Dispositif de test de compression ASTM D695 modifié (Boeing BSS 7260)

Modèle n° WTF-BO (acier inoxydable)

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Fig. 1 : Dispositif d'essai de compression modifié D695

Ce montage est utilisé pour tester les matériaux composites en compression uniaxiale. La pièce plate représentée sur la photo de gauche de la figure 1 est une plaque de chargement en acier trempé, à placer entre l'extrémité supérieure saillante de l'éprouvette et le plateau de chargement plat de la machine d'essai, pour protéger le plateau de chargement.

Il n'existe en fait aucune norme ASTM régissant la méthode d'essai de compression modifiée D695. La norme ASTM D695, publiée à l'origine en 1942, est destinée principalement aux plastiques non renforcés, comme son titre l'indique (référence 1), en utilisant une méthode d'essai de compression sans tampon, avec os de chien, plat échantillon. La méthode d'essai de compression modifiée D695 est définie dans les documents Boeing (références 2 et 3) et dans la méthode d'essai recommandée SACMA SRM 1R-94 (référence 4).

Bien qu'il ne s'agisse pas d'une norme ASTM, cette méthode d'essai est actuellement largement utilisée au sein de la communauté des matériaux composites, avec un succès raisonnable (Références 5 par le biais de 7).

L'éprouvette droite a une longueur de 3,18 pouces et une largeur de 0,5 pouce, et son épaisseur dépend du matériau testé. Pour un composite unidirectionnel, une épaisseur de l'ordre de 0,040 pouce est généralement utilisée. Les échantillons utilisés pour déterminer la résistance à la compression sont munis de languettes à chaque extrémité, généralement à l'aide d'un tissu de verre ou d'un matériau époxy. La distance entre les languettes (la longueur de jauge) est spécifiée à 0,188 in. En raison de cette très courte longueur de jauge, il n'est pas pratique de monter des instruments pour mesurer les déformations. C'est pourquoi deux essais sont spécifiés.

Une éprouvette sans languettes est chargée jusqu'à une déformation minimale de 0,3 %, en utilisant une jauge de contrainte ou un extensomètre pour mesurer la déformation. Cela permet de calculer un module de compression. Un second spécimen du même matériau, mais avec des languettes, est ensuite testé jusqu'à la rupture, afin de déterminer la résistance à la compression. Si l'on tente de charger l'éprouvette sans languettes jusqu'à la rupture, les extrémités de l'éprouvette s'écrasent généralement avant que le matériau ne cède dans une région éloignée des extrémités. Ainsi, une véritable résistance à la compression du matériau ne serait pas obtenue.

Pour permettre ces deux essais, le gabarit est équipé de deux plaques de support extérieures (les pièces en forme de I montrées sur la photographie de droite de la figure 1), en plus de la plaque de support intérieure montrée sur la base du gabarit. Les rainures des pièces utilisées pour la détermination de la résistance (les pièces montrées montées dans le gabarit assemblé sur la photographie de gauche de la Fig. 1) s'étendent sur toute la longueur. Une deuxième plaque de support extérieure (montrée au premier plan sur la photo de gauche) est également fournie, dans laquelle les rainures sont évidées sur la section centrale de 0,5 pouce, afin de permettre le passage d'une jauge de contrainte et de ses fils de connexion sur une surface de l'échantillon d'essai. Pour mesurer les déformations, on utilise une éprouvette sans languette ; une éprouvette avec languette d'une longueur de 0,188 po n'offre pas l'espace nécessaire pour monter une jauge de contrainte.

En option, un quatrième support latéral, dont les rainures sont également soulagées sur sa section centrale de 0,5 pouce, peut être fourni, de sorte que les jauges de contrainte puissent être montées sur les deux surfaces de l'échantillon d'essai. Cependant, les jauges de contrainte doubles ne sont normalement utilisées que lorsque le flambage de l'éprouvette est un problème. Lors de la détermination du module de compression, il n'est pas nécessaire d'appliquer des contraintes élevées, ce qui minimise le problème du flambage.

