Table of Contents

Les essais mécaniques des plastiques sont un élément essentiel de la science et de l'ingénierie des matériaux qui fournissent des données essentielles pour la sélection des matériaux, le contrôle de la qualité et le développement des produits.Ces essais normalisés évaluent la façon dont les matériaux plastiques réagissent aux différents types de contraintes et de conditions de chargement, permettant aux ingénieurs et aux fabricants de prendre des décisions éclairées sur l'aptitude des matériaux à des applications spécifiques.

Comprendre les essais mécaniques des plastiques

Les essais en plastique sont un ensemble de procédés diagnostiques qui évaluent les propriétés physiques, chimiques, thermiques et mécaniques des matériaux plastiques pour confirmer un prémisse de possibilités de rendement pertinentes et de considération des normes de l'industrie. Les principaux objectifs des essais mécaniques sont de déterminer les caractéristiques des matériaux, de déceler les faiblesses potentielles avant que les produits ne soient commercialisés et d'assurer le respect des normes de l'industrie et des exigences de sécurité.

L'objectif est de déterminer les caractéristiques de l'échantillon et de déceler les lacunes possibles avant de mettre les produits sur le marché ou de vendre des composants en plastique aux fabricants dans la chaîne de production. Les raisons plus précises pour effectuer un ensemble complet de tests mécaniques sont les suivantes : assurer le respect des normes nationales ou internationales et des exigences de sécurité et de qualité des clients.

Le choix des propriétés et des méthodes d'essai dépend de la composition du matériau plastique et de son utilisation prévue. Différents essais mécaniques sont effectués sur différentes formes de plastique, comme les films d'emballage par rapport aux composants moulés par injection, car chaque application exige des caractéristiques de performance spécifiques.

Protocoles de normalisation et d ' essai

Les normes d'essais mécaniques sont publiées par divers organismes internationaux et nationaux de normalisation, dont l'ISO, l'ASTM et la DIN. Les normes ASTM, les normes ISO et de nombreuses normes nationales qui en découlent établissent la méthodologie et les paramètres-cadres pour les essais de plastiques, sans lesquels il n'est pas possible de reproductibiliser les propriétés des laboratoires d'essais, des fournisseurs et des clients.

Les normes applicables aux plastiques sont pour la plupart spécifiques à l'industrie – et pratiquement innombrables, car les matériaux à base de polymères sont si largement utilisés. Dans certains cas, des normes différentes peuvent même s'appliquer à des produits similaires au sein d'une même industrie. Par exemple, l'industrie automobile présente un défi unique où chaque fabricant peut avoir ses propres exigences d'essai pour les composants en plastique.

Les normes les plus fréquemment citées pour les essais en plastique sont ASTM D638 pour les propriétés de traction, ISO 527 pour les essais de traction, ASTM D790 et ISO 178 pour les propriétés flexurales, ASTM D256 pour les essais de choc Izod et ISO 179 pour les essais de choc Charpy.

Types complets d'essais mécaniques

Essais de traction

Les essais de traction sont le type le plus courant effectué avec un équipement universel d'essai pour évaluer diverses propriétés mécaniques qui fournissent des informations essentielles sur les matériaux plastiques. Cette méthode d'essai est utilisée pour évaluer le comportement des plastiques lorsqu'ils sont soumis à une contrainte de traction uniaxiale.

La norme ASTM D638 décrit la méthode d'essai pour déterminer les propriétés de traction des plastiques renforcés et non renforcés. Elle aide à déterminer les propriétés mécaniques essentielles, y compris la contrainte de traction, la déformation, le module de traction, la résistance à la traction, la résistance à la traction au rendement et la résistance à la traction à la rupture.

Les données de charge et de déformation sont traduites en une courbe contrainte-souche à partir de laquelle on peut extraire une gamme de propriétés de traction. Cette courbe contrainte-souche fournit une image complète de la façon dont le matériau se comporte sous charge traction, de la déformation élastique initiale à la déformation du rendement, en passant par la déformation plastique et finalement à la défaillance.

La préparation des spécimens est essentielle pour obtenir des résultats précis des essais de traction. ASTM D638 contient des informations sur la forme et la taille des spécimens, les procédures d'essai, y compris les conditions environnementales, ainsi que les exigences de précision pour les machines d'essai et les extensomètres correspondants.

Essais flexibles

BS EN ISO 178 définit une méthode de charge en 3 points pour déterminer les caractéristiques de flexion dans les polymères rigides et semi-rigides. Cette méthode peut être utilisée pour analyser le comportement de flexion et calculer la résistance flexionnelle, le module et d'autres paramètres de relation contrainte/souche de flexion.

Un échantillon rectangulaire de coupe transversale assis sur deux supports est dévié par un nez de chargement qui fonctionne sur l'échantillon au milieu des deux supports. L'échantillon est dévié jusqu'à ce qu'il se rompe sur son bord extérieur ou atteint une tension flexionnelle maximale de 5%, selon la première éventualité. Cette configuration de flexion à trois points crée une combinaison de contraintes de traction, de compression et de cisaillement à l'intérieur de l'échantillon.

