Essais monotones ` a froid

Afin de d´eterminer les caract´eristiques m´ecaniques du Metasco MC selon le sens de pr´el`evement des ´eprouvettes, nous avons r´ealis´e des essais m´ecaniques en traction et en torsion. Les ´eprouvettes ont ´et´e pr´elev´ees sur un barreau de 80 mm brut de laminage. La g´eom´etrie des ´eprouvettes est r´ef´erenc´ee en figure 3.17. Nous avons opt´e pour une section cylindrique, commun´ement utilis´ee pour les essais en torsion.

Figure 3.17 : G´eom´etrie des ´eprouvettes utilis´ees pour les essais en traction et torsion monotone

Essais de traction monotone

Il s’agit d’appliquer une force normale ou une vitesse contrˆol´ee `a l’une des tˆetes de l’´eprouvette, l’autre extrˆemit´e ´etant maintenue fixe. Nous avons choisi de mener les essais `

a vitesse constante (0.2 mm/s). Les donn´ees que nous fournissent les essais sont l’effort F enregistr´e en fonction de l’allongement δL = L − L0. La d´eformation plastique est d´efinie

par la relation :

 = ln(1 + ep) (3.1)

avec ep, l’allongement plastique relatif de l’´eprouvette, d´efini par :

ep =

S0

S − 1 (3.2)

S0 est la section initiale et S, la section courante. La contrainte est calcul´ee `a partir

3.3. MAT´ERIAU UTILIS´E 69

σ = F S0

(1 + ep) (3.3)

Nous avons donc rectifi´e les courbes brutes obtenues exp´erimentalement pour obtenir les courbes de la figure 3.18. Nous avons doubl´e `a chaque fois les essais pour chaque orientation. En approximant les courbes obtenues par une loi puissance (Hollomon) du type σ = Kn <sub>o`u K est la consistance et n, le cœfficient d’´ecrouissage, nous obtenons le</sub>

tableau suivant :

Tableau 3.2 : Param`etres de la loi puissance associ´es aux courbes obtenues par des essais de traction monotone pour 3 orientations de fibrage

Fibrage `a 0◦ Fibrage `a 45◦ Fibrage `a 90◦

K (M P a) 1680 1729 1675

n 0.1455 0.1563 0.1504

Figure 3.18 : Essai de traction monotone sur des ´eprouvettes pr´elev´ees dans 3 directions diff´erentes par rapport au fibrage

Nous notons effectivement une faible diff´erence dans la valeur des cœfficients. Par con- tre, la d´eformation `a rupture est bien plus importante pour l’essai concernant l’´eprouvette ayant un fibrage `a 0◦ par rapport `a l’axe de sollicitation que pour celle ayant un fibrage `

a 90◦. De plus, la phase d’adoucissement est plus marqu´ee `a 0◦ qu’`a 45◦ et tr`es peu marqu´ee `a 90◦. Nous pouvons le noter visuellement en regardant les zones de rupture plus pr´ecis´ement. Par exemple, sur la figure 3.19 nous pouvons voir des filets d’inclusions M nS dans la zone de rupture (morphologie de type bois pourri). Il s’agit de l’´eprouvette pr´elev´ee `a 90◦.

Nous pouvons ´egalement observer que la rupture est peu ductile car elle est caract´eris´ee par des facettes planes (associ´ees aux grains). Au contraire, lorsque nous observons le faci`es de rupture de l’´eprouvette orient´ee `a 0◦ (figure 3.20), la rupture est totalement ductile suite `a une d´eformation plastique et un endommagement par nucl´eation au niveau

3.3. MAT´ERIAU UTILIS´E 70

Figure 3.19 : Zoom de la zone de rupture de l’´eprouvette pr´elev´ee `a 90◦ par rapport au fibrage et sollicit´ee en traction monotone

des inclusions (essentiellement M nS), suivi d’une croissance des cavit´es et de leur coales- cence. Nous distinguons tr`es nettement les vides caus´es par le rapprochement de toutes les cavit´es. Nous remarquons ´egalement que la rupture se produit transversalement `a l’axe de sollicitation pour les ´eprouvettes ayant un fibrage `a 0◦ et 90◦ (figure 3.20 (b) et 3.22 (b)). Nous voyons sur la figure 3.20 (b) que la d´eformation plastique est nettement marqu´ee alors que sur la figure 3.22 (b), la rupture est nette et sans striction visible. Par contre, pour l’´eprouvette ayant un fibrage `a 45◦, la rupture est `a 45◦ comme le montre la figure 3.21 (b).

