Essai de flexion

Les essais de flexion sont réalisés pour obtenir des informations sur les propriétés de flexion des matériaux destinés à un usage industriel ou à la recherche et au développement. Pour ce faire, différents moyens de contrôle sont utilisés.

Un essai de flexion (essai de traction par flexion) est une méthode permettant de tester la résistance au pliage et d'autres propriétés importantes des matériaux. La caractérisation de matériaux destructifs est utilisée pour les plastiques, les plastiques renforcés de fibres (PRF), les métaux et les matériaux céramiques. Les essais de flexion sont similaires dans leur déroulement. En fonction du nombre de points de pression et du support du spécimen testé, une distinction est faite entre les éléments suivants :

• essai de flexion en 1 point
• essai de flexion en 3 points
• essai de flexion en 4 points

Dans les essais de flexion, des spécimens standardisés, généralement cylindriques, sont placés au centre du moyen de contrôle. Les rouleaux d'appui arrondis (roulements) sont disposés parallèlement les uns aux autres à une certaine distance (largeur d'appui). Le diamètre du spécimen cylindrique est proportionnel à la largeur de l'appui des roulements. Le poinçon d'essai, qui descend lentement et à une vitesse constante, charge l'échantillon avec une force croissante jusqu'à ce qu'il se brise ou atteigne la déformation déterminée précédemment. La charge maximale exercée lors de l'essai de flexion est appelée force de rupture.

Pendant l'essai, les valeurs de la force de flexion et de la déviation sont enregistrées. Les caractéristiques du matériau sont ensuite déterminées. L'ensemble de la séquence d'essai est représenté par une courbe contrainte-déformation et peut également être enregistré à l'aide d'une caméra vidéo. Les essais de flexion sont réalisés pour obtenir des informations sur le comportement au pliage du matériau testé à partir de la contrainte de pliage sur un seul axe. Dans le cas de matériaux fragiles, la résistance au pliage est déterminée de cette manière. Dans le cas des matériaux flexibles, la limite d'élasticité, le plus grand angle de pliage possible ainsi que le module de Young sont déterminés en cas d'une déformation élastique.

Lors de caractérisations de matériaux par essai de flexion, les systèmes de mesure sans contact modernes dotés de caméras à haute résolution fournissent des images précises du spécimen testé. Pour la documentation de spécimens plats, les appareils dotés d'une seule caméra sont généralement suffisants. Des géométries d'échantillons plus complexes peuvent être mesurées avec précision à l'aide de deux caméras. Le testeur de matériaux applique d'abord un modèle de points stochastiques à l'échantillon ou utilise la structure de surface existante. Les systèmes de mesure sans contact utilisent des algorithmes de corrélation d'images : dans les images à haute résolution, ils reconnaissent la déformation causée par l'essai de flexion et calculent ensuite la déviation à l'aide des coordonnées des pixels du modèle de points.

Si la contrainte de pliage dans l'échantillon constitué d'un matériau flexible est inférieure à la contrainte limite de la déformation plastique, la contrainte de pliage est exclusivement élastique. Lorsque la contrainte de pliage augmente, la limite d'élasticité (contrainte critique) est d'abord dépassée dans les zones périphériques du spécimen. Ces zones se déforment alors plastiquement (ce que l'on appelle l'écoulement de matière). Le point de limite d'élasticité est la contrainte de pliage limite jusqu'à laquelle des matériaux facilement déformables peuvent être chargés par pliage sans déformation permanente dans la zone marginale.

Le moment où ce type de déformation se produit peut être déterminé directement à partir du poinçon d'essai, la déviation étant mesurée par rapport à la force appliquée. Les valeurs déterminées sont affichées dans un diagramme déviation-force. Lorsque la déviation augmente régulièrement, de plus en plus de zones internes du spécimen sont impliquées dans la déformation plastique. C'est le résultat de l'augmentation de la contrainte. Pour les matériaux en acier, par exemple, le point de limite d'élasticité est de 10 à 20 % plus élevé que la limite d'élasticité en raison de l'augmentation linéaire de la contrainte. Si la limite d'élasticité est dépassée dans les fibres d'arête lors de l'essai de flexion, les fibres intérieures et exclusivement soumises à des contraintes élastiques entravent le mouvement de l'écoulement.

Les essais de flexion avec des matériaux flexibles sont différents de ceux réalisés avec des matériaux fragiles : les matériaux résistants peuvent être soumis à une déformation plastique extrême, mais ils ne peuvent pas être cassés, quelle que soit l'intensité de la force appliquée. Dans le pire des cas, le spécimen serait tiré entre les roulements. Par conséquent, un essai de flexion avec un échantillon flexible est terminé lorsque le point de limite d'élasticité est dépassé. La résistance au pliage des matériaux flexibles est déterminée par le moment où la déformation plastique se produit.

Les spécimens fabriquées à partir de matériaux fragiles présentent un comportement au pliage différent lors de la caractérisation matériaux. Ils se cassent sans que le comportement de l'écoulement des matériaux ne soit clairement visible. Par conséquent, il est plus compliqué de déterminer le point de limite d'élasticité pour les matériaux fragiles. Pour pouvoir néanmoins déterminer la résistance au pliage, il convient de déterminer la contrainte de pliage maximale à laquelle l'échantillon se rompt. Cependant, la résistance au pliage est une valeur fictive qui n'est pas identique à la contrainte de pliage qui se produit réellement dans le matériau. Une autre caractéristique des essais de flexion avec des matériaux fragiles est la déviation de la rupture. Ce terme technique décrit la plus grande déviation possible d'un spécimen peu avant la rupture.

La déviation de la rupture dépend de la largeur du support. En effet, des distances plus importantes entre les roulements permettent des déviations plus importantes. Pour vérifier la résistance des matériaux fragiles, l'essai de flexion est souvent plus approprié que l'essai de traction. En effet, les matériaux ne sont soumis qu'à une contrainte de pliage. Si cet échantillon était soumis à un essai de traction, il se briserait prématurément et des problèmes de mesure apparaîtraient. Pour certains matériaux fragiles, l'essai de traction est donc remplacé par l'essai de flexion. Selon la norme DIN EN ISO 178, ces matériaux critiques comprennent les feuilles et les matériaux de moulage thermodurcissables, les composés thermoplastiques de moulage par injection et les plastiques renforcés par des fibres.

Lors de l'essai de flexion des matériaux, on distingue les essais de flexion en 1, 3 et 4 points, en fonction du nombre de points de pression et du type de support du spécimen.

Les essais de flexion sont réalisés avec des échantillons normalisés et trois ou quatre points de pression (essai de flexion en 3 ou 4 points). Ils entraînent soit la destruction du spécimen, soit sa déformation plastique (uniquement pour les matériaux ductiles). La dernière génération de métrologie sans contact fournit des résultats beaucoup plus précis que les procédures de mesure conventionnelles.