Cette méthode d'essai permet de déterminer la résistance et les propriétés de changement dimensionnel des plastiques lorsqu'ils sont soumis à une charge de trois points. La charge de trois points produit des contraintes de traction, de compression et de cisaillement dans l'échantillon. L'essai de flexion est particulièrement utile pour les matériaux trop souples ou trop fragiles pour être testés efficacement en tension ou compression pure.

Ces procédures d'essai portent sur la détermination des propriétés flexurales des plastiques renforcés et non renforcés, y compris les matériaux isolants électriques et les composites à haut module, sous forme de barres rectangulaires moulées directement ou découpées à partir de formes, de plaques ou de feuilles moulées. Ces procédures d'essai s'appliquent généralement aux matériaux semi-rigides et rigides.

Essai de compression

La norme ISO 604 s'applique aux essais de compression de plastiques rigides et semirigides. Cette procédure d'essai porte sur la détermination des propriétés mécaniques des plastiques rigides renforcés et non renforcés, y compris les composites à haut module, lorsqu'ils sont chargés en compression à des taux de charge ou de déformation relativement faibles.

Le déplacement du matériau est calculé en fonction de la charge appliquée pour déterminer les propriétés compressives comme la résistance à la compression et le module. Lors des essais de compression, un spécimen est placé entre deux plaques parallèles et soumis à une charge compressive croissante jusqu'à ce qu'une défaillance se produise ou qu'une déformation prédéterminée soit atteinte.

Les essais de compression sont particulièrement importants pour les matériaux utilisés dans les applications structurelles, les composants porteurs et les matériaux d'emballage. L'essai peut révéler différents modes de défaillance, y compris le flambage, le cisaillement ou le concassage, selon la géométrie de l'échantillon et les propriétés du matériau.

Essais d'impact

Les essais d'impact permettent de mesurer l'énergie absorbée par un matériau pendant la rupture et de fournir des informations sur sa ténacité. Les essais d'impact permettent d'évaluer la capacité d'un matériau à résister à des conditions de charge soudaines et à grande vitesse, ce qui est critique pour les applications où des matériaux peuvent subir des charges de choc ou des chocs soudains pendant le service.

Dans le cas des plastiques solides, les essais sont généralement effectués en frappant l'échantillon avec un marteau (essais de choc Charpy ou Izod). Pour les films, un essai de choc typique est effectué avec la méthode de fléchette à chute libre.

L'essai de choc Izod est un essai rapide et simple pour faciliter une évaluation comparative des matériaux. Il est notamment utilisé pour étudier les effets de la formulation modifiée, du mélange ou du moulage par injection sur l'échantillon. Différents effets peuvent être simulés en variant la température et la forme de l'entaille. L'essai Izod utilise un échantillon encoché serré verticalement, le pendule frappant l'échantillon sur le même côté que l'entaille.

L'essai de choc Charpy est un essai rapide et simple qui facilite une évaluation comparative du matériau. Il sert notamment à étudier les effets de la formulation modifiée, du mélange ou du moulage par injection sur l'échantillon. Dans l'essai Charpy, les échantillons sont soumis à une contrainte dans un ensemble semblable à l'essai de chargement à trois points et brisés dès qu'ils sont suffisamment cassants.

Ces procédures d'essai portent sur la détermination de la résistance des plastiques aux marteaux de type pendule « normalisé », montés sur des machines « normalisées », dans le cas de la rupture d'échantillons standard avec un balançoire. Les essais standard pour ces routines d'essai exigent des échantillons faits avec un cran fraisé. Dans les procédures d'essai A, C et D, le cran produit une concentration de contrainte qui augmente la probabilité d'une fracture fragile plutôt qu'un ductile.

Essais mécaniques supplémentaires

Outre les essais mécaniques primaires, plusieurs essais spécialisés fournissent des informations supplémentaires sur les propriétés des matériaux plastiques. Les essais de dureté mesurent la résistance d'un matériau à l'indentation et à la déformation de surface. Les essais de résistance à la déchirure évaluent la facilité avec laquelle les films et les matériaux flexibles peuvent être déchirés.

L'analyse mécanique dynamique (DMA) est une autre méthode d'essai utile. L'analyse mécanique dynamique (DMA) est une autre méthode utilisée pour évaluer les propriétés thermiques des plastiques. DMA fournit également des informations sur les propriétés viscoélastiques du matériau, les températures de transition, et bien plus encore. Cette technique applique la contrainte oscillante à un spécimen tout en mesurant sa réponse, fournissant des informations sur la façon dont les matériaux se comportent dans des conditions de charge cyclique.

Calculs essentiels dans les essais mécaniques

Calculs du stress

Le stress est l'un des calculs les plus fondamentaux dans les essais mécaniques. Le stress, ε, est donné par f/A, où A = a x b. En termes plus simples, le stress est égal à la force appliquée divisée par la surface transversale sur laquelle la force est répartie. Ce calcul fournit une mesure normalisée des forces internes dans un matériau, permettant des comparaisons significatives entre des spécimens de différentes tailles.

