Résilience des aciers aux chocs et essais Charpy

Ce que signifie la ténacité aux chocs de l’acier — et ce que l’énergie Charpy ne signifie pas

Ténacité aux chocs par rapport à la résistance, à la ductilité et à la ténacité à la rupture

La ténacité aux chocs est la résistance d’un matériau à la rupture lorsqu’une charge est appliquée rapidement, souvent au niveau d’une entaille qui concentre les contraintes. Il ne s’agit pas de la même propriété que la résistance, la ductilité en traction ou la ténacité à la rupture, bien que toutes puissent influer sur le résultat.

La limite d’élasticité décrit la contrainte à laquelle commence la déformation plastique au cours d’un essai de traction. La résistance à la traction est la contrainte nominale maximale atteinte lors de cet essai. Aucune de ces deux valeurs n’indique comment se comportera un acier comportant une fissure aiguë lors d’un chargement rapide. Un acier à haute résistance peut présenter une faible résistance à la rupture par clivage, en particulier à basse température, tandis qu’un acier de moindre résistance peut absorber une énergie d’impact importante.

La ductilité décrit la déformation plastique avant la rupture, généralement au moyen de l’allongement ou de la réduction de section d’une éprouvette de traction. La ténacité aux chocs comprend un effet de vitesse et un effet d’entaille que la ductilité ordinaire en traction ne reproduit pas. Une éprouvette Charpy entaillée offre peu de possibilités de redistribuer les contraintes par une déformation uniforme. L’entaille fait donc de la concentration locale des contraintes et de l’amorçage de fissure des éléments centraux de l’essai.

L’énergie absorbée lors de l’essai Charpy n’est ni une valeur de KIC ni une mesure complète de la ténacité à la rupture. Strong evidence

Ténacité à la ruptureTénacité à la rupture Propriété de résistance à la fissuration mesurée selon une géométrie d’éprouvette, une sollicitation, une épaisseur, une fissure et des conditions de validité définies.

La ténacité à la rupture constitue une catégorie de propriété différente. Des valeurs telles que $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ ou le déplacement d’ouverture en tête de fissure (CTOD) décrivent la résistance d’une fissure préexistante à sa propagation dans des conditions définies concernant l’éprouvette, l’épaisseur, le chargement et la validité de l’essai. $K_{\mathrm{IC}}$, par exemple, est une valeur de ténacité à la rupture en déformation plane obtenue dans des conditions destinées à limiter les effets de la taille de l’éprouvette et de la plasticité. Une entaille en V Charpy est suffisamment aiguë pour favoriser l’amorçage de la rupture, mais il ne s’agit pas d’une éprouvette de ténacité à la rupture préfissurée par fatigue, et son énergie absorbée n’est pas une valeur de $K_{\mathrm{IC}}$.

Le comportement d’arrêt de fissure doit également être considéré séparément. Un matériau peut résister à l’amorçage d’une fissure tout en offrant une résistance différente à une fissure en propagation. Pour les aciers de pipeline, l’essai de déchirure par poids tombant évalue le comportement d’arrêt de fissure en mesurant les fractions de rupture par cisaillement ductile et de rupture par clivage sur les surfaces de rupture, dans une plage de températures d’impact. Cette méthode n’est pas interchangeable avec l’essai Charpy.

Pourquoi l’énergie absorbée est un indicateur indirect du matériau

Dans un essai Charpy classique, un pendule frappe une éprouvette entaillée simplement appuyée. La différence entre l’énergie initiale et l’énergie finale du pendule indique le travail absorbé par l’éprouvette et, en pratique, par certaines pertes associées prises en compte par la procédure d’essai. Le résultat est exprimé comme une énergie d’impact absorbée, généralement en joules. En 2024, le NIST a décrit l’essai Charpy comme un essai à vitesse de chargement élevée qui mesure l’énergie absorbée pendant la rupture et fournit une mesure indirecte de la ténacité aux chocs.

[1][1] ISO 148-1:2016 Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2016.

« Indirecte » est le mot important. L’énergie mesurée combine plusieurs phénomènes : déformation plastique au voisinage de l’entaille, amorçage de fissure, propagation stable ou instable de la fissure, frottement et effets de la machine, ainsi que processus de rupture finale. Il ne s’agit pas d’une constante unique du matériau qui pourrait être transposée sans modification à toutes les géométries de composants ou à toutes les vitesses de chargement. La norme ASTM E23 couvre les essais d’impact Charpy sur poutre simplement appuyée et Izod sur poutre en porte-à-faux, notamment les exigences relatives aux éprouvettes, les procédures, la vérification de la machine, le compte rendu et la détermination de l’aspect de la rupture par cisaillement. La norme ISO 148-1:2016 spécifie les essais d’impact pendulaire Charpy avec entaille en V et entaille en U pour les matériaux métalliques. Le type d’entaille est important ; les résultats obtenus avec une entaille en V et une entaille en U ne doivent pas être considérés comme équivalents sans base spécifiée.

L’aspect de la rupture fournit des informations que le seul nombre d’énergie ne peut pas fournir. Une déchirure ductile nécessite généralement une déformation plastique importante et absorbe davantage d’énergie. Une rupture dominée par le clivage en absorbe généralement moins. Le pourcentage de rupture par cisaillement, l’expansion latérale et la position d’un résultat sur une courbe de transition ductile-fragile peuvent donc modifier l’interprétation technique d’une même énergie nominale.

Les essais instrumentés peuvent apporter des informations supplémentaires sur la réponse force-temps ou force-déplacement. La norme ISO 14556:2023 spécifie l’essai Charpy instrumenté avec entaille en V ainsi que l’équipement utilisé pour mesurer et enregistrer des informations supplémentaires sur le comportement à la rupture ; la norme ISO 148-1:2016 ne couvre pas cette méthode instrumentée. L’état de la machine est également important. Les normes ASTM E23 et ISO 148-2 définissent les exigences de vérification, et le programme de vérification des machines Charpy du NIST utilise des éprouvettes certifiées pour les contrôles périodiques des machines.

