Dispositif d'essai de cisaillement à poutre courte (ASTM D2344)

Modèle n° WTF-SB (acier inoxydable)

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Fig. 1 : Dispositif standard d'essai de cisaillement à faisceau court (ASTM D2344)

La photo du haut de la figure 1 montre un montage d'essai de cisaillement à poutre courte assemblé, mais sans éprouvette montée dessus. Ce montage est couramment utilisé pour tester les matériaux composites. interlaminaire (à travers l'épaisseur), conformément à la norme D2344 de l'ASTM (référence 1).

La norme ASTM D2344, qui existe depuis 1965, recommande désormais un rapport de quatre entre la longueur de la portée et l'épaisseur de l'échantillon pour tous les types de matériaux. Une éprouvette typique d'une épaisseur de l'ordre de 0,1 pouce serait donc testée à une longueur de portée de 0,4 pouce.

Pour s'adapter aux différentes épaisseurs de stratifié, la longueur de portée du dispositif est réglable en continu sur toute la gamme des longueurs de portée jusqu'à environ 4,5 pouces. Des graduations sont gravées sur la base pour faciliter le réglage de la longueur de portée souhaitée, en faisant glisser les supports d'échantillons dans les positions requises. Ces supports d'échantillons sont ensuite serrés en place à l'aide des vis à tête cylindrique illustrées.

Deux poteaux d'alignement en acier trempé, de 0,5 pouce de diamètre chacun, sont fixés dans la base. La plaque supérieure, qui contient des roulements linéaires, se déplace librement de haut en bas sur ces poteaux d'alignement, maintenant ainsi l'alignement entre les deux supports inférieurs et le cylindre de chargement supérieur.

Les deux supports et la tête de chargement sont des cylindres en acier trempé, d'une largeur de 2,5 pouces chacun, maintenus en position verticale. v-Ils sont maintenus en place par de petits ressorts à chaque extrémité. Cela permet de les faire pivoter et de les remplacer facilement si nécessaire. Sauf indication contraire, des supports de 1/8 de pouce de diamètre et une tête de chargement de 1/4 de pouce de diamètre sont fournis, conformément à la norme D2344 de l'ASTM. Toutefois, des supports et des têtes de chargement d'un autre diamètre peuvent être fournis si nécessaire.

Des butées mécaniques réglables pour centrer l'échantillon dans le dispositif de fixation peuvent également être ajoutées en option, comme illustré ci-dessous à la figure 2.

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Fig. 2 : Butées de centrage d'éprouvettes réglables pour le site Dispositif d'essai de cisaillement à poutre courte.

Le dispositif est conçu pour reposer sans contrainte directement sur la base de la machine d'essai. Une charge de compression peut être appliquée par la tête de chargement de la machine d'essai directement sur la plaque supérieure du dispositif d'essai de cisaillement de poutre courte. Alternativement, un trou fileté UNC de 0,50 po -13 est prévu dans la plaque supérieure, comme on peut le voir sur la photo du haut de la figure 1, pour monter un adaptateur optionnel qui peut à son tour être fixé à la traverse de la machine d'essai.

En raison de la portée relativement grande du support, c'est-à-dire 4,5 pouces, ce gabarit est aussi fréquemment utilisé pour les essais de flexion en trois points (ASTM D790 et D7264). Et avec la tête de chargement à quatre points à portée réglable optionnelle illustrée à la figure 3 ci-dessous, cet appareil peut également être utilisé pour les essais de flexion à quatre points (ASTM D6272 et D7264).

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Fig. 3 : Dispositif d'essai de cisaillement sur poutre courte avec chargement en trois et quatre points, avec têtes de chargement en trois et quatre points.

Cependant, pour les essais de flexion en trois et quatre points, si les normes ASTM correspondantes doivent être strictement respectées, les diamètres des cylindres de chargement et de support doivent être modifiés. La norme ASTM D2344 sur le cisaillement des poutres courtes spécifie des cylindres de support de 0,125 po de diamètre et un cylindre de chargement de 0,250 po de diamètre, tandis que les normes ASTM D790 et D6272 sur la flexion spécifient des cylindres de chargement et de support de 0,394 po (10 mm) de diamètre et la norme ASTM D7264 spécifie des cylindres de 0,250 po de diamètre. Les normes ISO, EN et autres spécifient encore d'autres diamètres.

Cette incohérence entre les normes est regrettable car les résultats des essais sont en fait très peu affectés par ces variations relativement faibles du diamètre du cylindre (voir, par exemple, les références 2, 3, 4). Cependant, nous pouvons fournir tous les diamètres souhaités et les cylindres sont facilement interchangeables car ils sont maintenus en place par des ressorts.

Le montage à poutre courte, dans la configuration de chargement à trois ou quatre points, est également utilisé pour les essais de flexion des matériaux fragiles tels que les céramiques et les composites à matrice céramique lorsque l'articulation des points de chargement et de support n'est pas nécessaire. L'articulation n'est souvent pas nécessaire lorsque ces éprouvettes fragiles sont suffisamment planes, par exemple par un prépolissage de surface. Si les échantillons sont tordus ou présentent d'autres irrégularités dans les matériaux fragiles, un montage d'essai de résistance à la flexion des céramiques entièrement articulé tel que notre modèle WTF-CF (voir section D-4) peut être nécessaire.

Il existe également une fixation comprenant des supports réglables par vis (qui s'insèrent et se retirent ensemble), comme le montre la figure 4 ci-dessous.

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Fig. 4 : Vues avant et arrière du dispositif d'essai de cisaillement et/ou de flexion à poutre courte réglable par vis avec supports réglables par vis (la tête de chargement à quatre points à portée fixe en option et divers diamètres de support/cylindre de chargement sont représentés au premier plan).

Des montages de taille spéciale, plus grands ou plus petits que la taille standard, peuvent également être fabriqués, comme l'indique la figure 5 ci-dessous.

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Fig. 5 : Dispositif d'essai de cisaillement standard à faisceau court (ASTM D2344) (gauche) et Special Compact Reduced-Span Three-/Four-Point Dispositif d'essai de cisaillement (à droite).

Sources d'informations supplémentaires :

1) ASTM Standard D2344-13, "Short Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates by Short-Beam Method", American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania (publié pour la première fois en 1965).

 2) D.F. Adams et E.Q. Lewis, "Experimental Study of Three- and Four-Point Shear Test Specimens" (étude expérimentale des éprouvettes de cisaillement à trois et quatre points). Journal of Composites Technology and Research, vol. 17, n° 4, octobre 1995, p. 341-349.

3) E.Q. Lewis et D.F. Adams, "An Evaluation of Composite Material Shear Test Methods", rapport UW-CMRG-R-91-103, Composite Materials Research Group, Université du Wyoming, Laramie, Wyoming, mai 1991.

4) D.F. Adams et J.M. Busse, "Suggested Modifications of the Short Beam Shear Test Method", Proceedings of the 49th Symposium international SAMPE, Long Beach, CA, mai 2004.