La norme ASTM E399, développée par l'American Society for Testing and Materials (ASTM), décrit une méthode d'essai pour déterminer la ténacité à la rupture des matériaux métalliques dans des conditions principalement élastiques linéaires et de contrainte plane, en utilisant des spécimens pré-fissurés par fatigue d'une épaisseur de 1,6 mm ou plus.
Dans cette méthode, les échantillons sont soumis à des forces de déplacement de fissure qui augmentent lentement ou, dans certains cas (sélectifs), rapidement. La présente norme décrit en détail l'appareillage d'essai, la configuration des échantillons et le protocole expérimental. Deux procédures de calcul de la ténacité à la rupture à partir de données expérimentales sont présentées :
Des essais de ténacité à la rupture en traction plane peuvent être réalisés sur d'autres types d'échantillons pour des matériaux d'épaisseur inférieure à 1,6 mm et suffisamment fragiles. Il n'existe pas de méthode d'essai normalisée pour les matériaux aussi minces.
La norme ASTM E399 est une norme de mécanique de la rupture largement utilisée, développée pour déterminer la ténacité à la rupture en traction plane élastique linéaire des matériaux métalliques. La propriété fondamentale mesurée par cet essai est le KIc, qui décrit la résistance du métal à la propagation instable des fissures en présence d'une fissure aiguë sous une contrainte de traction sévère.
La ténacité à la rupture est particulièrement importante car un composant peut se rompre même si sa contrainte nominale est inférieure à la résistance à la traction ou à la limite d'élasticité conventionnelle du matériau, en présence d'une fissure ou d'un défaut suffisamment important.
La norme ASTM E399 spécifie les exigences relatives à la mesure de la ténacité à la rupture dans des conditions de contrainte plane et élastique linéaire prédominantes. Cette méthode utilise une éprouvette comportant une fissure de pré-fatigue et applique une force de déplacement de fissure croissante jusqu'à rupture.
Cette norme est principalement conçue pour les matériaux métalliques dont la zone plastique à l'extrémité de la fissure est suffisamment petite par rapport aux dimensions de l'échantillon. Cela permet de caractériser le comportement à la rupture à l'aide de la mécanique linéaire élastique de la rupture.
La norme ASTM E399 couvre KIc et propose également une procédure optionnelle pour déterminer KIsi dans des conditions spécifiées.
La ténacité à la rupture mesure la capacité d'un matériau à résister à la propagation des fissures. Elle diffère de la résistance à la traction. Alors que la résistance à la traction décrit la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter avant rupture, la ténacité à la rupture prend en compte l'effet combiné des facteurs suivants :
Un matériau à haute ténacité à la rupture peut résister à des fissures relativement importantes sans rupture catastrophique, contrairement à un matériau à faible ténacité à la rupture.
Le symbole KIc représente la ténacité à la rupture en traction plane d'un matériau. Cette valeur caractérise la résistance du matériau à la rupture en milieu neutre lorsqu'il est soumis à une fissure aiguë et à des conditions proches d'un comportement élastique linéaire en traction plane. Cette norme précise que, pour l'interprétation prévue de KIc, la zone plastique en pointe de fissure doit rester petite par rapport à la taille de la fissure, à l'épaisseur de l'éprouvette et à la quantité de tissu conjonctif restant.
Lorsque la concentration de contraintes atteint la limite de rupture critique du matériau dans les conditions de contrainte plane prévalant, une propagation instable des fissures peut se produire.
La procédure normalisée ASTM E399 suit généralement les étapes de base suivantes :
La norme ASTM E399 définit les exigences relatives à différentes configurations d'éprouvettes. La dernière version inclut notamment les éléments suivants :
La configuration d'échantillon choisie dépend du matériau, du volume de matériau disponible, de la géométrie du composant et des exigences du laboratoire.
Un des aspects les plus importants de la norme ASTM E399 est la création d'une fissure suffisamment acérée avant l'essai de rupture final. Une entaille usinée ne reproduit pas nécessairement l'acuité et la concentration de contraintes d'une fissure naturelle. Par conséquent, l'éprouvette est soumise à un chargement cyclique contrôlé afin d'élargir l'entaille et de créer une fissure de pré-fatigue. Ceci permet d'obtenir des conditions plus réalistes à l'extrémité de la fissure pour les essais de mécanique de la rupture.
Plusieurs mesures sont essentielles dans la norme ASTM E399 :
La norme ASTM E399 est importante car la ténacité à la rupture est une propriété d'ingénierie essentielle pour les structures qui contiennent, ou sont susceptibles de contenir, des fissures et des défauts. Cette norme fournit une méthode contrôlée et reproductible pour évaluer cette propriété. Domaines d'application :
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