Dans le Système International d'Unités (SI), le stress est généralement exprimé en Pascals (Pa), en mégapascals (MPa) ou en gigapascals (GPa), où 1 MPa équivaut à 1 million de Pascals et 1 GPa équivaut à 1 milliard de Pascals. Dans le système impérial, le stress peut être exprimé en livres par pouce carré (psi).

Le calcul de la contrainte doit tenir compte de la surface de section transversale réelle au point de mesure. Pour les essais de traction, cela devient particulièrement important lorsque la section transversale de l'échantillon change au cours de l'essai. La contrainte technique utilise la surface de section transversale originale, tandis que la vraie contrainte utilise la surface de section transversale instantanée, qui diminue lorsque l'échantillon s'allonge.

Calculs de la souche

La souche de traction γ est égale au changement de longueur, γc/c. La souche représente la déformation d'un matériau par rapport à ses dimensions d'origine et est exprimée en un rapport sans dimension ou en pourcentage. Le calcul consiste à diviser le changement de longueur par la longueur d'origine de l'échantillon.

La mesure précise de la déformation nécessite une détermination précise de la longueur de la jauge d'origine et de la variation de la longueur au cours de l'essai. Ceci est généralement effectué à l'aide d'extensomètres, qui sont des instruments spécialisés qui se fixent à l'échantillon et mesurent le déplacement avec une grande précision.

L'ASTM D638 calcule le module en utilisant la partie linéaire de la courbe contrainte-souche, en divisant la contrainte par la contrainte correspondante. Différentes normes peuvent spécifier différentes gammes de contraintes pour des calculs spécifiques, en soulignant l'importance de suivre la norme appropriée pour votre application.

Comme la contrainte, la déformation peut être calculée comme une déformation technique (basée sur les dimensions originales) ou une vraie déformation (basée sur les dimensions instantanées).

Le module de Young (Module élastique)

Le module de traction (Young's ou Secant ou 2%) est donné par Esecant = γ/γ. Le module de Young, appelé aussi module élastique ou module d'élasticité, représente la rigidité d'un matériau dans la région élastique.

Le module de Young est calculé à partir de contraintes divisées par la déformation, et les valeurs réelles sont équivalentes aux valeurs nominales pour les petites déformations. Ce calcul fournit la pente de la courbe contrainte-souche dans la région élastique linéaire, indiquant la quantité de contraintes nécessaires pour produire une quantité donnée de déformation.

Le module d'élasticité (E module) sert de paramètre pour comparer différents matériaux et est une mesure de rigidité. Les matériaux à haute valeur de module sont rigides et résistent à la déformation, tandis que les matériaux à faible valeur de module sont flexibles et se déforment facilement sous la charge. Le module est exprimé dans les mêmes unités que la contrainte (généralement MPa ou GPA) puisque la déformation est sans dimension.

Le module est mesuré en calculant la contrainte et en divisant par allongement, et serait mesuré en unités de contrainte divisées par des unités de ... Si la pente est raide, l'échantillon a un module de traction élevé, ce qui signifie qu'il résiste à la déformation. Si la pente est douce, alors l'échantillon a un module de traction faible, ce qui signifie qu'il est facilement déformé.

Il existe différentes méthodes pour calculer le module en fonction du comportement du matériau. Le module de séparation dessine une ligne de zéro à un point spécifique de la courbe contrainte-souche, tandis que le module de tangente utilise la pente à un point donné. ISO 527-2 exige que le module soit mesuré entre 0,05 % et 0,25 %.

Calculs de la résistance à la traction

Résistance à la traction – La contrainte maximale obtenue par le matériau. La résistance à la traction est la contrainte de traction la plus élevée qu'un spécimen puisse atteindre lors d'un essai de traction. Ceci représente la capacité de charge ultime du matériau dans des conditions de charge de traction.

La résistance à la traction est la capacité du matériau plastique à résister à une quantité maximale de contrainte de traction sans défaillance. La contrainte se produit lorsque le matériau est tiré ou étiré. C'est le point où un matériau passe de la déformation élastique à la déformation plastique. Le calcul consiste à déterminer la force maximale enregistrée pendant l'essai et à diviser par la surface transversale d'origine.

Cette résistance à la traction peut se produire à un point d'élasticité, auquel cas elle est appelée résistance à la traction au point d'élasticité. Si la résistance à la traction se produit peu avant la défaillance de l'échantillon, elle est appelée résistance à la traction à la rupture. La compréhension du type de résistance à la traction dépend le plus des exigences du comportement matériel et de l'application.

Calculs de la force de rendement

Le rendement est défini comme le point où le matériau passe de la zone de déformation élastique à la déformation plastique. Autrement dit, le point où le matériau commence à se déformer de façon permanente sous contrainte. La résistance au rendement représente le niveau de contrainte auquel le matériau commence à se déformer de façon permanente.

