Les différents types de machines d'essai universelles

Outre les tests climatiques auxquels nous sommes habitués, de nombreux matériaux doivent subir des tests mécaniques pour vérifier leur résistance avant d'être mis sur le marché.

Les instruments de laboratoire qui effectuent ce type de test sont appelés machines d'essai universelles , et il en existe plusieurs types.

Dans l'article suivant, nous verrons quels les différents types de machines d'essai universelles, quels types de tests elles effectuent et pourquoi elles ne peuvent pas se passer de chambres climatiques.

Qu'est-ce que la machine d'essai universelle ?

Une machine d'essai universelle est un instrument de laboratoire capable d' appliquer des forces de types et d'intensités variés aux matériaux. Elle est appelée machine universelle en raison de sa grande polyvalence, mais autrefois, on l'appelait plus simplement « machine de traction » ou « dynamomètre ».

Comme nous le verrons, la structure de ces machines peut varier, mais elles comprennent généralement un châssis constitué d'une ou deux colonnes de support. Au centre de ce châssis se trouve la traverse mobile à laquelle est fixée une cellule de charge qui applique une force contrôlée à l'échantillon testé.

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Comment distinguer les différents types de machines d'essai universelles

Il existe trois paramètres pour classer les différents types de machines d'essai universelles : le principe de fonctionnement, les caractéristiques de construction et l'intensité de la force pouvant être développée.

Les machines d'essai universelles peuvent avoir trois principes de fonctionnement:

• Hydraulique
• Électromagnétique
• Pneu

Les plus courants sont les modèles hydrauliques, tandis que les modèles pneumatiques sont les plus rares.

En ce qui concerne les caractéristiques de construction, les machines universelles varient considérablement selon le modèle, et il est impossible de dresser un bilan exhaustif de toutes les versions disponibles sur le marché. L'une des différences fondamentales, comme mentionné précédemment, réside dans la conception du châssis : à une ou deux colonnes. Les machines universelles à une seule colonne sont plus rares et leur utilisation est plus limitée. 

Enfin, les machines d'essai universelles se distinguent par l'intensité de la force qu'elles peuvent développer, qui peut varier de quelques centaines de N à 1000 kN ou plus.

Machine d'essai universelle Tests

Les matériaux passant par la machine d'essai universelle doivent subir deux grandes catégories de tests : le test de résistance à la compression et le test de résistance à la traction ultime.

L'essai de résistance à la compression est généralement réalisé dans des conditions uniaxiales et vérifie la résistance des matériaux aux charges qui tendent à les déformer et à réduire leur allongement, ou à les comprimer. 

Il est principalement utilisé sur le béton et est réglementé par cette norme internationale.

L’essai de charge de rupture, quant à lui, identifie la limite, en termes de force ou de contrainte externe appliquée, au-delà de laquelle un matériau devient définitivement inutilisable du point de vue de sa résistance.

Il est en outre divisé en 5 tests distincts, selon le type de force appliquée :

• charge de rupture en traction
• charge de rupture en compression
• Charge de rupture en flexion droite
• charge de rupture en torsion
• Charge de rupture sous contrainte de cisaillement

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Chambre environnementale FDM pour les essais de conditionnement dans la machine universelle

Certains essais de charge de rupture et de compression sont appelés « conditionnement » car ils soumettent le matériau à certaines conditions environnementales.

Ces tests doivent être effectués en plaçant la machine d'essai universelle dans un environnement où il est possible de contrôler les paramètres d'humidité et de température, c'est-à-dire une chambre climatique.

La chambre environnementale FDM est l'instrument idéal pour réaliser ce type de tests combinés et peut être construite en différentes tailles pour répondre à tous les besoins des clients.

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Normes de référence

• ISO 7500-1 — Matériaux métalliques — Étalonnage et vérification des machines d’essai statique uniaxiale — Partie 1 : Machines d’essai de traction/compression — Étalonnage et vérification du système de mesure de force.
• ASTM E4 — Méthodes normalisées pour la vérification de la force des machines d'essai. Équivalent américain de la norme ISO 7500-1 pour l'étalonnage des machines d'essai universelles.
• ISO 9513 — Matériaux métalliques — Étalonnage des systèmes d'extensomètres utilisés dans les essais uniaxiaux.
• ASTM E83 — Pratique standard pour la vérification et la classification des systèmes d'extensomètres.
• ISO 6892-1 — Matériaux métalliques — Essai de traction — Partie 1 : Méthode d'essai à température ambiante.
• ISO 6892-2 — Essai de traction à température élevée (applicable aux essais en chambre thermique).
• ASTM E8/E8M — Méthodes d'essai normalisées pour les essais de traction des matériaux métalliques.

