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T P M é t a u x ‐ G r o u p e 4

Travail Pratique

Matériaux 2009/10

Génie Civil

Métaux

Groupe 4 :

Berney Joël, Contat François‐Joseph, Duc Axel, Kayser Guillaume, Peguiron Florence, Radi Moncef, Roubaty Quentin, Tinguely Loïc

1 | E P F L L a b o r a t o i r e d e m a t é r i a u x


Plan

1. Introduction 3

2. Comportement à la traction de barres d’armature 4

3. Essai de flexion par choc sur barreau entaillé (résilience) 10

4. Conclusion 17

5. Annexes 18



1. Introduction L’étude des métaux a occupé la majeure partie du second semestre. De ce fait, nous attendions avec impatience la mise en pratique de ce que nous avions étudié préalablement. Ce travail pratique concerne l’acier qui est un des matériaux de construction les plus utilisés, malgré son coût relativement élevé (voir graphique ci‐dessous). On l’emploie essentiellement pour les structures porteuses, pour les précontraintes et comme barres d’armatures dans le béton. Comme nous l’avions observé sur les diagrammes de phase vus en cours, l’acier est un alliage composé essentiellement de fer et d’une infime part de carbone oscillant entre 0.02 % et 1.67 % en poids. Passée cette limite et jusqu’à 6.67 %, on obtient de la fonte. Selon la quantité de ce deuxième élément, on peut faire varier la résistance et la résilience, directement reliée à la ductilité, de notre échantillon. Il est également possible d’ajouter certains éléments tels que le chrome, par exemple, pour éviter l’oxydation (acier inox).


Graphique 1 – Prix et production des principaux matériaux de construction

Le travail pratique est divisé en deux parties. La première concerne un test de résistance à la traction sur deux barres d’armature de sections différentes. De cette manière, on observe le comportement de l’acier sous charge et on en déduit, entre autres, la résistance du matériau, sa limite élastique et son allongement. La seconde partie fera aussi appel à des essais destructifs mais cette fois, il s’agira de mesurer l’énergie de résilience d’échantillons normalisés, et d’en déduire leur ductilité, en fonction de la température. Pour ce faire, nous utilisons des petits parallélépipèdes munis d’une entaille, afin d’amorcer la rupture et de s’assurer qu’elle intervienne en leur centre. Le but de cette deuxième partie est de voir l’importance de la température environnante sur la ductilité d’un élément en acier.



2. Comportement à la traction de barres d’armature

Introduction

Nous avons vu au premier semestre que le béton est un matériau qui résiste très mal à la traction (on admet que la résistance à la traction est nulle). Lorsqu’il est soumis à la flexion, une partie de sa section est comprimée, alors que l’autre est tendue. Dès lors, il fallait trouver un matériau capable de reprendre ces efforts de traction. Aujourd’hui on utilise essentiellement de l’acier dans la construction, car son prix et sa haute résistance le rendent très compétitif vis‐à‐vis des autres métaux comme l’aluminium par exemple. De plus, il a le même coefficient de dilatation que le béton ce qui permet d’empêcher tout mouvement relatif lors de changements de température. Enfin, pour assurer la cohésion entre les deux matériaux (pour rendre la structure monolithique), on fabrique des barres d’armature nervurées.

Les barres d’armature sont désignées par un code : pour nos essais par exemple, nous avons utilisé des barres S500C, où S indique qu’il s’agit d’acier (Stahl), 500 donne sa limite d’élasticité (500 N/mm2) et C désigne des nervures alternées.

Son utilisation en tant que matériau reprenant la traction donne toute sa pertinence à l’essai que nous avons réalisé. Il permet d’observer son comportement lors de charges et de décharges ainsi que son mode de rupture, essentiels pour garantir la sécurité des utilisateurs. On en déduit les principales caractéristiques mécaniques : module d’élasticité, coefficient de Poisson, limite d’élasticité, résistance à la traction puis à la rupture, allongement après rupture et coefficient de striction. Enfin, sa facilité de mise en place et sa sensibilité aux défauts en font un des essais les plus utilisés.

