ASTM D6641 Combined Loading Compression
La norme ASTM D6641 est une méthode d’essai standard pour la détermination du module d’élasticité ainsi que de la résistance et de l’allongement à la rupture de stratifiés de fibres sous charge de compression. L’essai convient aux stratifiés UD (unidirectionnels) à 0°, 90° ou multidirectionnels, aux composites tissés et non tissés ou aux matériaux renforcés de fibres dont les fibres de renfort sont discontinues et réparties de manière aléatoire (par ex. composites de fibres hachées, SMC).
Dans l’essai Combined Loading Compression, une composante de force normale est appliquée via les extrémités et une composante de force de cisaillement est appliquée via la partie serrée de l’éprouvette afin d’avoir un chargement combiné. Ce chargement combiné s’avère particulièrement intéressant pour les essais de compression sur des stratifiés de fibres à haute résistance. Pour obtenir des résultats optimaux, il est impératif de respecter les tolérances prescrites dans la norme pour le parallélisme des extrémités de l’éprouvette et pour la perpendicularité des extrémités par rapport à la direction de charge.
Selon la norme ASTM D6641, il est possible d’utiliser aussi bien des éprouvettes sans talon (Procédure A) que des éprouvettes avec talons appliqués (Procédure B). Voir le paragraphe « Éprouvettes et dimensions » ci-dessous pour de plus amples informations.
Les normes d’essai également fréquemment utilisées pour les essais de compression sur les plastiques renforcés de fibres longues ou continues sont l’ASTM D695 ou la EN 2850 méthode B (principe du End Loading pur) et l’ASTM D3410 ou l’ISO 14126 méthode 1 (principe du Shear Loading pur). Un autre essai Combined Loading Compression normalisé est décrit dans la norme ISO 14126 méthode 2.
Objectif et valeurs caractéristiques Réalisation de l’essai Dispositif d’essai CLC Machines d’essai des matériaux Mesure de l’allongement Conditions d’essai Éprouvettes
Objectif de l’essai et grandeurs caractéristiques déterminées d’après ASTM D6641
Les essais de compression pour composites selon la norme ASTM D6641 sont entre autres réalisés pour déterminer les propriétés de compression mécanique lors du développement et de la qualification des matériaux, pour déterminer les valeurs caractéristiques nécessaires à la conception et au design de structures composites, ainsi que pour l’assurance qualité.
L’essai Combined Loading Compression selon la norme ASTM D6641 permet de déterminer les résultats et valeurs caractéristiques suivants :
- Contrainte de compression: Force de compression se référant à la section initiale de l'éprouvette
- Écrasement: Variation de la longueur de référence relative à la longueur de référence initiale en direction de charge
- Module de compression : pente de la courbe de contrainte-écrasement dans l’essai de compression dans un intervalle d’allongement défini dans le domaine élastique. Également appelé module d’élasticité ou module de Young.
- Résistance à la compression: Valeur maximale de la contrainte de compression déterminée dans l’essai de compression
- Allongement à la rupture : écrasement lorsque la résistance à la compression est atteinte
L’utilisation d’une jauge de contrainte biaxiale, qui permet de mesurer l’allongement dans les directions longitudinale et transversale, permettrait également de déterminer le coefficient de Poisson lors de l’essai de compression selon la norme ASTM D6641 et est, par conséquent, également mentionnée dans cette norme. Cependant, cela n’est pas pratique en raison de la longueur libre relativement petite de l’éprouvette dans l’essai de compression et n’est donc que très rarement pratiquée. L’essai de traction selon la norme ISO 527-4,-5 ou ASTM D3039 est nettement plus approprié pour déterminer le coefficient de Poisson.
Comment réaliser l’essai de compression selon la norme ASTM D6641 ?
Vous trouverez ci-dessous des informations importantes sur la réalisation de l’essai Combined Loading Compression sur composites, ainsi que sur les machines d’essai, les dispositifs d’essai et les extensomètres nécessaires à cet effet. Pour obtenir des informations détaillées sur la norme ASTM D6641, il est indispensable d’acquérir la norme.
ASTM D6641 Dispositif d’essai Combined Loading Compression
Pour l’essai Combined Loading Compression (CLC) selon la norme ASTM D6641, le dispositif d’essai doit permettre le chargement combiné par les extrémités et par la partie serrée de l’éprouvette.
