Résilience des aciers

[Mani]

La résilience des aciers

Définition

La résilience ( qui a pour symbole K ) est la capacité d'un acier a résister plus ou moins bien aux chocs.

Caractéristiques d'un acier résilient

Un acier résilient aura tendance a reprendre sa forme initiale ( totalement ou en partie ) après un choc et donc une déformation.

Essais de résilience ou essai de flexion par choc

Cet essais consiste a déterminer l'énergie nécessaire pour rompre en une seul fois une éprouvette* avec un dispositif appelé " Mouton de Charpy " .

* Une éprouvette est un barreau d'acier ( celui dont on veut déterminer la résilience ) de dimensions près établies ( longueur 55 mm, hauteur 10 mm, largeur 10 mm), entaillé en son milieu par usinage. Il y' a deux type d'entaille : l'entaille en V et l'entaille en U ( appelé type C ).

Le Mouton de Charpy

C'est le dispositif permettant d'effectuer les essais de résilience, inventé pas Mr Georges Charpy ( Biographie Wikipédia )



Uploaded with ImageShack.us Source Wikipédia

Fonctionement:

Le pendule est relacher et vient " frapper " l'eprouvette en la brisant.

Principe de l'essai

Il s'agit en fait d'appliquer avec le pendule une force ( la norme est de 294 Joules ) qui brisera l'éprouvette et continuera sa course après la rupture. La position de départ ( hauteur h0 ) du pendule et sa position d'arrivé ( hauteur h1 ) ainsi que le poids du pendule ( P en Newton ) permettront de déterminer l'énergie absorbée ( W ) par l'éprouvette lors du choc.

Calcul

Voici la formule utilisée pour calculer l'énergie absorbée: W=P (h0-h1).

Petit rappel:

- W est l'énergie absorbée en joules
- P est le poids du pendule en Newton
- h0 est la hauteur de depart en mètre du pendule ( h sur le dessin )
- h1 est la hauteur finale en mètre du pendule après le choc ( h' sur le dessin )

Calcul de la résistance KCV ( résilience V )

La résistance KCV établit suivant la norme d'une éprouvette avec entaille en V.

KcV (J/cm²) = W/S

Petit rappel:

- J = Joules
- S = surface de rupture ( pour une éprouvette normale 0,8 cm² )

Calcul de la résistance KCU

La résistance KCU ( Résilience UF ) établit suivant la norme d'une éprouvette avec entaille en U ( barreau unifié francais )
Elle se calcule de la même manière que la résistance KCV.

Quelques sources:

Cours technologie : Essai de résilience - Résistance au choc !
Essai de Résilience
Résilience (physique)
Essai de flexion par choc sur éprouvette entaillée Charpy
Un petit PDF sympa pas que sur la résilience Livre Rouge - Elements techniques

Sur une idée originale de Karto et suite aux amorces d'explications qui m'ont été gracieusement donné par David et Yersinia .

Mani

[sebeu]

Auquel on peut humblement compléter par des essais à diverses températures.

Dans mon boulot, je vois frequemment des essais à -20°C, -46°C et jusqu'à -60°C.

A noter que les essais de choc on souvent une dispersion des résultats assez importantes.

De manière classique, on prend trois essais, avec une valeur moyenne minimum à respecter PLUS une valeur mini par essai:

Ex: Minimum 20J de moyenne, avec un minimum de 15J acceptable.


Dernier point pour compléter l'excellent post de Mani, l'étude du profil de rupture est intéressante (rupture ductile, fragile).
J'ai quelques docs (en anglais) en complément, me contacter par MP si intéressé.