Démarche et fonctionnement

Avant l’expérience, il faut connaître les dimensions des échantillons sur lesquels on va effectuer les essais. On peut facilement mesurer la longueur des échantillons, mais pas leur diamètre. En effet, en plus des nervures qui leur donnent un certain "relief", on a vite remarqué que les barres d’armatures n’ont pas forcément une section strictement constante. Pour remédier à ce problème, nous avons pesé les barres puis obtenu leur volume grâce à leur masse volumique (7.83 g/cm3). Enfin, nous divisons ce volume par la longueur pour obtenir la section.

Ensuite, pour mesurer l’allongement que subit l’échantillon durant l’expérience, nous avons fait des repères tous les cm (petites incisions pour ne pas altérer la barre ce qui fausserait les résultats, mais tout de même bien visibles), et on définit la longueur initiale L0 comme correspondant à 5∙D0 (selon la norme A5). Une fois l’essai terminé, nous pourrons mesurer les distances Lu et Lgu qui correspondent à la longueur finale, respectivement dans la zone de striction (prendre les bornes de part et d’autre du point de rupture) et dans la zone hors striction. Pour cela, on prendra le même nombre de marques que pour L0 en considérant que les marques ne se situent plus tous les cm.

Pour l’expérience, on dispose d’une machine de traction à laquelle on fixe l’échantillon grâce à deux mors à chaque extrémité. Celle‐ci va charger progressivement la barre, jusqu’à rupture. En parallèle, elle



trace le graphique force‐allongement sans valeurs. Pour pouvoir l’exploiter, on s’aide du cadran de la machine, sur lequel on peut lire la force maximale appliquée au cours de l’essai. Grâce à une règle de trois, on retrouve la valeur des efforts spécifiques comme la limite d’élasticité et la charge à la rupture.

Enfin, on peut calculer les allongements Ag et A5, c'est‐à‐dire respectivement l’allongement spécifique après rupture mesuré hors de la zone de striction, et l’allongement spécifique après la rupture mesuré entre les repères définissant la longueur initiale, choisie dans la zone de striction. Ces valeurs relatives sont obtenues à partir des formules Ag = Lgu – L0 / L0 et A5 = Lu – L0 / L0.

Mesures

Matériau L0 Lg0 [mm]

D0

[mm] S0 [mm2]

Lu Lgu [mm]

Du

[mm] Su [mm2]

FE [kN]

FM

[kN] FU [kN]

RE

[N/mm2] RM

[N/mm2] RU

[N/mm2] Ag

[%] As

[%] Z [%]

S500C 130 26.4 547 163 145

21.5 363 295 360 275 539 658 758 12 25 35

S500C 130 26.4 547 161 145

19.2 290 292 356 278 535 650 926 10 22 47

S500C 150 29.9 705 184 171

25.5 511 394 478 357 559 678 699 14 23 28

S500C 150 29.9 697 174 165

22.1 382 390 480 388 560 688 1016 10 16 45

Tableau 1 ‐ Mesures des essais de traction

Observations et remarques

Sur le graphique force F – allongement ΔL obtenu grâce à la machine de traction, nous distinguons clairement deux zones dans lesquelles le comportement de l’acier est différent.