Résistance au rendement (A) : La contrainte qu'un matériau peut supporter sans déformation permanente. Pour les matériaux à point de rendement bien défini, cette valeur peut être lue directement à partir de la courbe contrainte-déformation. Cependant, de nombreux plastiques ne présentent pas de point de rendement net, nécessitant l'utilisation de la méthode de décalage.

La méthode de compensation, qui utilise généralement un décalage de 0,2 %, consiste à tracer une ligne parallèle à la partie élastique de la courbe contrainte-souche, mais compensée par une valeur de déformation spécifiée (habituellement 0,2 % ou 0,002). L'intersection de cette ligne avec la courbe contrainte-souche définit la résistance au rendement.

Élongation et inclinaison à la rupture

Élongation – La variation de la longueur de la jauge par rapport à la longueur de la jauge initiale jusqu'à ce que l'échantillon produise des résultats; une valeur plus élevée indique une ductilité plus grande.

Le calcul consiste à mesurer la longueur finale de la jauge au point de rupture, à soustraire la longueur initiale de la jauge, à la diviser par la longueur initiale de la jauge et à la multiplier par 100 pour exprimer en pourcentage.

Pour les plastiques et plastiques fragiles qui ne présentent pas de point de rendement, la déformation à rupture est mesurée directement avec un extensomètre de mesure mécanique ou sans contact. Dans le cas des thermoplastiques qui présentent un point de rendement, la déformation nominale à rupture est mesurée à partir du déplacement de la poignée de traction de la machine d'essai. Cette distinction est importante parce que les matériaux que le cou ou le rendement peut concentrer la déformation dans une région localisée, rendant les mesures extensométriques peu fiables pour l'allongement total.

Calculs de l'énergie d'impact

L'énergie d'impact représente l'énergie totale absorbée par un échantillon au cours des essais d'impact. Cependant, la seule valeur déterminée est l'énergie d'impact consommée. Cette énergie est calculée à partir de la différence d'énergie potentielle du pendule avant et après avoir heurté l'échantillon.

Les résultats de toutes les procédures d'essai sont présentés en termes d'énergie absorbée par unité de largeur de l'échantillon ou par unité de surface transversale sous l'entaille. Cette normalisation permet une comparaison significative entre les échantillons de différentes tailles. L'énergie d'impact est généralement exprimée en joules par mètre (J/m) ou en pieds livres par pouce (pi-lb/in).

Le calcul de la résistance à l'impact tient compte des dimensions de l'échantillon, en particulier de la largeur et de l'épaisseur à l'endroit où se trouvent les spécimens encochés.

Résistance et module de la flexurité

La résistance flexible représente la contrainte maximale dans les fibres extérieures d'un spécimen pendant la flexion. Le calcul utilise des équations de théorie du faisceau qui tiennent compte de la charge appliquée, des dimensions de l'échantillon et de la portée de support. Pour un essai de flexion en trois points, la contrainte flexurale est calculée à l'aide de la formule qui incorpore la charge, la longueur de l'échelle, la largeur de l'échantillon et l'épaisseur de l'échantillon.

Le module flexible est calculé à partir de la pente de la partie linéaire initiale de la courbe charge-déflaction, comme la façon dont le module de traction est déterminé à partir de la courbe contrainte-déflaction. Le calcul convertit les données charge-déflaction en données contrainte-déflaction en utilisant la géométrie de l'échantillon et la configuration d'essai, puis détermine la pente dans la région élastique.

La courbe de contrainte : un outil d'analyse complète

La courbe contrainte-déformation est la représentation graphique principale des données d'essai mécanique et fournit une foule d'informations sur le comportement matériel. Les données de charge et de déformation sont traduites en une courbe contrainte-déformation d'où une gamme de propriétés de traction peut être extraite. Comprendre comment lire et interpréter cette courbe est essentiel pour une analyse appropriée des résultats d'essai mécanique.

Région élastique

La partie initiale de la courbe contrainte-souche représente la région élastique, où le matériau se déforme de façon réversible. Déformation élastique : Le matériau revient à ses dimensions originales. La déformation est réversible et non permanente. Valable pour les petites souches. Dans cette région, la relation entre contrainte et déformation est linéaire, et la pente de cette portion linéaire égale le module de Young.

Lorsque la contrainte est enlevée dans la région élastique, le matériau revient complètement à ses dimensions originales sans déformation permanente. Ce comportement est régi par l'étirement et la compression des liaisons atomiques dans le matériau, qui agissent comme des ressorts microscopiques.

Point de rendement

Les matériaux se déforment d'abord élastiquement lorsque vous relâchez le stress, et ils reviennent à leur forme originale. Ensuite, avec plus de force, ils se déforment plastiquement. C'est le rendement, c'est-à-dire quand vous relâchez le stress, ils ont été étirés de façon permanente dans une nouvelle forme.

Il mesure la contrainte que peut supporter un plastique au point d'écoulement, c'est-à-dire lorsqu'une augmentation de la contrainte n'est pas provoquée par une augmentation de la contrainte. Au-delà du point d'écoulement, le matériau commence à s'écouler de façon plastique, et une déformation permanente se produit même si la contrainte est enlevée.