Le danger de traiter une seule valeur Charpy comme une propriété universelle

Une affirmation telle que « cet acier présente une ténacité Charpy de 80 J » est incomplète. La température peut ne pas être indiquée. Il peut en être de même pour la géométrie de l’entaille, l’orientation de l’éprouvette, l’épaisseur de la tôle, l’état du traitement thermique, l’emplacement de l’échantillonnage, la direction de l’essai, le nombre d’éprouvettes, la norme applicable et l’aspect de la rupture. Chaque omission peut modifier la signification du résultat.

Les aciers ferritiques présentent couramment une transition ductile-fragile lorsque la température diminue. Un résultat obtenu à température ambiante peut donc fournir peu de garanties quant au comportement à une température de service plus basse. Même dans la zone de transition, de faibles variations de température peuvent entraîner d’importants changements d’énergie et de mode de rupture. L’énergie du palier supérieur, l’énergie dans la zone de transition et le comportement du palier inférieur résultent de mécanismes de rupture différents ; des corrélations distinctes sont donc nécessaires lorsque des données Charpy sont utilisées pour estimer une valeur de ténacité à la rupture correspondant à une limite inférieure. Ces corrélations peuvent contribuer à une évaluation technique préliminaire pour des conditions définies concernant les aciers ferritiques ; elles ne transforment pas l’énergie absorbée en ténacité à la rupture en déformation plane.

Un résultat Charpy ne peut pas être interprété indépendamment du plan d’échantillonnage et de l’orientation de l’éprouvette. Strong evidence

[2][2] ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

L’orientation de l’éprouvette est une autre variable déterminante. Une éprouvette Charpy longitudinale ne prélève pas l’acier de la même manière qu’une éprouvette transversale ou dans le sens de l’épaisseur, car la direction de laminage, les inclusions, la structure en bandes et la structure granulaire influent sur la propagation de la fissure. La norme ASTM A673/A673M spécifie les procédures d’échantillonnage pour les essais Charpy longitudinaux avec entaille en V sur les aciers de construction et distingue les fréquences d’essai par coulée de celles des essais par pièce. L’échantillonnage fait donc partie intégrante du résultat ; il ne s’agit pas d’un détail administratif ajouté après l’essai.

L’évaluation réalisée par le NIST en 2011 sur des éprouvettes Charpy rainurées latéralement a montré que les rainures latérales réduisent la déformation plastique cumulée aux niveaux d’énergie du palier supérieur et favorisent le dédoublement, dont la sévérité est maximale à proximité de la température de transition ductile-fragile. Ce résultat montre pourquoi la géométrie de l’éprouvette peut modifier à la fois l’énergie mesurée et la surface de rupture.

Un résultat Charpy est utile lorsqu’il est présenté comme une observation d’essai définie : l’état du matériau, la norme, l’entaille, l’orientation, la température, le plan d’échantillonnage, l’énergie et l’aspect de la rupture doivent être considérés conjointement. Sans ce contexte, un seul nombre ne constitue pas une propriété universelle de l’acier et ne peut, à lui seul, établir la sécurité de service vis-à-vis de la rupture.

L’essai pendulaire de Charpy : éprouvette, entaille et événement de rupture

Éprouvettes Charpy à entaille en V et à entaille en U normalisées

Un essai Charpy utilise une petite barre rectangulaire présentant une entaille usinée sur l’une de ses faces. L’éprouvette est placée horizontalement entre deux appuis, puis frappée par un pendule sur la face opposée à l’entaille. Cette configuration force l’amorçage de la fissure en un emplacement contrôlé et sa propagation à travers le ligament résiduel. Le résultat n’est donc pas simplement une propriété « de l’acier » ; il constitue la réponse d’une éprouvette particulière, avec une entaille, une orientation, une température et un état du matériau donnés.

La norme ISO 148-1:2016 spécifie les essais pendulaires d’impact Charpy à entaille en V et à entaille en U pour les matériaux métalliques. Les désignations « entaille en V » et « entaille en U » décrivent le profil de l’entaille, et non deux résultats d’essai interchangeables. Une entaille en V possède des flancs inclinés qui se rejoignent au niveau d’un rayon de fond contrôlé, ce qui produit une concentration de contraintes relativement aiguë. Une entaille en U possède un fond arrondi et génère donc un champ de contraintes local différent. La profondeur de l’entaille, l’angle inclus, le rayon de fond, les dimensions de l’éprouvette et l’état de surface sont prescrits par la norme applicable. De faibles écarts peuvent modifier l’amorçage de la fissure et la déformation plastique avant la rupture.

Dimension nominale (mm)

L’éprouvette Charpy de dimensions normales couramment utilisée mesure nominalement 10 mm × 10 mm × 55 mm, bien que la norme applicable et la spécification du produit déterminent les dimensions autorisées et les variantes de dimensions réduites. Pour une éprouvette à entaille en V, l’entaille a normalement une profondeur de 2 mm, un angle inclus de 45 degrés et un rayon de fond spécifié. Ces valeurs décrivent une géométrie normalisée et non une recette générale applicable à toute éprouvette d’impact. Les dimensions des entailles en U doivent elles aussi respecter la norme sélectionnée et ne doivent pas être déduites de la pratique relative aux entailles en V.

La norme ASTM E23 couvre à la fois les essais d’impact Charpy sur poutre simplement appuyée et les essais Izod sur poutre encastrée. Cette distinction est importante. Une éprouvette Izod est maintenue comme une poutre encastrée et frappée au-dessus de l’appui, tandis qu’une éprouvette Charpy est appuyée à ses deux extrémités. Une valeur obtenue par l’une de ces méthodes ne peut pas être présentée comme résultant de l’autre. La norme ASTM E23 traite également des exigences relatives aux éprouvettes, des procédures, de la vérification des machines, de la consignation des résultats et de la détermination de l’aspect de la rupture par cisaillement.

L’entaille est généralement orientée de manière que le mouton applique la charge sur la face non entaillée et que l’entaille se trouve du côté tendu de la section en flexion. L’amorçage de la fissure se produit alors au fond de l’entaille lorsque le ligament fléchit. L’orientation de l’éprouvette doit également être consignée. Dans une tôle laminée, par exemple, une éprouvette Charpy à entaille en V prélevée longitudinalement échantillonne une combinaison différente de direction de laminage, d’inclusions, de structure en bandes et de structure granulaire par rapport à une éprouvette transversale ou prélevée dans le sens de l’épaisseur. La norme ASTM A673/A673M spécifie les procédures d’échantillonnage pour les essais Charpy longitudinaux à entaille en V de l’acier de construction et distingue les fréquences d’essai par coulée de celles des essais par pièce. L’échantillonnage fait donc partie intégrante de la signification du résultat consigné.