Dans la première, appelée zone élastique, l’allongement de la barre d’armature croît proportionnellement à la charge appliquée. Le graphe est donc une droite dont la pente donne la rigidité de l’éprouvette (et non pas le module de Young car celui‐ci s’obtient avec le graphique contrainte – dilatation). Dans cette zone, la force appliquée n’est pas assez grande pour créer une contrainte qui puisse déplacer les dislocations ; seules les mailles élémentaires du réseau cristallin se déforment. Les forces de rappel présentes dans celui‐ci lui redonnent sa forme initiale une fois la contrainte annulée. Il en résulte que les déformations élastiques sont réversibles. Cette zone est délimitée par la limite d’élasticité (charge élastique Fe), force à partir de laquelle la déformation devient irréversible. C’est alors le début de la zone plastique : l’allongement augmente ici plus vite que la charge. La contrainte créée dans le matériau est ainsi assez élevée pour déplacer les dislocations, ce qui produit des glissements entre les différentes parties du matériau. Ceci explique les déformations irréversibles qui ne disparaissent donc pas après décharge : le matériau est "altéré".


Les déformations plastiques sont très importantes pour les matériaux de construction. En effet, elles témoignent du caractère ductile de ceux‐ci : plus la zone plastique est longue, plus le matériau est ductile. Cette propriété offre l’avantage de permettre aux usagers, en cas de problème, de se rendre compte de l’imminence d’une catastrophe puisqu’elle se caractérise par d’importants déplacements. Il est alors possible d’évacuer les usagers et de sauver des vies. C’est la raison pour laquelle on évite l’utilisation de matériaux fragiles pour la construction, matériaux qui cassent dans le domaine élastique et qui mènent donc à une destruction brutale et soudaine en cas de problème. En observant le graphique F – ΔL obtenu, on se rend immédiatement compte que nos barres d’armatures satisfont ce critère.

Dans la partie finale de notre essai, c’est‐à‐dire juste avant la rupture, nous remarquons que la charge appliquée, après avoir passé par un maximum, redescend. Ceci est une conséquence du phénomène de striction : lorsque la contrainte devient trop élevée dans le matériau, les déformations se produisent dans une zone préférentielle contenant un défaut. Comme la déformation longitudinale provoque une contraction latérale, il s’ensuit une baisse de la section et une augmentation de la contrainte y régnant alors que sa résistance diminue (ce dernier fait expliquant la chute du diagramme F – ΔL sur la fin). L’allongement se fait donc de plus en plus important, la section s’abaisse constamment et le processus se poursuit comme un cercle vicieux jusqu’à rupture de l’éprouvette.

Comme évoqué précédemment, le diagramme F – ΔL donne des informations sur l’éprouvette à propos de certaines valeurs qui la caractérisent (FE, FM, FU, allongement) mais n’informe pas sur le comportement du matériau à proprement parler. Pour y parvenir et éliminer le facteur dimension, il faut convertir les données F et ΔL en contrainte et dilatation en divisant la première par une section (mm2) et la seconde par une longueur (mm). Il existe alors deux

Image 1– Machine de traction manières de procéder : diviser la charge appliquée F par la section initiale S0 et l’allongement ΔL par la longueur totale initiale choisie L0 ou diviser la charge F par la section instantanée S et l’allongement ΔL, tous deux mesurés dans la zone de striction (repérée après coup et ΔL est mesuré grâce à des marques sur l’éprouvette faites tous les centimètres avant l’essai), par la longueur initiale correspondante. La première méthode fournit le "diagramme de l’ingénieur" alors que la seconde donne le "diagramme rationnel". Il s’ensuit une différence majeure entre ces deux procédés : la contrainte dans le diagramme rationnel donne la vraie contrainte régnant dans le matériau et est toujours plus élevée que celle donnée par le diagramme de l’ingénieur. Cette principale différence est encore plus marquée dans la zone de striction : là où la contrainte diminue dans le premier diagramme, elle augmente sans cesse dans le second jusqu’à la rupture. Ceci s’explique par le fait




qu’avec le diagramme de l’ingénieur, on divise toujours la charge appliquée (qui diminue lors du phénomène de striction) par la section initiale. Celle‐ci étant une constante, le diagramme suit alors la tendance de la charge appliquée et diminue donc. Dans le diagramme rationnel, la situation est différente. Comme l’aire de la section dans la zone de striction diminue, il s’ensuit que la contrainte augmente bien que la charge baisse. Le diagramme présente alors une contrainte qui augmente sans arrêt. Ce qui diminue en fait, c’est la charge qu’on peut appliquer.