Région plastique

Déformation plastique : Le matériau ne revient pas à ses dimensions d'origine. Ce processus est permanent et irréversible. Dans la région plastique, le matériau subit une déformation permanente lorsque les plans atomiques se glissent les uns les autres dans la structure du matériau.

La région plastique peut présenter un durcissement de la contrainte, où le matériau devient plus fort au fur et à mesure qu'il se déforme, ce qui entraîne une courbe de contrainte vers le haut.

Résistance et fractures de traction ultimes

Résistance ultime (B) : La contrainte maximale qu'un matériau peut supporter. Ce point représente le pic de la courbe contrainte-souche et indique la capacité de charge maximale du matériau. Au-delà de ce point, le matériau peut se colter ou commencer à échouer, et le stress diminue jusqu'à ce que la fracture finale se produise.

Enfin, ils se brisent, c'est-à-dire en fin de compte une tension ou un point de rupture. Le point de rupture ou de rupture représente la fin de la courbe contrainte-souche, où l'échantillon se sépare en deux morceaux.

Interprétation des résultats des essais mécaniques

Classification des matières fondée sur le comportement

Les résultats des essais mécaniques permettent de classer les matériaux en fonction de leur comportement de contrainte-souche. En général, les fibres ont les plus hauts modules de traction, et les élastomères les plus bas, et les plastiques ont des modules de traction quelque part entre les fibres et les élastomères.

Les plastiques rigides présentent un haut module et une forte résistance, mais un allongement limité. Ils peuvent résister à des contraintes importantes mais à des fractures relativement faibles.Par exemple, le polystyrène, le poly(méthacrylate de méthyle) et le polycarbonate.

Les plastiques flexibles présentent un module et une résistance modérés avec des capacités d'allongement plus élevées. Ils peuvent subir une déformation importante avant la rupture, ce qui les rend adaptés aux applications nécessitant une résistance à l'impact et à la ténacité.

Les élastomères comme le polyisoprène, le polybutadiène et le polyisobutylène ont un comportement mécanique complètement différent des autres types de matériaux. Les élastomères ont des moduli très faibles. Vous pouvez le voir à partir de la pente très douce de la parcelle rose, mais vous le saviez probablement déjà. Les élastomères peuvent subir de très grandes déformations et revenir à leur forme originale, ce qui les rend idéales pour les joints, joints et composants flexibles.

Force par rapport à la ténacité

La compréhension de la distinction entre résistance et ténacité est essentielle pour une bonne interprétation des résultats des essais mécaniques. La résistance se rapporte à la contrainte maximale que peut supporter un matériau, alors que la ténacité représente l'énergie totale absorbée avant la rupture, qui est liée à la zone sous la courbe contrainte-souche.

Bien qu'il soit bon pour les matériaux dans beaucoup d'applications d'avoir des modules élevés et résister à la déformation, dans le monde réel il est beaucoup mieux pour un matériau à plier que de casser, et si flexion, étirement ou déformation d'une autre manière empêche le matériau de casser, tout mieux. Donc, lorsque nous concevons de nouveaux polymères, ou de nouveaux composites, nous sacrifions souvent un peu de force pour rendre le matériau plus résistant.

Un matériau peut être fort mais pas dur (matériaux fragiles qui se fracturent à faible contrainte), ou dur mais pas particulièrement fort (matériaux ductiles qui se déforment largement). Le matériau idéal pour de nombreuses applications équilibre les deux propriétés, fournissant une résistance adéquate tout en maintenant une ténacité suffisante pour éviter une défaillance catastrophique.

Comparaison des résultats avec les spécifications

L'un des principaux objectifs des essais mécaniques est de vérifier que les matériaux satisfont aux exigences spécifiées, ce qui implique de comparer les résultats des essais aux spécifications des matériaux, aux normes de l'industrie ou aux exigences du client.

Les fabricants de plastique peuvent parfois tester des lots pour s'assurer que les propriétés mécaniques sont cohérentes. La température d'extrusion variable, la pression d'injection ou les taux de refroidissement seront transférés aux propriétés de traction. ASTM D638 est une méthode acceptée pour s'assurer que les matériaux répondent aux spécifications avant l'expédition.

Effets sur l'environnement et la transformation

Les propriétés mécaniques du plastique sont extrêmement sensibles à la température. Les résultats des essais doivent être interprétés dans le contexte des conditions d'essai, en particulier la température, l'humidité et le taux de déformation.

Il s'agit de données à court terme obtenues sur une période limitée et généralement dans des conditions de laboratoire idéales. En raison de la majorité des matériaux plastiques sensibles à la température, les conditions de travail probables du produit ou du composant doivent être prises en compte lors de l'étude des données de performance.

Les conditions de transformation affectent également de façon significative les propriétés mécaniques. Des facteurs tels que la température de moulage, le taux de refroidissement, l'orientation et la cristallinité influencent toutes les propriétés finales des pièces en plastique.