Impact pendulaire et calcul de l’énergie absorbée

Avant son déclenchement, le pendule est élevé à une hauteur définie et reçoit une énergie potentielle connue. Il oscille vers le bas, frappe l’éprouvette à une vitesse contrôlée, rompt ou fléchit la barre, puis remonte de l’autre côté jusqu’à une hauteur moindre. Sous une forme simplifiée, l’énergie absorbée s’écrit

$$E=\mathrm{mg}(h_1-h_2),$$

où $m$ est la masse effective du pendule, $g$ l’accélération de la pesanteur, et $h_1$ et $h_2$ les hauteurs initiale et finale du pendule. Les machines réelles tiennent compte des pertes mécaniques, du frottement, de la résistance de l’air, de la géométrie du mouton et de l’étalonnage de la machine. La valeur affichée est conventionnellement exprimée en joules.[3][3] Charpy Machine Verification Program. National Institute of Standards and Technology. NIST program resource, 2024.

Le NIST décrit l’essai Charpy comme un essai à vitesse de chargement élevée qui mesure l’énergie absorbée pendant la rupture et fournit une mesure indirecte de la ténacité aux chocs. Les machines sont contrôlées périodiquement au moyen de procédures telles que le NIST Charpy Machine Verification Program, avec des éprouvettes certifiées utilisées conformément aux normes ASTM E23 et ISO 148-2. La vérification établit que la machine fournit des résultats acceptables ; elle n’élimine pas les variations dues à la composition chimique de l’acier, au traitement thermique, à la préparation des éprouvettes ou à l’échantillonnage.

L’énergie comprend davantage que l’énergie nécessaire à la création d’une nouvelle surface de fissure. Elle inclut également la flexion élastique et plastique, l’amorçage de la fissure, la déchirure stable, les effets du frottement et les autres déformations qui se produisent pendant l’événement. Une valeur élevée s’accompagne souvent d’une déchirure ductile, tandis qu’une valeur faible accompagne généralement une rupture dominée par la clivage ; toutefois, l’énergie seule ne permet pas d’identifier l’ensemble du processus de rupture. La surface rompue doit être examinée et l’aspect de la rupture par cisaillement consigné lorsque cela est requis.

La température peut modifier fortement le résultat. Les aciers ferritiques, tels que de nombreuses nuances d’aciers de construction au carbone et faiblement alliés, peuvent présenter une transition ductile-fragile lorsque la température diminue. Une seule valeur mesurée à température ambiante ne peut pas représenter le comportement à une température de calcul hivernale, dans la zone affectée thermiquement d’une soudure ou lors d’un événement de propagation rapide d’une fissure en service. L’énergie Charpy peut étayer des corrélations spécifiées pour estimer une ténacité à la rupture minimale dans les aciers ferritiques, mais des relations distinctes s’appliquent au palier inférieur, à la zone de transition et au palier supérieur. Il ne s’agit pas d’une valeur de ténacité à la rupture en déformation plane et elle n’établit pas directement la résistance à l’arrêt d’une fissure. L’essai de déchirure par chute de poids constitue une méthode distincte destinée à évaluer le comportement d’arrêt des fissures dans les aciers pour canalisations ; il mesure les fractions de rupture par cisaillement ductile et par clivage aux différentes températures d’impact.

Géométrie sur poutre simplement appuyée, conditions d’appui et orientation de l’entaille

Pendant l’impact, l’éprouvette Charpy se comporte approximativement comme une poutre simplement appuyée. Ses extrémités reposent sur des enclumes selon une portée prescrite, tandis que le mouton applique une charge concentrée près du milieu. Les appuis, la portée, le rayon du mouton, le jeu, l’alignement et la vitesse d’impact influencent la contrainte de flexion ainsi que le niveau de triaxialité autour de l’entaille. Une éprouvette mal positionnée, mal alignée, endommagée ou frappée à un emplacement non conforme peut produire une valeur trompeuse même lorsque ses dimensions semblent correctes.

L’orientation de l’entaille détermine la direction du matériau placée en travers du trajet de la fissure. La texture de laminage, les inclusions allongées, la structure de solidification d’une soudure, la ségrégation et les déformations antérieures peuvent entraîner des différences importantes entre les résultats longitudinaux, transversaux et dans le sens de l’épaisseur. Les marques d’usinage, un rayon de fond excessif, les bavures, la corrosion et la chaleur produite pendant la préparation peuvent également modifier l’amorçage de la fissure. La comparabilité exige l’utilisation de la même norme, du même type d’entaille, des mêmes dimensions, de la même orientation, de la même température, de la même configuration d’appui et d’un historique de préparation identique.

Les rainures latérales illustrent la manière dont la géométrie peut modifier davantage le comportement à la rupture. En 2011, le NIST a indiqué que les rainures latérales réduisent l’accumulation de déformation plastique aux niveaux d’énergie du palier supérieur et favorisent le fendillement ; la sévérité du fendillement est maximale près de la température de transition ductile-fragile. De telles éprouvettes peuvent être utiles dans le cadre d’une étude définie, mais leurs résultats ne doivent pas être regroupés avec les valeurs Charpy ordinaires sans mentionner la méthode utilisée.[4][4] ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2023.

La norme ISO 14556:2023 spécifie les essais pendulaires d’impact Charpy instrumentés à entaille en V, qui enregistrent la force et le déplacement, ou des signaux associés, afin de fournir des informations supplémentaires sur le comportement à la rupture. La norme ISO 148-1:2016 ne remplace pas l’essai énergétique conventionnel par cette méthode instrumentée. Le résultat Charpy conventionnel constitue une réponse normalisée à un événement d’impact contrôlé unique — et non une simulation directe de toute fissure en service, de tout historique de chargement, de toute condition de bridage ou de tout problème d’arrêt de fissure.

