Un guide des techniques d'essais de matériaux composites

par Alan Thomas, marketing, ZwickRoell UK

Par rapport aux matériaux conventionnels, les matériaux composites avancés peuvent offrir des avantages tels qu’un meilleur rapport résistance/poids et une meilleure durabilité des composants. Cependant, avant que ces matériaux ne soient introduits dans le processus de fabrication, ils doivent être minutieusement testés et leurs performances validées.

La caractérisation complète des propriétés des matériaux composites destinés à être utilisés dans des applications exigeantes nécessite la réalisation d'une série d'essais mécaniques. La détermination des propriétés mécaniques nécessite des essais de traction, de compression et de cisaillement.

Lors de la qualification et du développement des matériaux, d'autres tests sont utilisés pour déterminer des propriétés plus complexes, telles que la tension/compression en trou ouvert, la ténacité inter-laminaire, la compression après impact et la fatigue. Les tests doivent être effectués sur une plage de températures sur des échantillons qui peuvent avoir été conditionnés dans diverses conditions environnementales telles qu'une humidité élevée ou une immersion dans des fluides.

Les tests de composites pour les applications aérospatiales constituent l’un des domaines de tests les plus exigeants. Les laboratoires qui effectuent des tests de composites pour des applications aérospatiales sont confrontés à des défis importants, notamment : garantir que les tests sont effectués conformément au large éventail de normes ; être capable de démontrer un alignement précis des mors et des fixations et la capacité de changer efficacement les fixations de test pour couvrir un large éventail de tests, et garantir un environnement de test correct.

Les procédures de test composites ont été standardisées par diverses organisations. Les principales normes internationales d'essais de composites sont celles publiées par l'ASTM, l'ISO et le CEN.

Outre les normes reconnues à l'échelle internationale, il existe des normes « internes » des fabricants couramment utilisées, notamment celles d'Airbus et de Boeing. Dans de nombreux cas, les méthodes d'essai décrites par les différentes normes sont fondamentalement les mêmes, mais il existe des différences significatives dans les dimensions de l'éprouvette et du montage.

En outre, les organismes d'audit tels que Nadcap définissent plus en détail les critères de performance, par exemple l'alignement des équipements de test.

Les essais de traction dans le plan des stratifiés composites simples sont probablement les essais les plus courants, mais des essais de traction sont également effectués sur des faisceaux de fibres imprégnés de résine, des éprouvettes dans toute l'épaisseur et des sections de matériaux d'âme sandwich.

Les éprouvettes de traction sont dotées de faces parallèles avec des languettes collées pour empêcher les mâchoires de préhension d'endommager le matériau et de provoquer une défaillance prématurée. Les dispositifs de préhension comprennent des pinces à coin manuelles et hydrauliques et pour les essais aérospatiaux exigeants, les solutions de pinces à coin hydrauliques sont généralement préférées en raison de leur contrôlabilité et de leur répétabilité.

Cependant, des mors mécaniques bien conçus peuvent également fournir de bons niveaux d’alignement. Les dispositifs de préhension hydrauliques pour les essais hors température ambiante placent souvent les composants hydrauliques à l'extérieur de la chambre thermique pour des raisons de sécurité et de fiabilité.

L'alignement précis des mors et de l'éprouvette est extrêmement important lors des tests de matériaux composites, car les propriétés anisotropes, telles que le module et la résistance du matériau, diffèrent en fonction de la direction de la contrainte appliquée et sont souvent de nature fragile. Les dispositifs d'alignement réglables garantissent que les systèmes de test répondent aux critères d'alignement requis pour des tests fiables de composites et comme l'exigent les programmes d'audit spécifiques reconnus par les industries aérospatiales, tels que Nadcap.

Les dispositifs d'alignement doivent permettre le réglage de la concentricité et de l'angularité lorsque la chaîne de charge de la machine est sous charge. La méthode largement acceptée pour vérifier l’alignement sous charge consiste à utiliser un échantillon d’alignement à jauge de contrainte. L'éprouvette d'alignement doit avoir des dimensions aussi proches que possible des éprouvettes testées et l'éprouvette d'alignement sera équipée de groupes de jauges de contrainte.

Un logiciel spécialement conçu est disponible pour fournir un affichage des erreurs de flexion, de concentricité et d'angularité. Le logiciel identifie les ajustements requis et affiche l'effet des ajustements, permettant une configuration rapide et précise de la machine de test.