Analyse statistique et variabilité

Les résultats des essais mécaniques contiennent intrinsèquement un certain degré de variabilité en raison de l'hétérogénéité du matériau, des variations de la préparation des échantillons et des incertitudes des essais.

En règle générale, au moins cinq spécimens doivent être testés pour chaque condition afin d'obtenir des résultats statistiquement significatifs. Il faut identifier les valeurs aberrantes et les étudier pour déterminer si elles représentent la variabilité réelle du matériau ou les erreurs d'essai.

Considérations avancées en matière d'essais mécaniques

Essais de détermination de la température

L'essai est possible dans une plage de température allant de –40°C à +230°C. De nombreuses applications exigent des matériaux pour effectuer une gamme de températures étendue, nécessitant des essais mécaniques à différentes températures.

La température de déviation de la chaleur (HDT) est la température à laquelle un échantillon d'essai standard dévie 0,025 mm sous une charge normalisée de 0,455 MPa ou 1,82 MPa. Plus cette température est élevée, plus le plastique est adapté pour une utilisation à des températures élevées.

Effets sur la vitesse de la souche

Pour l'ASTM D638, la vitesse d'essai est déterminée par la spécification du matériau. Pour la norme ISO 527, la vitesse d'essai est généralement de 5 ou 50 mm/min pour la mesure de la résistance et de l'allongement, et de 1 mm/min pour la mesure du module. Différentes vitesses d'essai sont spécifiées pour les différentes mesures de propriétés.

Les matériaux polymériques sont viscoélastiques, ce qui signifie que leur réponse dépend à la fois de l'ampleur et de la vitesse de la contrainte appliquée. Les taux de déformation plus élevés se traduisent généralement par une résistance et un module plus élevés, mais une élongation plus faible.

Préparation et qualité des spécimens

La qualité des échantillons d'essai affecte directement la fiabilité des résultats d'essai. Les spécimens doivent être préparés selon les spécifications standard, avec des dimensions appropriées, des surfaces lisses et aucun défaut ou dommage. Les marques d'usinage, les rayures ou autres imperfections de surface peuvent agir comme concentrateurs de contraintes et conduire à une défaillance prématurée.

Les paramètres de moulage tels que la température, la pression et le taux de refroidissement affectent les propriétés finales. Les spécimens usinés à partir de pièces moulées peuvent présenter des propriétés différentes de celles des échantillons d'essai directement moulés en raison de différences d'orientation moléculaire et de contraintes résiduelles.

Prise en main et alignement

Une pression de préhension constante et sûre permet de prévenir le glissement, problème courant observé avec les plastiques qui s'épuisent. Les poignées pneumatique à action latérale avec des faces de mâchoire dentelées sont recommandées pour les plastiques rigides. Leur conception pneumatique assure une force de serrage constante, même lorsque le matériau devient plus mince pendant les essais.

L'alignement des spécimens est également critique. La charge excentrique, où la force appliquée n'est pas parfaitement alignée sur l'axe de l'échantillon, introduit des contraintes de flexion qui peuvent affecter significativement les résultats.

Mesure de l'extensométrie et de la souche

Pour capturer le module avec précision, vous avez besoin d'un dispositif de mesure de la déformation approprié. Les recommandations d'extensomètre pour ASTM D638 dépendent de l'allongement du matériau, des objectifs de débit, des exigences de calcul et de la nécessité de tester à haute ou basse température.

Les extensomètres de contact se fixent à l'échantillon à l'aide de pinces ou de bords de couteaux, tandis que les extensomètres optiques sans contact utilisent la technologie vidéo ou laser pour suivre la déformation de l'échantillon sans contact physique. Le choix de l'extensomètre dépend du matériau, des niveaux de déformation attendus et des exigences d'essai.

Applications des données d'essais mécaniques

Sélection et conception du matériau

La détermination des caractéristiques mécaniques des matériaux est essentielle dans les efforts de recherche et de développement des industries des plastiques et du caoutchouc. Lors du développement des procédés de production, il est essentiel de déterminer les qualités mécaniques nécessaires pour satisfaire aux spécifications des matériaux des nouveaux produits.

Les données d'essais mécaniques permettent aux ingénieurs de sélectionner des matériaux qui répondent aux exigences spécifiques de leurs applications. En comparant les propriétés mécaniques de différents matériaux, les concepteurs peuvent identifier des candidats qui fournissent la résistance, la rigidité, la ténacité et d'autres caractéristiques nécessaires pour une performance réussie.

Contrôle de la qualité et assurance

Tester de nouveaux lots pour vérifier que leur qualité est comparable à celle des lots précédents. Évaluer la qualité des matières premières en plastique fournies par un nouveau fournisseur. Les tests mécaniques réguliers dans le cadre des programmes de contrôle de la qualité garantissent que les matériaux répondent systématiquement aux spécifications et que toute variation des propriétés est détectée avant que les produits défectueux n'atteignent les clients.

Les résultats sont essentiels pour le contrôle de la qualité des produits finis pendant la fabrication des plastiques et pour s'assurer que les produits répondent aux exigences de spécification pour l'utilisation finale.