Une deuxième différence, moins importante, se remarque quant à la dilatation maximale du matériau : dans le premier diagramme, le fait de diviser l’allongement de l’éprouvette par une longueur initiale prédéfinie induit que la dilatation calculée est en fait une dilatation moyenne ne représentant pas la dilatation effective dans chacune des parties de l’échantillon. Avec le diagramme rationnel, on calcule la dilatation dans la zone de striction, qui est caractérisée par une contrainte plus élevée et donc par une dilatation plus grande qu’ailleurs. Ainsi, le second diagramme présente une courbe non seulement plus haute, mais également plus longue que le diagramme de l’ingénieur : elle donne la contrainte vraie en fonction de la dilatation vraie du matériau. Le diagramme rationnel est utilisé lorsque les déformations et les changements de section sont importants (car le diagramme de l’ingénieur fausserait trop les valeurs) ou lorsque l’on désire avoir des valeurs précises concernant le comportement du matériau. Néanmoins, la zone élastique du diagramme de l’ingénieur donnant des valeurs assez précises (puisque les variations de section et de longueur ne sont pas trop prononcées dans cette zone), le premier diagramme suffit amplement à l’ingénieur (d’où son nom) étant donné qu’il s’intéresse surtout à cette zone qui ne doit en aucun cas être dépassée dans les constructions.

Dans le TP, nous avons calculé quelques valeurs selon les deux procédés : la limite d’élasticité RE et la résistance maximale à la traction RM (correspondant à la force maximale appliquée sur l’éprouvette) ont été obtenus en tenant compte de la section initiale S0 alors que la résistance à la rupture RU a été calculée en divisant la charge à la rupture par la section à la rupture dans la zone de striction, zone dans laquelle, rappelons‐le, la contrainte est la plus grande. De même, la dilatation Ag (dilatation hors striction) est calculée grâce à l’allongement hors striction alors que la dilatation A5 (dilatation en striction) est obtenue avec l’allongement dans la zone de striction.


Graphique 2 ‐ Courbes contrainte‐déformation (de l’ingénieur et rationnelle) – tiré du cours du Dr Scrivener

En observant les résultats, on remarque, en accord avec ce qui fut dit précédemment, que la résistance ultime (à la rupture) est plus élevée que la résistance maximale calculée à l’aide du pic sur le graphe F – ΔL. Pour un des essais par exemple, la résistance maximale RM vaut 658 N/mm2 alors que la résistance à la rupture est de 758 N/mm2. Ceci montre donc que la sollicitation du matériau augmente constamment bien que la charge appliquée diminue vers la fin. En d’autres termes : la section dans la zone de striction diminue plus vite que la charge appliquée de sorte que la contrainte augmente. De même, en comparant les dilatations, on voit que celle de la zone de striction est beaucoup plus importante qu’ailleurs (25% contre 12% respectivement en moyenne). Ceci s’explique facilement : puisque la contrainte dans la zone de striction est plus grande qu’ailleurs et en s’aidant de la formule ε = σ / E, on voit directement que la dilatation dans la zone de striction sera elle aussi plus grande qu’ailleurs. Cette importante dilatation provoque ainsi une contraction de la section assez spectaculaire, donnée par le coefficient de striction Z qui est aux alentours des 40%.