L’essai de traction monotone nous renseigne sur l’anisotropie structurale du barreau. Nous voyons une tr`es nette diff´erence de comportement du mat´eriau selon l’orientation du fibrage par rapport `a l’axe de sollicitation. A 0◦, le comportement semble ˆetre un comportement classique de rupture ductile. Par contre, plus l’angle du fibrage augmente, et plus l’effet de l’anisotropie se fait ressentir. De plus, les zones de rupture sont parsem´ees d’inclusions M nS mais il est difficile, voire impossible, d’identifier l’amor¸cage de la fissure ayant caus´e la ruine de l’´eprouvette. Nous pouvons cependant en conclure qu’il existe un angle d’orientation du fibrage pour lequel nous passons d’un comportement ductile `

a un comportement peu ductile. Cet angle est inf´erieur `a 45◦. La limite d’´elasticit´e de l’´eprouvette pr´elev´ee dans le sens du fibrage dans un barreau de 80 mm est de Re =

650 M P a et la limite maximale en traction Rm = 1205 M P a en moyenne. Ces donn´ees

3.3. MAT´ERIAU UTILIS´E 71

Figure 3.20 : (a) Zone de rupture de l’´eprouvette pr´elev´ee `a 0◦ par rapport au fibrage et sollicit´ee en traction monotone et (b) macrographie de l’´eprouvette rompue

Figure 3.21 : (a) Zone de rupture de l’´eprouvette pr´elev´ee `a 45◦ par rapport au fibrage et sollicit´ee en traction monotone et (b) macrographie de l’´eprouvette rompue

3.3. MAT´ERIAU UTILIS´E 72

Figure 3.22 : (a) Zone de rupture de l’´eprouvette pr´elev´ee `a 90◦ par rapport au fibrage et sollicit´ee en traction monotone et (b) macrographie de l’´eprouvette rompue

Essais de torsion monotone

Cet essai consiste `a imposer une vitesse de rotation ˙N `a l’extrˆemit´e d’une ´eprouvette dont l’autre cˆot´e est encastr´e. Les donn´ees enregistr´ees sont la vitesse de rotation et le couple Γ n´ecessaire pour d´eformer l’´echantillon. La contrainte subie par le mat´eriau est une contrainte de cisaillement τ dont l’expression `a la surface peut ˆetre ´evalu´ee `a l’aide de la formule de Fields et Backofen [51].

Comme pour les essais de traction, nous avons pr´elev´e 6 ´eprouvettes selon trois direc- tions de fibrage diff´erentes (0◦, 45◦ et 90◦) dans le mˆeme barreau brut de laminage de 80 mm. La loi la mieux adapt´ee dans les trois cas est une loi de la forme ¯σ = K(T, ¯, ...) ˙¯m avec m, le coefficient de sensibilit´e `a la vitesse de d´eformation, K la consistance du mat´eriau, ¯σ la contrainte ´equivalente, ¯, la d´eformation ´equivalente, T la temp´erature et

˙¯, la vitesse de d´eformation ´equivalente.

Nous avons repr´esent´e sur la figure 3.23 (a) les valeurs brutes enregistr´ees lors de l’essai et la loi identifi´ee `a partir de ces mesures sur la figure 3.23 (b). Nous voyons les mˆemes tendances que nous avions not´ees lors de l’essai en traction. L’essai de torsion sur l’´eprouvette pr´elev´ee dans le sens du fibrage rompt apr`es un d´eplacement plus im- portant que pour les autres orientations. Lorsque nous analysons le faci`es de rupture des ´

eprouvettes, nous notons ´egalement des amas d’inclusions de M nS `a la surface. Pour ´

eviter le ph´enom`ene de matage dˆu au frottement des deux parties de l’´eprouvette lors de la rupture, nous avons s´epar´e d`es le d´ebut de la fissure les deux parties en retirant le bras mobile. Nous pouvons donc analyser les deux faci`es de rupture de part et d’autre de la

3.3. MAT´ERIAU UTILIS´E 73

rupture. Nous voyons sur la figure 3.24 que le faci`es de rupture est parsem´e d’inclusions essentiellement M nS regroup´ees en bandes ou chapelets. Il est cependant difficile de localiser le d´ebut de la rupture. Nous v´erifions qu’`a 90◦ (figure 3.27 (a)), nous avons le mˆeme ´etat de surface. De mˆeme, nous voyons que la d´eformation est bien moins marqu´ee. A 0◦, nous notons la formation de cavit´es qui sont `a l’origine de l’endommagement ductile (croissance et coalescence) que nous ne retrouvons pas `a 90◦.

Figure 3.23 : (a) Donn´ees brutes de l’essai de torsion monotone et (b) donn´ees rectifi´ees `a l’aide d’une identification rh´eologique pour les trois directions de fibrage

Figure 3.24 : Zoom de la zone de rupture de l’´eprouvette pr´elev´ee `a 45◦ par rapport au fibrage et sollicit´ee en torsion monotone

3.3. MAT´ERIAU UTILIS´E 74

La rupture, pour un fibrage orient´e `a 0◦, se produit transversalement `a l’axe de sollicita- tion comme pour l’´eprouvette pr´elev´ee `a 90◦ (figures 3.25 et 3.27 (b)). Par contre, pour une ´eprouvette pr´elev´ee `a 45◦, nous voyons que la rupture se produit `a 45◦ de l’axe de l’´eprouvette (figure 3.26 (b)).

Figure 3.25 : (a) Zone de rupture de l’´eprouvette pr´elev´ee `a 0◦ par rapport au fibrage et sollicit´ee en torsion monotone et (b) macrographie de l’´eprouvette rompue

Figure 3.26 : (a) Zone de rupture de l’´eprouvette pr´elev´ee `a 45◦ par rapport au fibrage et sollicit´ee en torsion monotone et (b) macrographie de l’´eprouvette rompue