Recherche et développement

Dans R&D, les essais de traction déterminent l'effet des additifs, des charges ou du renforcement dans les matières premières. Par exemple, l'ajout de fibres de verre au polypropylène double la résistance à la traction de 30 MPa à plus de 80 MPa et réduit l'allongement à la rupture par moitié.

Les chercheurs utilisent des tests mécaniques pour comprendre les relations structure-propriété, optimiser les formulations et développer des matériaux avec une performance améliorée. En modifiant systématiquement la composition, les conditions de traitement ou d'autres paramètres et en mesurant les propriétés mécaniques résultantes, les chercheurs peuvent identifier des conceptions optimales de matériaux.

Conformité réglementaire

Les dispositifs médicaux, les emballages alimentaires et les composants électroniques nécessitent souvent des essais mécaniques selon les normes de l'ASTM D638 pour satisfaire aux normes ISO, FDA ou ASTM. Les tubes en polyéthylène approuvés par la FDA sont un exemple où l'uniformité des propriétés de traction doit être assurée afin d'assurer une utilisation sûre dans les dispositifs médicaux.

Les essais démontrent également la conformité des plastiques aux organismes de réglementation, tels que l'ASTM et l'ISO, qui établissent des normes pour la performance des matériaux et leur sécurité.

Analyse des défaillances

Lorsque les composants en plastique échouent en service, les essais mécaniques des pièces défectueuses et des matériaux de comparaison aident à identifier la cause fondamentale. Les essais peuvent révéler si la défaillance résulte de défauts de matériau, de sélection inadéquate des matériaux, de problèmes de traitement ou de conditions de service dépassant les limites de conception.

Défis communs et meilleures pratiques

S'attaquer à la négation et à la déformation non uniforme

Les plastiques ne se déforment souvent pas de façon homogène. La souche peut se concentrer dans une petite région en raison de la colification. Pour les matériaux qui ont un point de rendement, l'allongement à la rupture ne peut être indiqué par l'extensomètre, car la colification peut se produire en dehors de la longueur de l'extensomètre.

La formation de nébuleux présente des défis pour une mesure précise des déformations et nécessite une considération attentive des méthodes de mesure. Par conséquent, la souche nominale doit être utilisée pour déclarer le pourcentage d'allongement après le rendement.

Gestion des écarts d'essai

L'essai de choc par traction comporte souvent une large gamme de valeurs mesurées, et certains essais, en particulier les essais de choc, présentent une variabilité intrinsèquement plus grande que d'autres.

La réduction de la variabilité exige une attention particulière à la préparation des spécimens, aux procédures d'essai, au contrôle environnemental et à l'étalonnage des équipements.

Sélection de normes appropriées

Bien que l'ASTM D638 et son homologue ISO ISO 527-1 / ISO 527-2 soient techniquement équivalents, ils ne fournissent pas de résultats entièrement comparables, puisque les formes des échantillons, la procédure d'essai et la détermination des résultats diffèrent sous quelques aspects. Bien que l'ISO 527-2 soit semblable à l'ASTM D638 — les deux mesurent les propriétés de traction des plastiques — ils ne sont pas techniquement équivalents en raison des différences de dimensions des échantillons, de vitesses d'essai et de prescriptions procédurales spécifiques.

Il est essentiel de comprendre les différences entre les normes et de choisir celles qui conviennent à votre application et à votre marché. Lorsqu'on compare des données provenant de différentes sources, on vérifie que la même norme a été utilisée ou qu'on comprend comment les différences entre les normes peuvent influer sur les résultats.

Documentation et rapports

La documentation complète des conditions d'essai, des détails des échantillons et des résultats est essentielle pour une interprétation valable et une référence future. Les rapports d'essai doivent comprendre la norme utilisée, les dimensions des échantillons, la vitesse d'essai, les conditions de température et d'humidité, l'équipement utilisé et toute déviation par rapport aux procédures normalisées.

Les courbes complètes de contrainte-souche doivent être conservées avec les propriétés calculées. Ces données brutes permettent de réanalyser si des questions se posent et fournissent un enregistrement complet du comportement matériel.

Tendances futures des essais mécaniques des plastiques

Techniques de test avancées

La corrélation numérique d'image (DIC) permet de mesurer les déformations sur tout le terrain sur toute la surface de l'échantillon, révélant la distribution des déformations et la déformation localisée que les extensomètres traditionnels ne peuvent détecter. Cette technologie est particulièrement utile pour étudier les profils de déformation complexes et valider les modèles d'éléments finis.

Les équipements d'essai à grande vitesse permettent de caractériser le comportement des matériaux à des vitesses de déformation proches de celles qui sont éprouvées lors d'événements de choc et d'autres scénarios de chargement à grande vitesse.

Automatisation et analyse des données

Les systèmes automatisés d'essai augmentent le débit et la cohérence tout en réduisant l'influence de l'opérateur sur les résultats.