Comme nous avions à disposition deux barres d’armature de même matériau avec une section différente, il semble tout à fait logique que pour les différents paliers, la charge appliquée soit plus élevée dans le cas de la barre à plus grande section. Néanmoins, la contrainte appliquée doit être la même puisqu’elle ne dépend pas des dimensions et se rapporte au degré de sollicitation du matériau. Ceci est en grande partie confirmé par les résultats : alors que la charge appliquée pour chaque palier est en moyenne 30% plus élevée pour la barre à plus grande section, la contrainte correspondante est plus ou moins la même que pour la barre a section réduite. Les faibles écarts entre ces valeurs sont dus à des imprécisions de mesures et peut être à des défauts du matériau. A noter qu’on retrouve ces 30% entre la grande section et la petite, ce qui est logique au vu de la formule σ = F / S0 (pour avoir une même contrainte, une augmentation de la section de 30% doit être compensée par une augmentation de la charge appliquée d’autant).




En ce qui concerne la rupture, on voit en l’observant et grâce aux mesures (notamment par le coefficient de striction Z), qu’il s’agit plutôt d’une rupture dite "mixte". Elle est caractérisée par une contraction latérale assez importante avant que n’intervienne la rupture à proprement parler.

Enfin, nous remarquons que la limite élastique donnée par le fabricant (à savoir 500 N/mm2) est amplement respectée puisqu’on atteint en moyenne les 550 N/mm2 avant d’entrer dans la zone plastique ; on possède ainsi une certaine marge de sécurité (presque 10%), toujours appréciable.

Conclusion

Au travers de cet essai, nous avons observé de quelle manière travaillent les barres d’armature en acier soumises à un effort de traction et l’évolution de leur comportement avec l’augmentation de la charge. Ceci est d’autant plus important que les barres d’armature sont conçues pour reprendre la traction que le béton n’est pas capable de reprendre, d’où le nom de béton armé. Leur rôle est donc primordial et elles se doivent de pouvoir le remplir. C’est avec ce type d’essai qu’il est possible de le vérifier.

Etant donné que dans les constructions on ne désire avoir ni de trop grandes déformations, ni des déformations irréversibles, les barres d’armature doivent rester dans leur domaine élastique : la limite d’élasticité de l’acier utilisé est alors le critère majeur. Dans cette optique, nous avons pu vérifier que les 500 N/ mm2 spécifiés par le constructeur étaient bien respectés puisque nous avons obtenus, pour chaque barre testée, une valeur supérieure (en moyenne 550 N/mm2).

Enfin, nous avons constaté que les barres d’armature possèdent toutes une zone plastique assez longue, ce qui signifie qu’elles sont faites d’un acier suffisamment ductile, critère important pour la sécurité des usagers.

Un autre moyen de s’assurer de la ductilité d’un matériau est de passer par le test de résilience, étudié dans la deuxième partie ci‐dessous.



3. Essai de flexion par choc sur barreau entaillé (résilience)

Introduction

Parmi l’arsenal d’essais dont dispose l’ingénieur dans son étude du comportement mécanique des matériaux, les essais de flexion ont une grande importance. Nous en distinguons deux types : l’essai de flexion statique – où l’on augmente progressivement la charge appliquée – et l’essai de flexion dynamique.

Dans ce deuxième essai, nous mesurons la résilience d’un matériau, notée KV [J], définie comme l’énergie nécessaire à la rupture par choc d’une éprouvette entaillée à l’avance. L’énergie de rupture peut être obtenue grâce à d’autres essais, en intégrant la fonction force – allongement, comme avec l’essai de traction, mais il est plus facile d’utiliser l’essai de flexion par choc sur barreau. Notons aussi que le mode de chargement des deux essais sont différents, d’où la différence de l’énergie mesurée. Nous utiliserons dans cet essai des éprouvettes de différentes températures, pour mettre en évidence l’effet de ce facteur sur l’énergie de rupture de l’acier.

Il existe trois type d’entailles différentes : en "U", en "V" et en "Y", que l’on choisit suivant le mode de rupture du matériau. L’entaille en "U "est utilisée pour un matériau fragile, comme le verre, pour avoir une concentration de contrainte plus faible puisque mieux répartie. En revanche pour les entailles en "Y", on amorce la rupture en imposant l’endroit de la "fissure initiale", ce qui se révèle efficace pour un matériau ductile, dans lesquels les fissures s’amorcent difficilement. L’entaille en "V" se trouve entre ces deux extrêmes, car elle augmente la concentration de contraintes, sans pour autant atteindre celle de l’entaille en "Y".