ASTM E23, ISO 148-1:2016 et ISO 14556:2023

Les résultats Charpy sont des mesures normalisées, mais ils ne sont pas automatiquement interchangeables d’une norme à l’autre. Une valeur déclarée dépend de l’éprouvette, de l’entaille, de l’orientation, de la température d’essai, de la machine pendulaire, de son statut de vérification, de l’état du matériau et des règles de présentation des résultats. Elle décrit également l’énergie d’impact absorbée, et non la ténacité à la rupture en déformation plane, la résistance à l’arrêt de fissure ou tous les aspects du comportement à la rupture.

Le NIST décrit l’essai Charpy comme un essai à vitesse de sollicitation élevée qui mesure l’énergie absorbée lors de la rupture et fournit une mesure indirecte de la ténacité aux chocs (NIST, 2024). Cette distinction est importante pour les aciers ferritiques, qui subissent généralement une transition ductile-fragile lorsque la température diminue. Un résultat obtenu à température ambiante peut donc masquer une forte réduction de l’énergie à une température de service plus basse.

Ce que l’ASTM E23 encadre et consigne[5][5] ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

L’ASTM E23 couvre à la fois les essais d’impact Charpy sur éprouvette en flexion simple et les essais d’impact Izod sur éprouvette en flexion en porte-à-faux (ASTM International, 2025). Pour les essais Charpy, ses exigences portent sur les dimensions de l’éprouvette et les détails de l’entaille, le support et l’orientation de l’éprouvette, la procédure d’essai, le fonctionnement de la machine, la vérification et la présentation des résultats. La norme comprend également la détermination de l’aspect de la rupture par cisaillement, ce qui permet d’utiliser la surface de rupture en complément du résultat d’énergie absorbée.

Cette couverture fait de la valeur déclarée davantage qu’une simple indication fournie par un pendule, mais elle ne transforme pas l’essai en mesure directe de la ténacité à la rupture. La machine enregistre la différence d’énergie associée à la rupture de l’éprouvette, généralement exprimée en joules ou en pieds-livres. La valeur n’est significative qu’accompagnée du type d’entaille, de l’orientation de l’éprouvette, de la température d’essai, de l’identification du matériau et de l’exigence d’acceptation applicable.

L’état de la machine fait partie de la chaîne de mesure. Les machines Charpy sont vérifiées périodiquement avec des éprouvettes de référence certifiées conformément à l’ASTM E23 et à l’ISO 148-2, dans le cadre de programmes tels que le Charpy Machine Verification Program du NIST. Une machine qui n’a pas satisfait aux exigences de vérification applicables peut produire un résultat numériquement précis, mais néanmoins impropre à la comparaison.

L’ASTM E23 ne définit pas non plus à elle seule la signification de l’échantillonnage pour chaque produit en acier. L’ASTM A673/A673M spécifie les procédures d’échantillonnage applicables aux essais Charpy longitudinaux sur entaille en V de l’acier de construction et distingue les fréquences d’essais par coulée de celles des essais par pièce. Deux résultats obtenus selon la même procédure d’impact peuvent donc représenter des niveaux différents de surveillance de la production si leurs plans d’échantillonnage diffèrent.

L’aspect de la rupture fournit des informations que l’énergie seule ne peut pas fournir. Une rupture ductile par cisaillement absorbe généralement davantage d’énergie, tandis qu’une rupture fragile dominée par la rupture par clivage en absorbe généralement moins. Le pourcentage de rupture par cisaillement peut indiquer la position d’une éprouvette sur une courbe de transition, bien que les mesures d’aspect doivent suivre la procédure de présentation des résultats applicable. Un résultat à haute énergie sur le plateau supérieur n’établit pas une valeur particulière de $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ ou de la ténacité à l’arrêt de fissure.

Domaine d’application de l’ISO 148-1:2016 pour les essais Charpy conventionnels

L’ISO 148-1:2016 spécifie les essais d’impact pendulaire Charpy sur entaille en V et en U pour les matériaux métalliques (ISO, 2016). Elle définit le dispositif d’essai conventionnel : une éprouvette entaillée est supportée comme une poutre simplement appuyée et rompue par un percuteur pendulaire dans des conditions spécifiées. L’énergie absorbée qui en résulte est une valeur d’impact définie par la méthode, et non une constante universelle du matériau.

Les configurations à entaille en V et en U ne sont pas interchangeables. Leur géométrie d’entaille modifie la concentration des contraintes, la déformation plastique, l’amorçage de la fissure et l’énergie nécessaire pour rompre l’éprouvette. Les dimensions de l’éprouvette, la forme de l’entaille, l’orientation, la température, les caractéristiques du percuteur et la vérification de la machine doivent donc accompagner toute comparaison entre des résultats obtenus selon l’ISO 148-1:2016 et ceux d’une autre méthode.

L’ISO 148-1:2016 exclut les essais Charpy instrumentés. Elle concerne l’essai pendulaire conventionnel et la détermination de l’énergie absorbée ; les mesures nécessitant l’enregistrement de la force et du déplacement relèvent de l’ISO 14556. L’ISO 148-2 traite de la vérification des machines pendulaires d’essai d’impact Charpy. La conformité à l’ISO 148-1:2016 ne doit donc pas être considérée comme la preuve qu’une machine non vérifiée produit des données comparables.[6][6] What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

Le domaine d’application de la norme n’efface pas non plus les effets propres au matériau. Un acier ferritique peut présenter un plateau inférieur, une zone de transition et un plateau supérieur lorsque la température varie. Des relations distinctes sont nécessaires lorsque l’énergie Charpy est utilisée pour estimer une valeur de la ténacité à la rupture correspondant à une limite inférieure dans ces différentes zones ; les relations applicables au plateau inférieur, à la zone de transition et au plateau supérieur ne sont pas les mêmes (TWI, 2024). Ces corrélations ne s’appliquent que dans les limites spécifiées pour le matériau, la géométrie et la température.[7][7] Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. National Institute of Standards and Technology. NIST publication, 2011.

Des recherches du NIST publiées en 2011 sur des éprouvettes Charpy à rainures latérales ont montré que les rainures latérales réduisent la déformation plastique accumulée aux niveaux d’énergie du plateau supérieur et favorisent le phénomène de séparation. La sévérité de cette séparation était maximale à proximité de la température de transition ductile-fragile. Ce résultat montre pourquoi la préparation de l’éprouvette peut modifier le comportement à la rupture sans changer la désignation Charpy nominale.