Des algorithmes avancés d'analyse des données et d'apprentissage automatique sont appliqués aux données d'essais mécaniques pour identifier les modèles, prédire le comportement matériel et optimiser les formulations. Ces outils peuvent traiter de grands ensembles de données à partir de multiples tests pour extraire des idées qui seraient difficiles à discerner par des méthodes d'analyse traditionnelles.

Durabilité et matériaux bio-basés

La détermination de la performance d'un matériau bioactif nouveau est semblable à celle des plastiques traditionnels. À mesure que l'industrie des plastiques se dirige vers des matériaux plus durables, les essais mécaniques jouent un rôle crucial dans l'évaluation des plastiques bioactifs et recyclés afin de s'assurer qu'ils peuvent servir de solutions de rechange viables aux matériaux pétroliers conventionnels.

L'essai des plastiques recyclés présente des défis uniques en raison de la dégradation et de la contamination potentielles. L'essai mécanique aide à évaluer la qualité des matériaux recyclés et à déterminer les applications appropriées où ils peuvent fonctionner de façon fiable.

Essais et modélisation à échelles multiples

L'intégration des essais mécaniques à plusieurs échelles de longueur, de la nano-identification à l'essai complet des composants, fournit une compréhension complète du comportement matériel. Combiner les essais expérimentaux et la modélisation computationnelle permet de prédire les performances dans des conditions difficiles ou coûteuses à tester expérimentalement.

L'analyse des éléments finis (FEA) utilise les données de propriétés mécaniques issues des essais normalisés pour prédire le comportement des composants complexes dans des conditions de chargement réalistes.

Directives pratiques pour la conduite des essais mécaniques

Préparation préalable à l'essai

Les échantillons doivent être conditionnés à la température et à l'humidité de l'essai pendant un temps suffisant pour atteindre l'équilibre, généralement 24 à 48 heures. Ce conditionnement garantit que les résultats des essais reflètent les propriétés du matériau dans les conditions environnementales spécifiées plutôt que les effets transitoires.

Vérifier que les échantillons répondent aux exigences dimensionnelles et sont exempts de défauts. Mesurer et enregistrer les dimensions de l'échantillon avec précision, car ces mesures affectent directement les valeurs calculées de contrainte et de déformation.

Pendant les essais

Surveillez l'essai en temps réel pour déceler toute anomalie telle que le glissement d'échantillon, une défaillance prématurée aux prises ou un mauvais fonctionnement de l'équipement. Le logiciel d'essai moderne affiche habituellement la courbe contrainte-souche au fur et à mesure qu'elle se développe, permettant aux opérateurs de vérifier que l'essai se déroule normalement.

Consigner tous les paramètres d'essai pertinents, y compris la vitesse d'essai réelle, la température, l'humidité et toutes les observations sur le comportement de l'échantillon.

Analyse après essai

Après l'essai, examiner les échantillons qui n'ont pas été vérifiés pour vérifier qu'ils se trouvaient dans la section de jauge plutôt qu'à la prise ou à d'autres concentrations de contraintes.

Calculer toutes les propriétés requises selon la norme applicable, en utilisant les bonnes formules et les dimensions des spécimens. Vérifier que les valeurs calculées sont raisonnables et compatibles avec le comportement prévu du matériau.

Étalonnage et entretien du matériel

L'étalonnage régulier du matériel d'essai assure la précision et la fiabilité des résultats. Les cellules de charge, les extensomètres et les capteurs de déplacement doivent être étalonnés conformément aux recommandations du fabricant et aux normes applicables.

L'entretien régulier des machines d'essai, des poignées et des accessoires empêche les problèmes liés à l'équipement qui pourraient affecter les résultats des essais.

Conclusion

Les essais mécaniques des plastiques fournissent des données essentielles pour la sélection des matériaux, le contrôle de la qualité, le développement des produits et la conformité réglementaire. La compréhension des différentes méthodes d'essai, des procédures de calcul appropriées et de l'interprétation correcte des résultats est fondamentale pour quiconque travaille avec des matériaux polymères.

Les calculs précis de la contrainte, de la déformation, du module, de la résistance et d'autres propriétés exigent une attention particulière aux dimensions des spécimens, aux procédures d'essai et aux normes applicables.

À mesure que la technologie des matériaux progresse et que de nouvelles applications apparaissent, les essais mécaniques continuent d'évoluer grâce à des techniques améliorées, à l'automatisation et à des méthodes d'analyse.

En suivant des procédures normalisées, en maintenant un équipement adéquat et en appliquant un jugement d'ingénierie solide pour interpréter les résultats, les ingénieurs et les techniciens peuvent produire des données fiables sur les propriétés mécaniques qui appuient la prise de décisions éclairées tout au long du cycle de vie du produit.

Pour obtenir de plus amples renseignements sur les normes et les meilleures pratiques en matière d'essais en plastique, consultez les ressources d'organisations telles que ASTM International[, Organisation internationale de normalisation (ISO)[ et d'associations techniques sectorielles, qui fournissent des normes complètes, du matériel de formation et un soutien technique pour aider à assurer des essais mécaniques précis et significatifs des matériaux en matière plastique.