Méthode

Nous utilisons le "mouton de Charpy" durant cet essai : c’est un dispositif composé d’un marteau qui vient percuter l’éprouvette. L’entaille est dirigée du côté opposé de l’endroit où a lieu le choc.

Le marteau, accroché à une hauteur h0, est alors relâché. Celui‐ci percute l’éprouvette et lui transmet une partie de l’énergie cinétique acquise lors de sa chute et correspondant à l’énergie potentielle initiale. L’énergie perdue par le marteau lors du choc correspond à l’énergie de rupture de l’éprouvette, car on néglige le frottement de l’axe, de l’air et l’énergie dégagée sous forme de bruit et de chaleur. Il poursuit sa trajectoire, mais en s’élevant moins haut que son point de départ, à une hauteur h1.

La résilience est donc la différence entre l’énergie potentielle initiale et celle finale. Elle est mesurable grâce à la différence de hauteur entre le point de départ du marteau et son point d’arrêt.

KV = mg(h0 – h1)


Figure 1 ‐ Mouton de Charpy (g.) et appui de l'éprouvette vue d'en haut (dr.) ‐ tiré du cours du Dr. Scrivener

Dans la manipulation des éprouvettes et pour une question de sécurité, il faut faire attention à ne pas se mettre dans la trajectoire du marteau.

Pour mettre en évidence l’influence de la température, une assez large gamme d’éprouvettes est mise à disposition pendant cet essai : deux éprouvettes à ‐196 °C baignant dans de l’azote liquide, deux éprouvettes à ‐78°C recouvertes de neige carbonique, deux éprouvettes à 0°C placées dans de l’eau glacée, deux éprouvettes à température ambiante (24°C), et trois paires d’éprouvettes dans des bains thermostatiques à 40, 60 et 100 °C respectivement. Il faut faire attention à ne pas entrer en contact direct avec les éprouvettes à températures extrêmes. Pour cela, on utilise des gants et des pinces, sans oublier les lunettes de protection contre les éclats provenant des éprouvettes.

Les éprouvettes doivent respecter des normes qui déterminent entre autres leurs dimensions et la profondeur de l’entaille. Il faut aussi mentionner que dans cet essai, on utilise des éprouvettes en acier composé de 0.15 % de carbone, acier couramment utilisé dans la fabrication d’armatures de béton. Les éprouvettes sont entaillées en "V".

Image 2 – Mouton de Charpy




Résultats et interprétation

Éprouvette N° Température [°C] Énergie [J] Surfaces de rupture

Fragile Mixte Ductile1 ‐196 2 X 2 ‐196 2 X 3 ‐78 3 X 4 ‐78 4 X 5 0 8 X 6 0 13 X 7 24 132 X 8 24 (138) X 9 40 136 X 10 40 (126) X 11 60 (138) X 12 60 138 X 13 100 (134) X 14 100 (130) X

Tableau 2 ‐ Résultats du test de résilience du premier groupe

Éprouvette N° Température [°C] Énergie [J] Surfaces de rupture

Fragile Mixte Ductile1 ‐196 2.5 X 2 ‐196 2 X 3 ‐78 4 X 4 ‐78 4 X 5 0 10 X 6 0 12 X 7 24 (140) X 8 24 138 X 9 40 133 X 10 40 135 X 11 60 134 X 12 60 (145) X 13 100 131 X 14 100 (133) X

Tableau 3 ‐ Résultats du test de résilience du deuxième groupe

Certains échantillons ne se sont pas entièrement brisés après choc, de sorte que l’on ne peut pas à proprement parler de rupture. S’il était possible par la suite de les casser à la main, l’énergie supplémentaire nécessaire pour le casser est faible et donc négligeable : on peut donc retenir la valeur telle quelle. Dans le cas contraire, cette énergie supplémentaire est non négligeable, la valeur obtenue grâce au mouton de Charpy est donc une approximation : la valeur est gardée, mais mise entre parenthèses.