Essais Charpy instrumentés selon l’ISO 14556:2023

L’ISO 14556:2023 spécifie les essais d’impact pendulaire Charpy instrumentés sur entaille en V, ainsi que les équipements de mesure et d’enregistrement utilisés à cette fin (ISO, 2023). En plus de l’énergie totale absorbée par le pendule, le système instrumenté enregistre des données liées à la force pendant l’impact, ce qui permet d’analyser des phases telles que l’amorçage de la fissure, sa propagation instable et la rupture ultérieure, sous réserve du respect des exigences de mesure et d’interprétation des données de la norme.

Cette méthode peut fournir des informations sur le comportement à la rupture, et pas seulement une valeur d’énergie intégrée. Les enregistrements force-déplacement ou force-temps peuvent aider à distinguer l’énergie d’amorçage de l’énergie de propagation et peuvent révéler des différences entre la déchirure ductile, la rupture par clivage et la rupture mixte. Ces signaux supplémentaires ne produisent pas automatiquement une valeur de ténacité à la rupture en déformation plane ; la taille de l’éprouvette, le niveau de triaxialité, l’acuité de l’entaille, l’étalonnage et les hypothèses d’analyse restent importants.

L’ISO 14556:2023 est spécifiquement une méthode Charpy instrumentée sur entaille en V. Ses résultats ne doivent pas être combinés sans précaution avec les valeurs conventionnelles sur entaille en V obtenues selon l’ISO 148-1:2016 ou avec les valeurs de l’ASTM E23, même lorsque les éprouvettes semblent similaires. Des différences d’équipement, d’étalonnage, de définitions, de filtrage, de conventions de présentation des résultats et de critères d’acceptation peuvent modifier les grandeurs déclarées.

Les essais Charpy ne doivent pas non plus être confondus avec l’essai de déchirure par poids tombant. Cette méthode distincte examine le comportement à l’arrêt de fissure des aciers pour pipelines en mesurant les fractions de cisaillement ductile et de clivage à différentes températures d’impact. Elle répond à une question d’ingénierie différente. L’énergie Charpy, les données d’impact instrumenté, l’aspect de la rupture et les mesures d’arrêt de fissure sont des éléments de preuve liés, et non des désignations interchangeables.

Vérification de la machine, étalonnage et crédibilité d’un résultat

Vérification directe et éprouvettes de référence certifiées

Un résultat Charpy n’est crédible que lorsque l’ensemble du système d’essai a démontré sa capacité à produire une réponse connue. La vérification de la machine apporte cette démonstration. Elle ne consiste pas simplement à vérifier que le pendule oscille, que l’éprouvette s’insère entre les enclumes ou que l’échelle affiche une valeur plausible.

Selon ASTM E23 et ISO 148-2, la vérification directe utilise des éprouvettes de référence certifiées dont les valeurs d’énergie d’impact sont établies. Le laboratoire rompt ces éprouvettes sur la machine et compare les résultats mesurés à la plage certifiée. Comme le comportement des éprouvettes de référence est connu, celles-ci mettent à l’épreuve la machine et sa chaîne de mesure dans des conditions réelles d’impact, au lieu de vérifier uniquement certaines dimensions.

Cette distinction est importante, car l’essai Charpy est une mesure effectuée à une vitesse de chargement élevée. NIST décrit l’essai comme une mesure de l’énergie absorbée pendant la rupture, fournissant une mesure indirecte de la ténacité à l’impact. Le pendule doit transmettre l’énergie au cours d’un événement de rupture de courte durée, tandis que la machine enregistre la différence entre son énergie initiale et son énergie finale. De faibles pertes mécaniques ou des erreurs géométriques peuvent donc affecter la valeur rapportée.

Une vérification directe peut révéler plusieurs modes de défaillance simultanément. Un frottement excessif du pendule réduit l’énergie disponible avant l’impact. Un percuteur endommagé, arrondi, mal orienté ou de dimensions incorrectes modifie la manière dont l’entaille est sollicitée. Des enclumes usées ou un espacement incorrect des supports modifient les conditions de flexion et de contact. Un mauvais alignement des supports peut introduire une torsion ou une contrainte non uniforme. La machine peut néanmoins produire une rupture nette et une indication de cadran plausible tout en ne satisfaisant pas aux exigences relatives aux éprouvettes de référence.

La capacité de la machine joue également un rôle défini. Un pendule trop grand pour la plage d’énergie visée peut offrir une résolution insuffisante, tandis qu’une machine de capacité trop faible ne peut pas rompre correctement l’éprouvette ou peut perdre en exactitude de mesure à proximité de sa limite. La norme applicable et la conception de la machine déterminent la capacité autorisée, la plage d’énergie, la géométrie du percuteur, les supports d’éprouvette et le système d’indication.

La vérification n’est pas simplement synonyme d’étalonnage. L’étalonnage concerne généralement l’exactitude d’un élément de mesure par rapport à une référence traçable. La vérification consiste à déterminer si la machine Charpy assemblée, y compris ses composants mécaniques et son indication d’énergie, produit des résultats acceptables lors de l’essai prescrit. Un laboratoire peut étalonner un codeur ou inspecter une échelle et disposer malgré tout d’une machine qui échoue à la vérification directe parce que le percuteur, les paliers, le frottement ou les supports sont défectueux.

Le Programme de vérification des machines Charpy de NIST

Le Programme de vérification des machines Charpy de NIST contribue à la vérification périodique des machines Charpy au moyen d’éprouvettes certifiées, conformément à ASTM E23 et ISO 148-2. Ce programme existe parce que les différences entre machines peuvent être suffisamment importantes pour masquer les différences entre matériaux, notamment lorsque les énergies mesurées sont proches d’une limite de spécification ou lorsque les résultats sont comparés entre laboratoires.

Les éprouvettes certifiées ne remplacent pas les éprouvettes de production. Ce sont des matériaux de contrôle utilisés pour établir si la réponse mesurée par la machine se situe dans une plage acceptée. Un résultat conforme renforce la confiance dans le système d’essai au moment de la vérification ; il ne certifie pas chaque essai ultérieur et ne prouve pas que chaque éprouvette a été correctement préparée, orientée, conditionnée et essayée.