Dans le dispositif Combined Loading Compression présenté dans la norme, le serrage de l’éprouvette s’effectue par 4 vis situées dans chacun des deux parties (supérieure et inférieure) du dispositif, qui sont guidées l’une vers l’autre. Les extrémités de l’éprouvette sont alignées avec les surfaces d’extrémité du dispositif. Le dispositif d’essai avec éprouvette montée est ensuite placé entre des plateaux de compression durcis parallèles et chargé sous pression jusqu’à la rupture de l’éprouvette.
Conformément à la norme ASTM D6641, un dispositif d’essai comparable peut être utilisé pour l’essai Combined Loading Compression, s’il respecte le principe du chargement combiné dans l’éprouvette :
développé à l’origine par l’IMA Dresden et disponible en exclusivité chez ZwickRoell, le dispositif HCCF (Hydraulic Composite Compression Fixture) pour les essais de compression sur composites jusqu’à 250 kN est un dispositif de compression extrêmement polyvalent qui convient également pour l’essai Combined Loading Compression selon la norme ASTM D6641.
Quelques avantages et propriétés du HCCF
- Permet de réaliser des essais de compression selon le principe du Combined Loading Compression (ASTM D6641, ISO 14126 méthode 2 ou Airbus AITM 1-0008)
- Permet de réaliser des essais de compression selon le principe du Shear Loading pur (ASTM D3410 ou ISO 14126 méthode 1)
- Pour forces de compression jusqu’à 250 kN
- Pour des largeurs d’éprouvette jusqu’à 35 mm et des épaisseurs de stratifié jusqu’à 10 mm
- Débit éprouvette rapide pendant l’essai car le HCCF reste dans la machine d’essai
- Mors de serrage exactement alignés les uns par rapport aux autres et pas de déplacement des mors de serrage les uns par rapport aux autres pendant l’essai
- Une vue dégagée sur la partie libre de l’éprouvette permet d’utiliser des méthodes de mesure optiques de l’allongement telles que la corrélation d’images numériques (DIC)
Remarque : la norme ASTM D6641 exige une mesure de l’allongement sur les deux faces opposées dans la partie libre de l’éprouvette. Pour cela, en raison de la surface relativement petite de 13x13 mm² de la géométrie de l’éprouvette prescrite par la norme ASTM D6641, les jauges de contrainte sont généralement la méthode de mesure de l’allongement la plus appropriée.Voir le paragraphe « Mesure de l’allongement » ci-dessous pour de plus amples informations.
- Une déformation causée par des écarts dans l’épaisseur de la couche adhésive ou du talon lors du serrage de l’éprouvette, reconnaissable à une différence absolue >150 µe entre les jauges de contrainte qui mesurent de chaque côté, peut être corrigée rapidement et facilement en ouvrant les mors de serrage et en effectuant un shimming (ajustement).
- Utilisable pour des essais de compression dans une plage de température de -60 °C à +150 °C
- Les pompes hydrauliques manuelles permettent un serrage très finement dosé de l’éprouvette
Pour le HCCF, des inserts de mors dotés d’écailles de poisson ou d’une surface rugueuse appliquée par un procédé de revêtement thermique sont disponibles. Les mors de serrage avec revêtement thermique doivent être utilisés pour les essais sur éprouvettes sans talon (ASTM D6641 Procédure A).
Machine d’essai pour la norme ASTM D6641
Pour les essais de compression selon la norme ASTM D6641 avec éprouvettes normalisées et pour de nombreuses autres méthodes d’essai normalisées des plastiques renforcés de fibres, une machine d’essai AllroundLine 100 kN suffit bien souvent. L’illustration montre le montage d’essai pour des essais de compression avec le dispositif de compression HCCF et une tige de rallonge en haut et en bas, ce qui permet des essais de compression dans l’enceinte thermique. Pour les essais de compression à température ambiante, la tige de rallonge n’est pas nécessaire. Avec la configuration de machine de 100 kN représentée, l’utilisation de mâchoires mécaniques coiffe sur coin pour essais de traction (voir petite image en haut à droite) permet de passer aisément d’un montage d’essai ou d’un dispositif d’essai à un autre. Grâce au démontage aisé des mâchoires, l’ensemble de l’espace d’essai de la machine d’essai peut également être utilisé pour des essais non standards. Les pieds de réglage en hauteur permettent d’adapter la hauteur de l’espace de travail aux besoins de l’utilisateur.
