Dispositif d'essai de résistance à la flexion équibiaxiale en céramique (ASTM C1499 & ASTM F394)

Modèle n° WTF-CB (acier inoxydable)

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Fig. 1 : Montage d'essai assemblé sans spécimen.

L'ASTM C1499 (référence 1) est une norme relativement récente, introduite en 2001. Un disque circulaire mince (un échantillon carré est également autorisé) d'un matériau céramique monolithique, ou d'un composite à matrice céramique renforcé par des whiskers ou des particules, est supporté par un anneau et chargé par un anneau concentrique de plus petit diamètre, ce que l'on appelle un chargement anneau sur anneau. Les diamètres requis du support et de l'anneau de chargement dépendent de l'épaisseur et des propriétés du matériau de l'échantillon testé. La norme donne des expressions pour calculer ces paramètres.

Afin d'obtenir une distribution uniforme de la charge, il faut soit que les surfaces des échantillons soient très plates (généralement par meulage de surface), soit qu'une feuille relativement épaisse (la moitié de l'épaisseur de l'échantillon) d'un matériau souple (par exemple, du caoutchouc) soit placée entre chaque anneau et l'échantillon. Afin d'obtenir une charge uniforme, la tête de chargement est articulée et repose sur un siège sphérique. Malgré ces problèmes d'introduction de charge uniforme, cette méthode d'essai gagne en popularité. Ce dispositif, monté et démonté, est illustré dans les figures 1 et 2.

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Fig. 2 : Montage d'essai démonté.

Outre la norme ASTM C1499, rédigée pour les céramiques avancées en général, la norme ISO 13356 (référence 2) est disponible pour les matériaux d'implants chirurgicaux en céramique, et en particulier pour la zircone tétragonale stabilisée à l'yttrium (Y-TZP). Elle utilise le même type de fixation, mais spécifie une taille particulière, à savoir un anneau de support de 30 mm, un anneau de chargement de 12 mm et un rayon de section transversale des anneaux de 2 mm.

Une autre méthode d'essai ASTM beaucoup plus ancienne, ASTM F394 (référence 3), introduite pour la première fois en 1974, est encore utilisée occasionnellement, bien qu'elle ait été abandonnée par l'ASTM en 2001. Le dispositif d'essai est illustré à la figure 3. Un disque mince de 1,25 pouce de diamètre du matériau céramique à tester est soutenu par trois billes de 0,125 pouce de diamètre également espacées autour d'un cercle de 1 pouce de diamètre. Une charge de compression est appliquée au centre de l'échantillon de disque par une tige d'acier trempé à extrémité plate de 0,0625 pouce de diamètre. Un film polymère mince (0,002 po d'épaisseur) (par exemple, du polyéthylène) est placé sous la tige de chargement à bout plat de 0,0625 po de diamètre, afin de répartir plus uniformément la charge appliquée. L'épaisseur minimale de l'échantillon doit être telle que sa déviation centrale à la rupture ne dépasse pas la moitié de l'épaisseur de l'échantillon.

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Fig. 3 : Montage ASTM F394 sans échantillon

Un avantage important de cette configuration d'essai biaxial est que le gauchissement de l'échantillon n'est pas un facteur influent, contrairement à l'essai anneau sur anneau (ASTM C1499). Le gauchissement de l'échantillon est également un problème lors de l'essai de flexion d'une poutre droite (référence 4), ce qui nécessite un montage d'essai articulé.

Les deux méthodes d'essai biaxial présentent un avantage par rapport à l'essai de flexion d'une poutre droite, en ce sens que la contrainte de traction (biaxiale) maximale se produit au centre de l'éprouvette sur le côté inférieur (convexe lors de la flexion). Ainsi, la finition de la surface du bord de l'éprouvette n'est pas critique. Ce n'est pas le cas lors d'un essai de flexion sur une poutre droite.

Sources d'informations supplémentaires :

1) ASTM Standard C 1499-09 (2013), "Monotonic Equibiaxial Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature", American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA (première publication en 2001).

2) ISO 13356, "Implants chirurgicaux - Matériaux céramiques à base de zircone tétragonale stabilisée à l'yttrium (Y-TZP)", Organisation internationale de normalisation, Genève, Suisse, 1997.

3) Norme ASTM F 394-78 (réapprouvée en 1996 puis abandonnée en 2001), "Biaxial Flexure Strength (Modulus of Rupture) of Ceramic Substrates", American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA (publiée pour la première fois en 1974).

4) ASTM Standard C 1161-13 (2013), "Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature", American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania (publié pour la première fois en 1990).