KV [J]

T [°C]

Graphique 3 ‐ Résilience en fonction de la température (groupe 1)

KV[J]

T

Graphique 4 ‐ Résilience en fonction de la température (groupe 2)


Sur nos graphiques, nous distinguons trois zones différentes, une première zone à basse résilience, une seconde à haute résilience, et une zone de transition marquée. Du coup, l’identification des éprouvettes ductiles et fragiles devient possible. En effet, un matériau ductile demande une grande énergie de rupture, puisqu’avant que celle‐ci n’intervienne, il faut le déformer de manière importante. Au contraire, une rupture fragile nécessite très peu d’énergie, car il suffit qu’une fissure se forme et se propage.

Dans notre cas, on observe deux paliers bien distincts : celui des températures supérieures à 20°C (rupture ductile) et celui des températures inférieures à 0°C (rupture fragile). Entre les deux, on remarque la zone de transition fragile‐ductile violente, puisque sur un intervalle relativement court de 20°C, la résilience varie de 120 J.

Nous remarquons aussi que sur les échantillons à basse température, les plans de rupture sont réguliers et brillants, ce qui témoigne d’un mode de rupture fragile : les fissures suivent les plans de glissement entre les cristaux, et nous offrent des clivages qui réfléchissent bien la lumière. En revanche avec les éprouvettes à haute température, les plans de rupture ne sont pas du tout réguliers. En effet, nous observons dans ce cas des déformations plus accrues que celles des surfaces de rupture des éprouvettes à basse température. Nous avons plutôt des cavités qui se forment autour d’imperfections et de joints de grains et qui croissent jusqu’à la rupture, d’où le mauvais réfléchissement de la lumière, donc l’aspect mat : ceci illustre bien le mode de rupture ductile. Nous n’avons pas pu observer de rupture mixte étant donné que les températures de nos échantillons ne se situaient pas dans l’intervalle de transition. Nous proposons donc d’ajouter une paire d’éprouvettes à une température de 10°C pour avoir un tel mode de rupture.

Figure 2 – Mode de rupture fragile et réflexion de la lumière sur des plans (aspect brillant) (g.) ; mode de rupture et lumière "emprisonnée" dans les multiples cavités (aspect mat) (dr.)

Par ailleurs, nous venons aussi de mettre en évidence que la zone de transition fragile‐ductile se trouve dans une zone de températures plus ou moins ambiantes, fréquentes sous nos climats. Ainsi, les



différences de température entre l’été et l’hiver pourraient bien compromettre la sécurité structurale du béton armé en agissant sur les barres d’armature. Pour pallier à ces sérieux problèmes, il est possible, par diverses méthodes, de déplacer la courbe vers la gauche, pour étendre le domaine ductile aux températures ambiantes envisagées.

Il faut aussi savoir que les températures de la zone de transition dépendent de plusieurs facteurs, parmi lesquels le mode de fabrication et d’assemblage des pièces en acier, la fatigue, la surcharge... Prenons par exemple le cas de la classe de bateaux "Liberty Ships", construits pendant la Seconde Guerre mondiale : le soudage entraîne la formation de martensite, plus fragile que le reste de l’acier, et en plus il incorpore des impuretés dans l’acier, comme l’hydrogène, l’oxygène et le soufre, ce qui a conduit à un déplacement de la courbe de résilience plus à droite, et donc à la "fragilisation" des pièces du bateau dans les eaux froides : de nombreux bateaux se sont rompus sous leur propre charge. On veille de nos jours à ce que le soudage ne pollue pas l’acier en ajoutant des gaz protecteurs.