Lorsque les essais portent exclusivement sur des plastiques renforcés de fibres de verre (GFK), une machine d’essai avec une capacité maximale de 50 kN peut cependant être suffisante.
Système d'essai modulaire Composites
En utilisant plusieurs machines d'essais adaptées aux nombreuses méthodes d’essais des composites, les grands laboratoires d'essais avec demandes d'essais élevées parviennent à minimiser les temps de transformation. Les différentes machines d'essais peuvent alors être adaptées à la plage de force de différents types d'essais. Lorsque la demande d'essais est trop peu importante ou irrégulière pour acquérir plusieurs machines d'essais, il peut être avantageux d'équiper une seule machine d'essais permettant de réaliser le plus grand nombre possible de méthodes d'essais à moindre impact en terme de travaux d'adaptation.
Pour ce faire, ZwickRoell a développé un concept modulaire, disponible en machine d’essai statique 100kN ou 250kN, couvrant 21 méthodes d’essais et 120 normes d’essais environ (ISO, EN, ASTM, ainsi qu’Airbus AITM et Boeing BSS) et permettant une caractérisation complète des matériaux composites fibreux à température ambiante ou lors d’essais à basse ou haute température de -80°C à +360°C
Essais fiables selon la norme ASTM D6641 grâce au logiciel d’essai testXpert
Le logiciel d’essai testXpert aide à réaliser des essais efficients et à obtenir des résultats fiables selon la norme ASTM D6641 :
- Épargnez-vous l’étude des normes : respect de la norme garanti grâce aux programmes d’essai Standard qui contiennent toutes les valeurs caractéristiques et paramètres de la norme ASTM D6641.
- Vous bénéficiez d’une efficience maximale grâce à la connexion d’appareils périphériques : l’envoi direct des dimensions de l’éprouvette par le micromètre ou le pied à coulisse au logiciel d’essai permet des gains de temps appréciables et exclut les erreurs de saisie.
- Utilisez également le logiciel pour vérifier et piloter la température dans l’enceinte. Définissez des rampes de température et visualisez clairement, même après coup, les valeurs ainsi respectées.
Mesure de l’allongement dans l’essai de compression selon la norme ASTM D6641
L’essai de compression selon la norme ASTM D6641 nécessite une mesure de l’allongement des deux côtés, effectuée indépendamment de chaque côté, dans la zone libre non soutenue de l’éprouvette (Gauge Length). En raison de la surface relativement petite de 13x13 mm2 de la géométrie de l’éprouvette prescrite par la norme, l’utilisation de jauges de contrainte appliquées des deux côtés est la méthode la plus appropriée pour mesurer l’allongement.
Une mesure de l’allongement indépendante des deux côtés de l’éprouvette est nécessaire pour détecter d’éventuelles déformations de flexion superposées sur l’éprouvette et pour distinguer les essais valides des essais non valides. Voir le paragraphe « Conditions d’essai - surveillance de la déformation en flexion superposée (Percent Bending) » ci-dessous.
Grâce à la conception ouverte du dispositif de compression HCCF, il est aussi possible d’utiliser un extensomètre Clip-On mesurant indépendamment des deux côtés. Pour cela, une longueur libre d’au moins 13 mm est cependant nécessaire. Une longueur libre plus importante est autorisée par la norme ASTM D6641 et s’avère intéressante pour l’utilisation d’un extensomètre Clip-On, à condition que l’épaisseur de l’éprouvette soit dimensionnée en conséquence pour éviter le flambage d’Euler.
Conditions d’essai selon la norme ASTM D6641
Vitesse d'essai
La vitesse d’essai nominale selon la norme ASTM D6641 est de 1,3 mm/min.
Défaillance éprouvette valide
Pour documenter la défaillance de l’éprouvette, la norme ASTM D6641 fournit un code à trois lettres qui définit clairement le mode de défaillance et la position le long de l’éprouvette. Selon l’architecture des fibres et le stratifié testé, différents modes de défaillance valides peuvent se produire lors de l’essai de compression, par ex. rupture transversale sur la largeur de l’éprouvette, rupture de cisaillement de biais à travers l’épaisseur de l’éprouvette (en général lors d’essais de compression sur stratifiés UD à 90°), kink-band, brooming, splitting, délamination ou combinaisons de différents modes de défaillance valides.