Des contrôles de routine restent nécessaires entre les vérifications formelles. Le personnel doit confirmer les dimensions du percuteur et des enclumes, l’alignement des supports, la position du pendule, la mise à niveau de la machine, les pertes par frottement, le fonctionnement du système d’indication ou de l’instrumentation, ainsi que l’état des dispositifs de protection et de confinement. L’éprouvette doit respecter les dimensions requises, le rayon et la profondeur de l’entaille, l’orientation de l’entaille et l’état de surface spécifiés. Une inspection de l’entaille peut identifier des bavures, une rugosité excessive, des marques d’usinage ou un rayon hors tolérance. Ces contrôles concernent la géométrie de l’éprouvette et de la machine ; la vérification directe concerne la réponse mesurée à la rupture de l’ensemble du système.

Le contrôle de la température constitue une autre source distincte d’incertitude. Les aciers ferritiques peuvent passer d’une rupture ductile à haute énergie à une rupture dominée par la clivage à faible énergie lorsque la température diminue. Une éprouvette essayée à la mauvaise température peut produire une valeur parfaitement répétable qui répond à la mauvaise question. Le laboratoire doit contrôler la durée de conditionnement, la durée de transfert, la température du bain ou de la chambre, ainsi que la température effectivement atteinte par l’éprouvette. La procédure de l’opérateur est tout aussi importante : un centrage incorrect, une éprouvette inversée, un déclenchement retardé ou une mauvaise orientation de l’entaille peuvent invalider une machine qui, par ailleurs, satisfait à la vérification.

ASTM E23 couvre les essais d’impact Charpy sur poutre simplement appuyée et les essais Izod sur poutre en porte-à-faux, y compris la vérification de la machine, l’établissement des rapports et la détermination de l’aspect de la rupture par cisaillement. ISO 148-1:2016 spécifie les essais pendulaires Charpy à entaille en V et à entaille en U pour les matériaux métalliques. Les essais instrumentés constituent un domaine distinct : ISO 14556:2023 traite des essais Charpy instrumentés à entaille en V ainsi que des équipements utilisés pour enregistrer des informations supplémentaires sur la rupture.

Pourquoi une valeur d’impact d’apparence correcte peut néanmoins être peu fiable

Une valeur numérique peut sembler raisonnable tout en étant dépourvue de signification pour le matériau. La vérification ne peut pas éliminer la dispersion entre éprouvettes, les variations entre coulées, les effets d’orientation ou les erreurs d’échantillonnage. ASTM A673/A673M spécifie les procédures d’échantillonnage applicables aux essais Charpy longitudinaux à entaille en V des aciers de construction et distingue les fréquences d’essai par coulée de celles des essais par pièce. Le plan d’échantillonnage fait donc partie intégrante de ce que le résultat représente. Trois éprouvettes correctement essayées provenant d’un emplacement non représentatif ne caractérisent pas l’ensemble d’une structure.

L’aspect de la rupture fournit des éléments que la seule valeur d’énergie ne peut pas fournir. Une rupture ductile par cisaillement consomme généralement davantage d’énergie qu’une rupture par clivage, mais une même énergie absorbée peut résulter de combinaisons différentes de cisaillement, de clivage, de séparation longitudinale et de déformation plastique. NIST a indiqué en 2011 que les rainures latérales réduisent l’accumulation de déformation plastique aux énergies du palier supérieur et favorisent la séparation longitudinale, dont la sévérité est maximale près de la température de transition ductile-fragile. La géométrie de l’éprouvette peut modifier le processus de rupture.

L’énergie Charpy ne constitue pas non plus une valeur de ténacité à la rupture en déformation plane. Des corrélations peuvent fournir une estimation de la ténacité à la rupture minimale pour certains aciers ferritiques et certaines plages de température, mais des relations distinctes s’appliquent au comportement du palier inférieur, de la région de transition et du palier supérieur. Une valeur mesurée à température ambiante ne peut pas décrire le comportement en service à basse température lorsque l’acier subit une transition ductile-fragile.[8][8] What is the drop-weight tear test?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

Enfin, l’essai Charpy ne remplace pas les essais d’arrêt de propagation des fissures. L’essai de rupture par chute de poids évalue le comportement d’arrêt des fissures des aciers pour pipelines au moyen des fractions de rupture par cisaillement ductile et par clivage sur une plage de températures d’impact. Il répond à une question différente. Une machine vérifiée rend une valeur Charpy plus fiable en tant que mesure ; elle ne transforme pas cette valeur en une description complète de la résistance à la rupture.

Température, aciers ferritiques et transition ductile-fragile

Les aciers ferritiques présentent souvent une transition ductile-fragile lorsque la température diminue. À des températures plus élevées, une déformation plastique peut se développer autour de l’entaille et absorber une énergie d’impact importante avant la séparation de l’éprouvette. À des températures plus basses, le mouvement des dislocations est davantage limité, la contrainte locale augmente rapidement au fond de l’entaille et une rupture par clivage peut se propager avec une déformation plastique limitée. Cette évolution ne se caractérise ni par une température universelle unique ni par une seule valeur Charpy.

Un essai Charpy enregistre l’énergie absorbée par une éprouvette entaillée lors de sa rupture, à une température et à une vitesse de chargement spécifiées. NIST le décrit comme un essai à vitesse de chargement élevée et comme une mesure indirecte de la résilience, et non comme un essai direct de ténacité à la rupture en déformation plane. Le résultat dépend également de la forme de l’entaille, de l’orientation de l’éprouvette, de l’état de la tôle ou du produit, de la procédure d’essai et de l’échantillonnage. ASTM E23 couvre les essais d’impact Charpy sur poutre simplement appuyée et Izod sur poutre en porte-à-faux, tandis que l’ISO 148-1:2016 spécifie les essais pendulaires Charpy sur éprouvettes à entaille en V et en U pour les matériaux métalliques. Ces désignations et ces procédures sont importantes lors de la comparaison des résultats.

