Qu'est-ce que l'essai et la valeur de résilience ?

L'acier devient plus cassant et fragile lorsqu'il fait plus froid, ce qui le rend également plus sensible aux fissures. Afin de garantir la sécurité des ponts, bâtiments et diverses constructions en acier à différentes températures, les spécifications font souvent référence à des ténacités de résilience telles que JR, J0 et J2. Ces valeurs sont déterminées à l'aide d'un essai de résilience et indiquent la ténacité du matériau.

Dans cet article, nous expliquons la signification de tous ces différents termes.

Qu'est-ce que la ténacité ?

La ténacité est une propriété du matériau qui indique la capacité d'un type d'acier à se déformer sous une charge sans se fissurer ni se rompre.

Pour plus de clarté, les concepts de fragilité et de ténacité sont opposés :

• Un matériau fragile se brise relativement facilement sans se déformer. 
• Un matériau tenace se brise relativement difficilement et se déforme beaucoup.

L'exemple suivant illustre bien ces différences :

• Le verre est fragile, car il se brise rapidement et présente une surface de rupture sans déformation. 
• Les barres de caramel sont tenaces, car elles se cassent lentement et doivent vraiment être pliées en deux.

Idéalement, l'acier est donc un peu plus résistant et tenace, afin qu'il ne se brise pas rapidement.

Mais à température ambiante, l'acier est déjà assez cassant. Et plus l'acier est froid, plus il devient cassant. Allons-nous construire des bâtiments, des structures ou des ponts à l'air libre ? Dans ce cas, les températures plus basses rendent automatiquement l'acier plus fragile.

Revenons à cette barre de caramel. À température ambiante, vous pouvez facilement la plier en deux. Mais si la barre a passé une journée au congélateur ? Vous pouvez alors la casser en morceaux sur la table. C'est l'influence de la température sur la dureté.

C'est pourquoi il est utile de savoir à l'avance à quel point une qualité d'acier spécifique est « cassante » à certaines températures. Nous pouvons le déterminer à l'aide d'un essai de résilience. 

Qu'est-ce que l'essai de résilience ?

Un essai de résilience (également appelé essai Charpy V Notch) permet de mesurer la quantité d'énergie nécessaire pour briser une tige d'essai. Le résultat de cet essai est indiqué par la valeur de résilience. Il s'agit d'un nombre exprimé en +/- joules.

La limite généralement acceptée est de 27 joules. Si la valeur d'impact est inférieure, le matériau est considéré comme fragile. Si la valeur est supérieure, le matériau est considéré comme tenace.

NB : un acier avec une valeur d'impact de 26 joules n'est donc pas nécessairement fragile, mais il est moins résistant qu'un acier avec une valeur d'impact de 27 joules.

Les matériaux fragiles se cassent plus rapidement et nécessitent moins d'énergie. Les matériaux tenaces se cassent plus difficilement et nécessitent plus d'énergie.

La température a une influence sur la ténacité à la rupture de l'acier. C'est pourquoi l'essai de résilience est effectué à différentes températures. Cela donne lieu aux abréviations (et significations) du tableau ci-dessous pour les qualités d'acier.

Comment interpréter ces données ? 

Si l'exigence stipule qu'une qualité d'acier doit présenter une ténacité suffisante à une température spécifique, vous pouvez alors déterminer quelle désignation doit avoir la qualité d'acier.

L'acier doit-il présenter une ténacité suffisante à 20 °C ? Dans ce cas, une qualité avec la désignation JR est suffisante. L'acier doit-il présenter une ténacité suffisante à -20 °C ? Dans ce cas, une qualité avec la désignation J2 est suffisante.

Pour les constructions en Belgique ou en France, cela est presque toujours suffisant. Pour les ponts en Norvège, la barre est placée beaucoup plus haut. Les températures y atteignent jusqu'à -50 °C. Il n'est donc pas surprenant qu'on y opte rapidement pour une qualité d'acier J4 ou J5. 

NB : Les désignations NL1 et NL2 sont également prises en compte ici, mais pour des raisons de concision, nous n'approfondirons pas ce sujet dans le cadre de cet article.

Pourquoi un J2 peut-il supporter -20 °C et un JR seulement 20 °C ?

Bien qu'ils soient classés dans la même catégorie de qualité d'acier, plusieurs facteurs font qu'un J2 est adapté à des températures plus basses et un JR non.

La principale raison est liée à la pureté du matériau. En effet, des teneurs plus faibles en soufre (S) et en phosphore (P) entraînent moins d'inclusions et donc moins de points d'initiation pour la rupture fragile.

En théorie, la microstructure du matériau (plus ou moins fine) et le contrôle du processus pendant le laminage et le refroidissement peuvent également avoir une influence. Mais dans la pratique, la microstructure d'un J2 n'est pas nécessairement plus fine que celle d'un JR et un contrôle du processus est toujours nécessaire (pour garantir un acier de bonne qualité).

La norme par rapport à un arrêté de construction

Les règlements de construction ou autres spécifications techniques exigent parfois une indication J pour les tôles de 5 mm d'épaisseur ou moins. Cependant, selon la norme EN 10025, l'essai de résilience n'est prescrit que pour les tôles de 6 mm d'épaisseur ou plus. En effet, pour les tôles plus fines, l'essai ne peut plus être effectué de manière fiable, car la plus petite barre d'essai de résilience mesure 55 x 5 x 5 mm. Cette taille n'est plus adaptée à l'essai. Dans ce cas, la mention J ne figure souvent pas sur le certificat du matériau.

En général, cela est accepté dans la pratique. En effet, d'un point de vue technique, les tôles plus fines ont au moins la même résistance à l'entaille que les tôles plus épaisses du même type d'acier. Sur le plan administratif, aucune indication J n'est ajoutée. Dans le cadre d'un projet, cela conduit parfois un constructeur à reconnaître qu'une exigence stricte du décret sur la construction n'est pas vérifiable.

Quoi qu'il en soit, l'absence de la mention J sur les tôles plus fines ne signifie pas que le matériau n'est pas assez résistant, mais simplement que l'essai de résilience n'est pas réalisable (et donc pas obligatoire).

Des questions ?

Vous avez des questions sur l'essai de résilience, la ténacité de résilience ou la fragilité ? N'hésitez pas à nous contacter.

NB : Cet article a été rédigé en collaboration avec MCB.