Sources faisant autorité

• L’ISO (Organisation internationale de normalisation) gère les séries de normes ISO 7500 et ISO 6892 relatives aux machines d’essai universelles.
• ASTM International. Normes de référence nord-américaines ASTM E4, E83, E8.
• INRIM – Institut national de recherches métrologiques. Institut italien pour la traçabilité des échelles de force (âge de la masse et de l'accélération gravitationnelle).
• ACCREDIA. Organisme d'accréditation italien pour les laboratoires d'étalonnage de capteurs de force et de jauges de contrainte.

Questions fréquemment posées sur la machine d'essai universelle

Quelles classes de précision la norme ISO 7500-1 propose-t-elle ?

La norme ISO 7500-1 classe la machine en fonction de l'erreur relative du capteur de force. Classe 0,5 : erreur relative ≤ 0,5 % de la valeur indiquée, requise pour les essais de caractérisation des matériaux (R&D, qualification des lots aérospatiaux). Classe 1 : erreur ≤ 1 %, norme industrielle pour les essais mécaniques ISO 6892 et ASTM E8. Classe 2 : erreur ≤ 2 %, applications de contrôle qualité moins critiques. Classe 3 : erreur ≤ 3 %, essais comparatifs uniquement. L'étalonnage est réalisé avec des jeux de masses d'essai OIML R111 de classe E2/F1 ou avec des capteurs de force de référence avec une incertitude ≤ 0,1 %. La vérification est généralement effectuée à 20 %, 40 %, 60 %, 80 % et 100 % de la pleine échelle avec au moins 5 points de montée et de descente pour détecter l'hystérésis. Fréquence recommandée : annuellement ou tous les 10⁴ à 10⁵ cycles de charge.

Comment réalise-t-on un essai de traction conformément à la norme ISO 6892-1 ?

La norme ISO 6892-1 définit les méthodes A et B pour l'essai de traction uniaxiale à température ambiante (10-35 °C) d'éprouvettes métalliques. Méthode A (vitesse de déformation contrôlée) : contrôle actif de la vitesse de déformation, 0,00025 s⁻¹ ou 0,0067 s⁻¹ selon l'accord ; nécessite un extensomètre de classe 1 conforme à la norme ISO 9513 (erreur ≤ 1 %). Méthode B (vitesse de déplacement de la traverse) : contrôle de la vitesse de déplacement de la traverse, 5-30 mm/min pour le comportement élastique, avec accélération après la limite d'élasticité. Principales mesures : Rp₀,₂ (limite d'élasticité à 0,2 % de déformation), Rm (résistance à la traction), A (allongement à la rupture), Z (zone de striction). L'éprouvette normalisée est de type 3, de diamètre d₀ = 10 mm et de longueur utile L₀ = 5d₀ = 50 mm, conformément à la norme ISO 6892 (format proportionnel). L'acquisition nécessite une fréquence ≥ 10 Hz, une précision F ± 1 % et ε ± 1 % selon les classes.

Quand a-t-on besoin d'une chambre climatique intégrée à une machine universelle ?

L'enceinte climatique intégrée est requise pour les essais à température non ambiante conformément aux normes ISO 6892-2 (haute température, > 35 °C), ASTM E21 ou ASTM E606 (fatigue). Plages typiques : -70 à +350 °C pour les métaux de structure, -80 à +200 °C pour les polymères, -196 °C (azote liquide) pour les aciers cryogéniques aérospatiaux. L'intégration nécessite : (1) un extensomètre haute température (jauge de contrainte de type KM pour < 350 °C, extensomètre LVDT pour les applications cryogéniques) conforme à la norme ISO 9513 classe 1 ; (2) des mors en superalliage pour > 300 °C ; (3) des fenêtres optiques pour un extensomètre vidéo sans contact (système DIC). Le temps de maintien à l'équilibre thermique

Comment calibrer une cellule de charge et un extensomètre ?

La cellule de charge est étalonnée selon la norme ISO 376 à l'aide d' un dynamomètre de référence de classe 00, 0,5 ou 1 (incertitude de 0,03 %, 0,1 % ou 0,3 %) appliqué à la chaîne mécanique. Procédure : 3 cycles de précharge à 100 % de la pleine charge, puis 3 séries de mesures avec le dynamomètre pivoté de 120° pour compenser les effets de désalignement. Incertitude combinée typique ≤ 0,5 % pour une cellule de classe 1. L'extensomètre est étalonné selon la norme ISO 9513 à l'aide d'un comparateur de déplacement certifié (micromètre laser ou interféromètre) sur toute sa plage de mesure, vérifiée à 20 %, 40 %, 60 %, 80 % et 100 % par balayage aller-retour. La traçabilité est assurée jusqu'aux unités SI via ACCREDIA/INRIM. La documentation du certificat d'étalonnage doit inclure : l'incertitude, les tables de correction, les conditions environnementales (20 ± 2 °C, 50 ± 10 % RH), la période de validité généralement de 12 mois.