Essai de traction

Un essai de traction est une expérience de physique qui permet de mesurer le degré de résistance à la rupture d'un matériau quelconque.

Certains objets fabriqués par l'homme doivent avoir un minimum de solidité pour pouvoir supporter les charges, le poids et bien d'autres efforts. L´essai de traction permet de caractériser les matériaux, indépendamment de la forme de l'objet sollicité.

Cet essai ou expérience consiste à placer une petite barre du matériau à étudier entre les mâchoires d'une machine de traction qui tire sur la barre jusqu'à sa rupture. On enregistre l'allongement et la force appliquée, que l'on convertit ensuite en déformation et contrainte.

L'essai de traction donne plusieurs valeurs importantes :

• le module de Young E, ou module d'élasticité longitudinale ;
• la limite élastique R_e ou σ_e, qui sert à caractériser un domaine conventionnel de réversibilité  ;
• la limite à la rupture R_m ou σ_m ;
• l'allongement à la rupture A, qui mesure la capacité d'un matériau à s'allonger sous charge avant sa rupture, propriété intéressante dans certaines applications ;
• le coefficient de Poisson, qui chiffre la variation de volume induite par la déformation des matériaux dans le domaine élastique.

On peut effectuer les essais sur un barreau cylindrique ou de section rectangulaire (éprouvette plate). L'éprouvette cylindrique permet d'avoir un système symétrique et un système d'accrochage simple (par vissage), l'éprouvette plate permet de voir ce qui se passe sur une face : apparition de lignes de glissement, forme des cristallites (métallographie), mesure de texture par diffractométrie X, …

Les extrémités de l'éprouvette sont élargies, avec un congé, afin d'être sûr que la déformation plastique et la rupture auront lieu dans la partie centrale de l'éprouvette. Les dimensions de l'éprouvette sont normalisées, ce qui n'interdit pas d'utiliser d'autres formes d'éprouvette si l'essai n'a pas besoin de répondre aux normes (par exemple dans le cadre de la recherche et du développement).

Les éprouvettes cylindriques sont habituellement obtenues par tournage. Les éprouvettes plates peuvent être obtenues par sciage d'une tôle puis fraisage.

Une fois l'éprouvette en place, on applique une légère précharge afin d'être sûr que l'on n'a pas de jeu. Puis, on effectue un déplacement de la travée qui a pour effet d'étirer l'éprouvette, et on mesure l'effort généré par ce déplacement ; le mouvement peut se faire par un système de vis sans fin ou un piston hydraulique, l'effort se mesure par la déformation élastique de la travée ou par un capteur de force inséré dans la ligne de charge.

À partir du déplacement de la travée, on calcule la déformation conventionnelle DL/L0 , et à partir de la force, on calcule la contrainte conventionnelle σ en divisant la force par la section initiale S0 pour obtenir la loi courbe de traction. La courbe de traction rationnelle est définie par la contrainte vraie obtenue en divisant l'effort par la section S au même instant et par la déformation totale Ln (L/L0) , intégrale de l'allongement relatif DL/L . Les lois de comportement élastique et plastique sont obtenues en partitionnant la déformation totale en déformation élastique et déformation plastique à partir de la courbe de traction rationnelle .

L'essai s'arrête à la rupture de l'éprouvette.

Cas d'un matériau ductile

Dans un premier temps, la déformation est élastique. La courbe de traction est donc une droite, la pente de cette droite donne le module de Young E.

À partir d'un certain allongement, la courbe s'infléchit : c'est le début de la déformation plastique. La transition peut être franche (rupture de pente), ce qui permet de déterminer facilement la limite d'élasticité conventionnelle R_e définie par la contrainte donnant 0,2 % de déformation résiduelle, R_{e 0,2}.

La courbe de traction présente ensuite un maximum qui détermine la contrainte de rupture en traction conventionnelle R_m. À partir de ce point, la déformation est concentrée dans une zone, c'est la striction (« étranglement ») ; la rupture a ensuite lieu dans la zone de striction, pour une valeur de contrainte bien supérieure à la valeur conventionnelle. La courbe de traction rationnelle est elle toujours croissante.

L'essai de traction sur une éprouvette entaillée d'un matériau ductile permet d'évaluer sa résistance. Pour une même section minimale, l'effort maximum est supérieur à celui de l'éprouvette lisse. On en déduit deux informations importantes:

-En comparant la contrainte nominale à la limite de rupture en traction, on obtient une sous estimation de la résistance d'une structure.

-Le mode de ruine de l'éprouvette lisse est l'instabilité, la striction correspond à une bifurcation.

Cas d'un matériau fragile

Dans le cas d'un matériau fragile, la rupture survient en fin de domaine élastique.

Dans un mécanisme ou une structure, les pièces doivent conserver leurs dimensions. La limite acceptable pour la contrainte nominale est donc la limite élastique R_e. On lui applique un coefficient de sécurité s (ou parfois noté n), en général entre 2 et 5 ; on définit alors la limite pratique élastique R_pe :

$R_{pe}=\frac{R_e}{s}$.

La conception sur le cas de charge limite est donc validée si, pour toutes les structures en traction, on a

σ < R_pe.

Le coefficient de sécurité dépend des règles de l'art du domaine concerné ou bien de normes. De manière générale, on a :

• pour un fonctionnement constant, sans à coup, dans un milieu maîtrisé (toutes les charges sont connues) et avec un matériau bien caractérisé : 1 ≤ s ≤ 2 ;
• cas usuel : 2 ≤ s ≤ 3 ;
• milieu mal maîtrisé (risque d'accident, charge mal connues), matériau mal caractérisé : 3 ≤ s ≤ 5.

La conception sur le cas de charge ultime est validée en comparant la contrainte nominale à la limite de rupture en traction.

Pour les matériaux fragiles, on se base sur la contrainte à la rupture, le coefficient de sécurité est donc plus élevé.

Les essais de traction doivent en général respecter les prescriptions de normes qui définissent la forme, les dimensions, les vitesses d'essai, l'étalonnage de la machine, l'exactitude des appareils, la définition des caractéristiques, les informations à indiquer dans un rapport d'essai. Pour les matériaux métalliques la norme de référence est la NF EN 10002-1 : Matériaux métalliques - Essai de traction - Partie 1 : méthode d'essai à température ambiante.