Caractéristique d’allongement A % C’est l’augmentation de la distance entre repères, portée sur l’éprouvette au moment de la rupture exprimée en pourcentage, de cette distance initiale (Lo). A%=

Lult – Lo • 100 Lo

l - Caractéristique de striction Z % C’est la diminution de la section de l’éprouvette, à l’endroit de la rupture, exprimée en pourcentage de la section initiale (So).

Z%=

So – Sult • 100 So

m - Écrouissage

σ F

S

A

σa M

D MAC 1333 A

Rp

Si l’on applique sur l’éprouvette une charge supérieure à la limite élastique, on obtient une déformation plastique (∆la/l). Après suppression de la charge unitaire σ a, le couple chargedéformation ne suit plus la courbe AMO, mais la droite AO’ parallèle à la partie élastique OM et passant par le point A. Une remise en charge suivante n’entraîne pas forcément une déformation plastique avant que la charge unitaire ne soit supérieure à σa.

% 0

0'

On constate alors : - que la limite élastique du métal s’est élevée de façon notoire, - que la charge de rupture à légèrement augmentée, - que la caractéristique d’allongement du métal a diminué. Ce phénomène s’appelle l’écrouissage. Il réduit la malléabilité du métal, mais élève sa limite élastique. Le réseau cristallin du métal écroué est légèrement déformé. Un traitement thermique de recristallisation lui permet de retrouver sa capacité de déformation initiale.

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6

II -

LE FLUAGE 1-

DÉFINITION Sous charge et température constantes, lorsqu’un matériau présente une instabilité dimensionnelle dépendante du temps, cette instabilité se nomme “fluage”.

2-

PRINCIPE DE L’ESSAI DE FLUAGE L’éprouvette est maintenue sous charge et température constante. La déformation de celle-ci est relevée en fonction du temps.

D Charge initiale σin

D

B C

D

C

A

C

B

A

Temps

D MAC 207 B

Température uniforme

σin1

σin2

σin3

B A

0

Lors de l’étude de ces courbes, il est à remarquer : - que l’éprouvette subit un allongement instantané OA, dans le domaine élastique ou plastique en fonction de l’état de charge initial - l’apparition d’une phase d’allongement AB, à vitesse décroissante appelé fluage primaire ou transitoire - puis une phase d’allongement BC, à vitesse constante appelée fluage secondaire. Dans certaines conditions de charge et de température cette zone peut totalement disparaître - enfin, une phase d’allongement CD, à vitesse croissante appelée fluage tertiaire. À ce stade le fluage conduit à la rupture.

3-

BUTS DES ESSAIS DE FLUAGE Deux types de caractéristiques sont recherchés durant ces essais : - la contrainte initiale provoquant un allongement déterminé (0,5 à 1 %), sous une température donnée, en un temps égal à 100 000 heures - la contrainte initiale provoquant la rupture en un temps égal à 100 000 heures Il est admis, que pour les aciers non alliés au carbone et carbone-manganèse, sous une température de 370°C, l’endommagement par fluage est considéré comme non significatif ; cette température est portée à 425°C pour les aciers inoxydables austénitiques, le nickel et les alliages de nickel.

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7

III - ESSAI DE FLEXION PAR CHOC (NF EN 10045-1) Cet essai, appelé également essai de résilience, permet de caractériser la ductilité du métal par l’étude de l’énergie absorbée lors du mode de rupture. Cette rupture peut se présenter sous deux aspects : - rupture ductile = intragranulaire et fibreuse - rupture fragile = intragranulaire et à grains Le passage d’un mode de rupture à l’autre a été étudié plus particulièrement en fonction de la variation de la température. Il a été possible de définir une température de transition au-dessus de laquelle le métal est en mode de rupture ductile tandis qu’il est en mode de rupture fragile au-dessous.

1-

PRINCIPE DE L’ESSAI

o

30°

40

2

D MAC 209 B

Wo = P x ho

,5

1 1à

D MAC 208 B

h

H

M

0,25

45°

8

10

10

2 à 2,5 55

Cet essai consiste à mesurer sur un “mouton de Charpy”, l’énergie nécessaire pour rompre une éprouvette entaillée en son milieu. Une masse M possède une énergie potentielle (M • H), lors de sa chute, elle perd une partie de cette énergie pour rompre l’éprouvette et consomme l’énergie résiduelle restante pour remonter d’une hauteur h. L’énergie nécessaire à la rupture est : (M • H) — (M • h) = M (H — h) La résilience est représentée par la valeur du quotient de l’énergie de rupture rapportée à la section rompue en cm 2 et s’exprime en daJ/cm2.

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8

2-

TYPES D’ÉPROUVETTES a - Éprouvette à entaille en V Résilience exprimée en KCV. C’est l’éprouvette utilisée pour vérifier cette caractéristique, selon le CODAP.

Détail de l'entaille r = 0,25 55 10 2

45°

2 45°

b - Éprouvette à entaille en U Résilience exprimée en KCU.

55 10

2 5 27,5

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27,5


D MAC 1338 A

10

D MAC 1337 A

10

9

3-

INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE SUR LA RÉSILIENCE Lors de la réalisation d’essais de traction, sous une basse température, sur un acier, il est possible de constater que les critères de limite élastique et de charge de rupture augmentent, alors que l’allongement à la rupture diminue. À une certaine température, la limite élastique et la charge de rupture sont identiques, il n’y a alors plus de déformation en phase plastique. Il est alors possible de constater que la ductilité, mesurée par la striction, diminue très rapidement lorsque la charge de rupture rejoint la limite élastique. La température Tt est appelée température de transition de ductilité.

σ=

F S0

Con t rain ruptu te de re fra gile

Résistance à la r uptu Li m re ite éla s ti q u e

Température

Tt Déformation de striction

Tt Température σ

σ

%

σ

%

%

D MAC 1334 A

Types de diagrammes σ/(%) à divers stades de déformation

Les ruptures fragiles se produisent avec très peu de déformation plastique et présentent un faciès “à grain” ; alors que les ruptures ductiles se produisent avec une forte déformation plastique et sont caractérisées par un faciès “à nerf”. Pratiquement la température de transition est choisie arbitrairement comme étant soit: - la température garantissant une valeur d’énergie minimale, le CODAP définissant une température de référence TR garantissant une résilience de 28 J sur une éprouvette type KCV, désignée dans certains codes par le terme TK 3,5 - la température fournissant une taux de cristallinité de 50 %. Le taux de cristallinité étant le rapport entre la surface de rupture “à grain” et la surface totale rompue de l’éprouvette. Ce taux a pour valeur 0 en rupture ductile et 100 en rupture fragile 02696_A_F


10

IV - ESSAI DE DURETÉ 1-

PRINCIPE C’est un essai de compression. Un pénétrateur, sous une charge F, laisse une empreinte à la surface de l’éprouvette. En général, le rapport de la charge de compression à la charge latérale de l’empreinte caractérise la résistance à la pénétration du matériau. Le comportement des aciers face à la traction est identique en compression. Les valeurs résultantes de ces essais sont une bonne indication des caractéristiques de rupture sous traction de ce matériau et par voie de conséquence, de ses caractéristiques de limite élastique.

2-

PRINCIPAUX ESSAIS DE DURETÉ • Essai BRINELL Le pénétrateur est une bille. • Essai VICKERS Le pénétrateur est une pyramide à base carrée. • Essai ROCKWELL Le pénétrateur est soit une bille, soit un cône. Dans cet essai on mesure l’enfoncement du pénétrateur.

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