Palier inférieur, zone de transition et palier supérieur

Palier inférieurPalier inférieur Région à basse température de la courbe Charpy d’un acier ferritique, où les énergies absorbées sont relativement faibles et où la rupture est généralement dominée par le clivage.

La courbe température-énergie Charpy courante est généralement divisée en trois régimes d’interprétation. Le palier inférieur correspond à la région des basses températures, dans laquelle les énergies absorbées restent relativement faibles et où leurs variations avec la température peuvent être modestes. La rupture est principalement de type clivage, même si de petites zones ductiles ou des lèvres de cisaillement peuvent également apparaître. Une faible valeur au palier inférieur indique une absorption limitée d’énergie plastique ; elle ne fournit pas à elle seule une description complète de la propagation d’une fissure dans une structure.

La zone de transition se situe entre les paliers inférieur et supérieur. Ici, une variation modeste de la température peut entraîner une variation importante de l’énergie absorbée et de l’aspect de la rupture. Certaines éprouvettes peuvent présenter un mélange de clivage et de cisaillement ductile, et la dispersion peut être importante. La température associée à une énergie spécifiée, par exemple dans le cadre d’une exigence contractuelle, ne correspond donc pas automatiquement à la température physique de transition du matériau. Une autre définition peut utiliser une énergie médiane, un critère fondé sur l’aspect de la rupture ou un pourcentage spécifié de rupture par cisaillement.

Au palier supérieur, l’éprouvette absorbe beaucoup plus d’énergie grâce à une déformation plastique importante avant la séparation finale. La valeur mesurée ne constitue toujours pas une valeur directe de ténacité à la rupture. L’énergie Charpy au palier supérieur est influencée par les dimensions de l’éprouvette, l’acuité de l’entaille, la vitesse de déformation, l’orientation et le niveau de triaxialité des contraintes. NIST a signalé en 2011 que les rainures latérales des éprouvettes Charpy réduisent l’accumulation de déformation plastique aux niveaux d’énergie du palier supérieur et favorisent le fendage, l’intensité de ce fendage étant maximale à proximité de la température de transition ductile-fragile. Un résultat obtenu sur une éprouvette munie de rainures latérales ne doit pas être considéré comme interchangeable avec celui d’une éprouvette standard non modifiée.

Ces régimes ne sont pas des points situés sur une échelle linéaire allant de « mauvais » à « bon ». Des relations distinctes sont utilisées lorsque l’énergie Charpy est corrélée à une ténacité à la rupture inférieure pour les comportements du palier inférieur, de la zone de transition et du palier supérieur, comme l’a indiqué TWI en 2024. Ces corrélations nécessitent une classe d’acier, une plage de températures, une configuration d’éprouvette et des hypothèses de triaxialité des contraintes applicables. L’énergie Charpy reste une énergie d’impact, mesurée en joules ; la ténacité à la rupture est couramment exprimée au moyen de paramètres tels que $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ ou une mesure apparentée de la pointe de fissure.

Rupture par clivage et cisaillement ductile

Le clivage est un processus de rupture rapide et fragile au cours duquel une fissure progresse suivant des plans cristallographiques privilégiés, avec peu de déformation plastique préalable. Sa surface de rupture présente souvent un aspect relativement brillant et granuleux. Comme le travail plastique réalisé est limité, les éprouvettes dont la rupture est dominée par le clivage absorbent généralement moins d’énergie Charpy. Le palier inférieur est donc associé à une faible énergie et à une forte proportion de rupture fragile, même si l’aspect exact dépend de l’acier, de l’orientation, de l’entaille et de la température d’essai.

La rupture ductile se développe par écoulement plastique ainsi que par nucléation, croissance et coalescence de microcavités. Elle consomme généralement davantage d’énergie et produit une surface d’aspect fibreux ou mat, souvent accompagnée de lèvres de cisaillement près des faces externes. La zone de transition peut présenter les deux mécanismes sur une même surface de rupture. La communication de l’énergie absorbée sans indication de l’aspect de la rupture peut masquer cette évolution.

Pour cette raison, les normes et les spécifications peuvent exiger le pourcentage de rupture par cisaillement en plus de l’énergie. Une éprouvette présentant une énergie modérée et une rupture mixte raconte une histoire différente d’une éprouvette présentant la même énergie, mais une rupture principalement due à un cisaillement ductile. ASTM E23 comprend la détermination de l’aspect de la rupture par cisaillement ainsi que des exigences de rapport. Les essais instrumentés peuvent fournir en plus des informations sur la force, le déplacement et l’énergie absorbée pendant l’événement : l’ISO 14556:2023 traite des essais Charpy instrumentés sur éprouvettes à entaille en V, tandis que l’ISO 148-1:2016 ne couvre pas cette méthode instrumentée.

L’essai de déchirure par chute de poids fournit une autre distinction utile. Il s’agit d’une méthode distincte applicable aux aciers pour pipelines, destinée à étudier le comportement d’arrêt des fissures et à évaluer les fractions de cisaillement ductile et de clivage sur une plage de températures d’impact. Ses résultats ne doivent pas être substitués à l’énergie Charpy ni présentés comme s’ils correspondaient à la même mesure.

Pourquoi la température de service doit déterminer la température d’essai

La température d’essai de référence devrait représenter la condition de service pertinente la plus froide, en tenant compte des marges exigées par le code de conception et la spécification applicables. Un résultat Charpy obtenu à température ambiante n’établit les performances qu’à cette condition d’essai, ou à une condition proche. Il ne permet pas d’établir la position du palier inférieur, le comportement de transition ou l’aspect de la rupture à une température de conception plus basse.

Cette limitation est particulièrement importante pour les aciers de construction ferritiques. ASTM A673/A673M spécifie les procédures d’échantillonnage applicables aux essais Charpy longitudinaux sur éprouvettes à entaille en V pour les aciers de construction et distingue les fréquences d’essai par coulée de celles des essais par pièce. L’échantillonnage fait partie de la signification du résultat : un seul ensemble d’éprouvettes conforme ne décrit pas nécessairement chaque emplacement, orientation, coulée, épaisseur ou état du produit.