L’essai de compression n’est valide que si l’éprouvette se rompt dans la longueur libre. Une rupture dans la zone centrale de la longueur libre correspond au cas idéal, mais, en raison de la courte longueur libre et des surfaces de rupture parfois inclinées, des ruptures se produisent également au niveau de la transition entre les mors de serrage et la zone libre ou de la transition entre le talon et la zone libre. Ceci est également considéré comme une défaillance valide de l’éprouvette.
Les types de défaillance non valides sont le flambage d’Euler ou la défaillance aux extrémités de l’éprouvette, ainsi que tout type de défaillance éprouvette dans la zone de serrage.
Surveillance de la déformation de flexion superposée (Percent Bending)
En plus de la défaillance valide de l’éprouvette, la déformation de flexion superposée à la charge de compression ne doit pas dépasser une plage spécifiée pour que l’essai de compression soit globalement valide selon la norme ASTM D6641. La valeur de Percent Bending calculée à cet effet est déterminée en utilisant les signaux d’allongement ε1 et ε2 mesurés des deux côtés de l’éprouvette, à l’aide de la formule By=(ε1-ε2)/(ε1+ε2)×100.
Pour qu’un essai soit valide, il faut que By< 10 % dans l’intervalle d’allongement moyen de la détermination du module d’élasticité à 2000 µε et by< 10 % pour la résistance à la compression et l’allongement à la rupture.
Si des sauts et des discontinuités apparaissent dans le signal d’allongement en raison d’une défaillance préalable dans le stratifié à l’approche de la résistance à la rupture, l’essai est valide même si le critère de Percent Bending est respecté à 90 % de la résistance à la compression.
Plage de température
Comme les propriétés mécaniques des plastiques renforcés de fibres dépendent fortement de la température, des essais à basse et haute température sont réalisés en plus des essais de compression à température ambiante. Pour cela, le dispositif de compression HCCF de ZwickRoell peut être utilisé dans la plage de température allant de -60 °C à +150 °C, ce qui couvre les plages habituelles d’essais en température entre -40 °C et +80 °C (+120 °C) pour les applications automobiles et entre -55 °C et +120 °C dans l’aéronautique.
ASTM D6641 Éprouvettes & Dimensions
| Type d’éprouvette | Représentation schématique de l’éprouvette | Remarques |
|---|---|---|
| sans talon (Procédure A) |  | Peut être utilisée pour les stratifiés multidirectionnels avec moins de 50 % de couches à 0°, si la défaillance au niveau des extrémités de l’éprouvette peut être évitée et qu’il n’est pas nécessaire pour cela d’augmenter fortement la force de serrage au-delà du niveau recommandé. |
| avec talons (Procédure B) |  |
|
- Le talon peut être constitué d’un stratifié PRV de ±45° et collé sur le stratifié à tester avec une colle appropriée. Pour des épaisseurs d’éprouvette jusqu’à 2,5 mm, une épaisseur de talon d’environ 1,6 mm a fait ses preuves. Pour des épaisseurs d’éprouvette plus importantes, il convient de choisir des talons plus épais.
- La norme ASTM D6641 ne définit aucune épaisseur nominale de l’éprouvette. En général, on teste des épaisseurs d’éprouvette de 2 à 3 mm. Des stratifiés plus épais peuvent également être testés si le dispositif d’essai de compression utilisé le permet. Pour les épaisseurs d’éprouvette inférieures, il convient de respecter le dimensionnement contre le flambage d’Euler indiqué dans la norme, en particulier pour les stratifiés de faible rigidité.
- Le dispositif de compression HCCF a été développé à l’origine pour l’essai Combined Loading Compression selon la norme Airbus AITM 1-0008. La longueur des mors de serrage prescrite par l’AITM 1-0008 est de 65 mm. Les mors de serrage originaux du HCCF sont donc trop longs de 1,5 mm pour la géométrie de l’éprouvette prescrite par la norme ASTM D6641. Pour réaliser l’essai Combined Loading Compression selon ASTM D6641 avec le HCCF, il faut utiliser une éprouvette de compression de 143 mm de long. Il est également possible d’utiliser des mors de serrage adaptés, prévus pour la longueur d’éprouvette nominale de 140 mm.