Image 3 – Rupture fragile d’un "Liberty Ship"

On peut complètement faire disparaître cette zone de transition par un ajout massif de chrome et de nickel dans les aciers austénitiques : on a un acier inoxydable.




Conclusion

Outre le comportement de l’acier vis‐à‐vis d’une sollicitation par un choc, nous avons mis en évidence le rôle que peut jouer l’environnement sur ce comportement. Il est donc important de prendre ce facteur en compte lors de la conception des structures en acier et des armatures du béton : les exigences d’un acier qui servira au Canada différeront donc de celles d’un acier que nous utiliserons dans les pays du Golfe. Veillons donc à ce que la zone de transition se situe en‐deçà des températures ambiantes possibles dans un lieu donné. Dans notre cas, il s’agit d’un acier "bas de gamme", car il n’est pas adapté aux pièces fortement sollicitées puisqu’il peut devenir fragile à température ambiante. Notons que les aciers qui ne présentent pas de zone de transitions ne connaissent pas ce problème.

Gardons‐nous bien de confondre résilience et résistance d’un matériau : ces deux notions mesurent des grandeurs physiques différentes et ne sont a priori pas liées. En effet, les températures environnantes n’influencent pas la résistance, mais juste la résilience, donc le mode de rupture (fragile ou ductile).



4. Conclusion Au terme de notre rapport, nous avons soumis des échantillons en acier à différentes sollicitations nous permettant de juger ses qualités comme matériau de construction.

Dans la première partie, un essai de traction a été réalisé sur des barres d’armature de sections différentes. Cela nous a permis de vérifier plusieurs points quant à leur comportement lorsqu’elles sont soumises à un effort de traction. Nous avons constaté que cet acier possède une limite élastique plutôt élevée, même supérieure à la valeur indiquée par le constructeur, ce qui est rassurant au vu des défauts éventuels que peut présenter un tel matériau. Il fallait également s’assurer d’avoir une zone de déformation plastique assez étendue pour garantir la sécurité des usagers en cas de dépassement de la limite d’élasticité ‐ considérée comme la limite de service. Ceci fut le cas et ces barres satisfont donc nos exigences. Enfin, la résistance maximale de ce matériau très prisé dans le domaine de la construction en fait un candidat idéal pour reprendre les efforts de traction du béton.

Dans la seconde partie, nous avons établi l’influence de la température sur la résilience, donc le mode de rupture, de nos échantillons en acier. Nous retiendrons que lors de cet essai de flexion dynamique, l’intervalle de températures entre les zones fragile et ductile est assez court puisqu’il couvre 20 °C environ. Il nous a également permis de mettre en évidence que la zone de transition (et donc une partie de la zone de rupture fragile) peut se situer aux températures ambiantes ce qui peut provoquer, en hiver par exemple, des ruptures (fragiles) inattendues alors qu’en été, la rupture (ductile) aurait été annoncée. Il existe de nos jours des types d'aciers et des méthodes de traitement qui vont au delà de ce problème, garantissant la ductilité souhaitée sur un plus large intervalle de températures en déplaçant la courbe de résilience vers les basses températures ou en éliminant purement et simplement la zone de transition. A l’ingénieur d’adapter au mieux l’acier aux besoins locaux pour éviter ce genre de catastrophe.

Ce travail nous a donc permis de mettre en pratique ce que nous avions appris de manière théorique en cours et de nous en servir pour analyser les résultats.


5. Annexes

Graphique 6 – Essai de traction : graphiques tracés par la machine (à g. barre d’armature à petite section, à dr. barre d’armature à grande section)



Graphique 6 – Essai de résilience : graphique fait en laboratoire




Signatures

Berney Joël

Contat François‐Joseph

Duc Axel

Kayser Guillaume Kourosh F.

Peguiron Florence

Radi Moncef

Roubaty Quentin

Tinguely Loïc

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