Les pièces de support latérales et les plaques d'appui sont en fait fabriquées en acier inoxydable 440C trempé. Cela minimise le risque qu'ils soient déformés de façon permanente (et donc rendus non fonctionnels) lorsque le spécimen se rompt, souvent dans un mode d'écrasement compressif relativement violent.

Une autre option consiste à utiliser un accessoire d'indexation des échantillons, comme le montre la figure 2 ci-dessous. Cet accessoire d'indexation est utilisé pour centrer le spécimen entre les supports latéraux. Comme indiqué, il se visse sur le côté du dispositif standard.

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Fig. 2 : Accessoire d'indexation des éprouvettes pour le montage d'essai de compression modifié D695.

Des configurations spéciales ont également été conçues et fabriquées pour les clients. Par exemple, la figure 3 montre un montage spécial conçu pour tester un spécimen de taille normale mais qui s'adapte aux limites étroites d'un four tubulaire. Ce dispositif particulier est fabriqué en superalliage de nickel Inconel 718 et comporte une plaque de couverture avant fendue pour permettre à un extensomètre optique d'accéder à la surface de l'échantillon.

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Fig. 3 : Fixation standard modifiée D695 à gauche, fixation spéciale haute température à droite.

La figure 4 compare le dispositif SACMA SRM 1R-94 avec le dispositif standard modifié D695. Le dispositif SACMA est plus lourd, mais teste la même taille d'éprouvette de la même manière.

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Fig. 4 : Dispositif SACMA SRM 1R-94 à gauche, dispositif standard modifié D695 à droite.

Les normes internationales deviennent également de plus en plus prédominantes au sein de la communauté mondiale des essais. La plupart de ces normes sont des modifications mineures des normes ASTM, avec des dimensions d'appareil légèrement différentes et exprimées en unités S.I.. L'appareil illustré à gauche dans la figure 5 est un exemple typique. Ses principes de fonctionnement sont les mêmes que ceux du gabarit D695 modifié par Boeing illustré à droite, bien que sa base plus longue et ses supports latéraux plus épais lui confèrent un aspect différent.

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Fig. 5 : Dispositif d'essai de compression à charge terminale de la norme européenne prEN2850 (à gauche), comparé au dispositif d'essai de compression D695 modifié par Boeing (à droite).

Sources d'informations supplémentaires :

1) ASTM Standard D695-10 (2010), "Compressive Properties of Rigid Plastics", American Society for Testing and Materials, West Cohshohocken, Pennsylvania (publié pour la première fois en 1942).

2) Boeing Specification Support Standard BSS 7260, "Advanced Composite Compression Tests", The Boeing Company, Seattle, Washington (initialement publié en février 1982, révisé en décembre 1988).

3) Document Boeing D888-10026, "Test Methods for Advanced Composites, Revision A, Section C.2, The Boeing Company, Seattle, Washington, janvier 1996.

4) SACMA Recommended Method SRM 1R-94, "Compressive Properties of Oriented Fiber-Resin Composites", Suppliers of Advanced Composite Materials Association, Arlington, Virginia, 1994.

5) D.F. Adams et E.Q. Lewis, "Influence of Specimen Gage Length and Loading Method on the Axial Compressive Strength of a Unidirectional Composite Material", (Influence de la longueur de l'éprouvette et de la méthode de chargement sur la résistance à la compression axiale d'un matériau composite unidirectionnel). Mécanique expérimentale, vol. 31, n° 2, mars 1991, p. 14-20.

6) D.F. Adams, "Current Status of Compression Testing of Composite Materials," Proceedings of the 40th International SAMPE Symposium, May 1995, pp. 1831-1843.

7) J.S. Welsh et D.F. Adams, "Current Status of Compression Test Methods for Composite Materials", (État actuel des méthodes d'essai de compression pour les matériaux composites). Journal de la SAMPE, vol. 33, n° 1, janvier 1997, p. 35-43.