Mes quelques lignes

[moss]

bien vu le résumé. Je pense que ça vaudrait le coup de rajouter quelques précisions :
- une des méthodes les plus efficaces pour augmenter la résilience d'une lame est le corroyage. Je me permets de placer ici un extrait d'un fil de discussion sur la résilience du forum forgefr (en espérant que ça ne pose pas pb aux modos)

Explication d'achim wirtz (forgeron, coutelier et métallurgiste allemand) sur le mécanisme de rupture d'un acier corroyé lors d'un choc

Premièrement, il ne s'agit pas d'une onde de choc mais d'une vraie fissure qui se propage dans l'acier. Dans un acier homogène, cette fissure, une fois elle commence a apparaître, peut traverser le bloc entier de matière sans être bloqué par quelque chôse. Dans un acier corroyé classique par contre, la fissure peut seulement traverser la première couche. Quand elle arrive au bout de cette couche, elle va produire une rupture entre la première et la deuxième couche a cause des défauts de soudure microscopiques et/ou résidues silicieux qu'on trouve dans chaque matière qui était corroyé selon les méthodes classiques. Cette rupture

1. bouffe une bonne partie de l'énergie qui provoquait la fissure initiale et
2. nécessite qu'il se développe une nouvelle fissure dans la deuxième couche de la matière en question.

Ce procédé se repète dans chaque couche et quand le taux d'énergie absorbé par la rupture des couches est énorme, il y a de moins en moins d'énergie pour provoquer une nouvelle fissure. C'est donc les imperfections dans la production des acirs corroyés classiques qui augmente énormement la résilience.

La preuve: nous avons testé un damas soudé sous vide et le même damas soudé au borax. Et bien que le damas soudé sous vide est largement plus façile à forger, donne un tranchant a la fois plus solide et plus homogène et présente moins de problèmes dans le TT, le damas classique est environ 10 a 15 fois plus fort point de vue résilience. Ergo: quand je veux me faire un couteau de cuisine ou de chasse en damas, c'est 100 % le damas sous vide que je vais prendre. Mais quand je dois me faire une lame d'épée de combat ou une protection contre des balles ou des pointes de flèche, c'est 100 % l'acier corroyé que je vais choisir.

Petite remarque: toutes nos tests était fait dans l'institut de sidérurgie de l'université de Aix la Chapelle (RWTH Aachen) et je peux vous assurer qu'ils ont des machines à tester "comme il faut". Mais la machine de teste de résilience (genre http://www.pebax.com/images/pebax/2.5.3.jpg ) qui est fait pour casser toute sorte d'éprouvette 55 x 10 x 10 mm, n'était pas capable de casser les éprouvettes en acier corroyé, même avec une surcharge sur le marteau. Il y a eu quelques couches fissurés et le reste était seulement déformé au point ou l'éprouvette ne tenait plus dans l'appareil.  
...
La différence de matières de base (moderne/ancien/acier simple/acier maraging et cetara) est largement moins important concernant les résultats de résilience que le fait que la matière en question est multicouche et contient des défauts entre les couches. Exemple: la résilience d'un acier maraging (ultrafort) comparé à un acier 90MCV8 avec la même dureté est environ 4 fois plus grand (300 % plus de résilience si je me rappelle bien) pour le maraging. Par contre, une fois retravaillé en multicouche, il n'y a quasiment pas de différence entre un multicouche forgé uniquement en 90MCV8 et un qui est fait en ultrafort et 90MCV8. Toutes les deux sont environ 8 a 10 fois plus résilient que le ultrafort seul. Même résultat pour des matières "anciens", parce que, comme le disait un grand métallurgiste: de l'acier c'est de l'acier et il se comporte comme de l'acier.
...

plus quelques remarques persos, qui me semblent importantes :
- la résilience est d'autant meilleure que le grain de l'acier est fin
- lorsque l'acier est "fibré" (grains d'acier allongés) la résistance est meilleure dans le sens des fibres

En résumé, quand on souhaite produire une lame qui encaisse les chocs :

- utiliser de préférence un acier prévu pour cela (acier enrichi en Si, type 5160, 45Si7, 55Si7, acier d'amortisseur, barre de torsion, etc...)
- si on part d'un acier inconnu ou générique, le corroyer (une quinzaine de couches est déjà efficace)
- veiller à conserver un grain fin (attention, le corroyage va le faire grossir, donc bien soigner les normalisations)

cdt...

[Mani]

Salut,

Merci de vos précisions Yersinia et Sebeu

Dernier point pour compléter l'excellent post de Mani, l'étude du profil de rupture est intéressante (rupture ductile, fragile).
J'ai quelques docs (en anglais) en complément, me contacter par MP si intéressé.

Ca serait peut être intéressant de faire un post la dessus 

Mani