La température d’essai devrait donc être indiquée avec l’énergie absorbée, l’orientation de l’éprouvette, la désignation de l’entaille, la norme et toute exigence relative à la rupture par cisaillement. L’état de la machine est également important ; ASTM E23 et l’ISO 148-2 fournissent des cadres de vérification, tandis que le Charpy Machine Verification Program de NIST utilise des éprouvettes certifiées pour la vérification périodique des machines. Sans ces informations, une valeur de « ténacité Charpy » communiquée est incomplète. Pour un acier ferritique, la température n’est pas une note de bas de page du résultat ; elle peut déterminer si la rupture observée est principalement ductile ou dominée par le clivage.

Échantillonnage, orientation et historique de transformation de l’acier

ASTM A673/A673M et échantillonnage des aciers de construction

Un résultat Charpy décrit une éprouvette définie prélevée dans une pièce d’acier définie. Pour les tôles de construction, la norme ASTM A673/A673M est importante, car elle spécifie les procédures d’échantillonnage pour les essais longitudinaux de résilience Charpy sur éprouvette entaillée en V, au lieu de traiter l’échantillonnage comme une formalité administrative ajoutée après l’essai. La norme précise l’emplacement des prélèvements et la fréquence à laquelle les échantillons destinés aux essais de choc sont requis selon les dispositions relatives aux essais par coulée ou aux essais par pièce. Ces choix font partie intégrante de la signification du résultat.

L’emplacement du prélèvement peut avoir de l’importance, car une tôle n’est pas parfaitement homogène sur toute sa longueur, sa largeur ou son épaisseur. La ségrégation chimique peut être plus marquée dans certaines régions d’un lingot ou d’un produit coulé en continu, tandis que la réduction par laminage, la vitesse de refroidissement et les différences de température entre la surface et le centre peuvent produire des microstructures différentes dans l’épaisseur. Une éprouvette prélevée à l’un des emplacements autorisés démontre donc le comportement du matériau échantillonné dans le cadre du plan spécifié. Elle n’établit pas automatiquement le comportement de chaque emplacement de la tôle, de chaque tôle issue d’une campagne de production ou de chaque composant fabriqué à partir de celle-ci.

La norme ASTM A673/A673M doit également être consultée conjointement avec la spécification applicable au matériau ainsi qu’avec les exigences d’achat ou de fabrication. L’édition de la norme et les règles applicables au produit déterminent les dispositions précises relatives à l’échantillonnage. Un rapport indiquant seulement « soumis à un essai Charpy » omet des informations essentielles : la norme applicable, l’orientation de l’éprouvette, la température d’essai, l’emplacement du prélèvement, la fréquence requise, la valeur d’énergie absorbée et toute exigence relative à l’aspect de la rupture. La norme ASTM E23 fournit le cadre général des essais Charpy sur éprouvette simplement appuyée, notamment les exigences applicables aux éprouvettes, les procédures, la vérification de la machine, l’établissement des rapports et la détermination de l’aspect de la rupture par cisaillement. Le programme de vérification des machines Charpy du NIST décrit l’essai comme une mesure, à vitesse élevée de sollicitation, de l’énergie absorbée lors de la rupture ; il ne transforme pas cette énergie en une valeur directe de ténacité à la rupture en déformation plane.

Essais longitudinaux et transversaux

L’expression « Charpy longitudinal » identifie l’orientation de l’éprouvette par rapport à la direction principale de laminage du produit. Dans une éprouvette longitudinale, la longueur de l’éprouvette est généralement alignée sur la direction de laminage, tandis que l’orientation de l’entaille détermine la direction dans laquelle la fissure se propage à travers le matériau. Une éprouvette transversale est prélevée avec sa longueur perpendiculaire à la direction de laminage. Il s’agit de directions différentes dans le matériau, et non de désignations interchangeables.

Le laminage allonge les grains et les inclusions et peut produire une microstructure en bandes. Par conséquent, une fissure se propageant à travers des éléments allongés peut rencontrer une succession différente de ferrite, de perlite, de bandes de ségrégation ou d’inclusions par rapport à une fissure se propageant le long de ces éléments. L’énergie mesurée peut varier selon l’orientation, notamment dans les aciers pour tôles présentant une texture marquée, une forte structure en bandes ou une faiblesse dans le sens de l’épaisseur. Cet effet n’est pas déterminé par la seule désignation de la nuance. L’épaisseur de la tôle, le taux de réduction, les conditions de réchauffage, le laminage contrôlé, la normalisation, la trempe et le revenu, ainsi que l’historique de refroidissement, y contribuent tous.

L’entaille et la direction de propagation de la fissure méritent la même attention. Une désignation longitudinale dans la norme ASTM A673/A673M ne constitue pas un substitut universel à une exigence de ténacité transversale, dans le sens de l’épaisseur ou liée à une soudure. Si une structure sollicite une tôle dans une direction qui n’est pas représentée par l’éprouvette d’essai, la valeur rapportée peut constituer une base incomplète pour l’évaluation. L’ingénieur doit faire correspondre l’orientation de l’éprouvette à la trajectoire de fissuration prévue ainsi qu’à l’exigence de la norme de conception ou de matériau applicable.

La température ajoute une autre limite. Les aciers ferritiques subissent généralement une transition ductile-fragile lorsque la température diminue. Une valeur longitudinale mesurée à température ambiante peut donc dissimuler un résultat beaucoup plus faible à la température de service, ou une réponse différente de celle d’une éprouvette transversale à la même température. L’énergie absorbée et l’aspect de la rupture doivent être interprétés conjointement : une rupture ductile par cisaillement absorbe généralement davantage d’énergie, tandis qu’une rupture généralement dominée par la clivage en absorbe habituellement moins. La norme ASTM E23 comprend la détermination de l’aspect de la rupture par cisaillement, tandis que la norme ISO 148-1:2016 spécifie les essais pendulaires Charpy sur éprouvettes entaillées en V et en U pour les matériaux métalliques. Les mesures instrumentées constituent une catégorie distincte ; la norme ISO 14556:2023 couvre les essais Charpy instrumentés sur éprouvettes entaillées en V ainsi que les équipements utilisés pour enregistrer des informations supplémentaires sur la force et le déplacement.

Essais par coulée, essais par pièce et variabilité du matériau

Les essais par coulée et les essais par pièce sont des stratégies d’échantillonnage, et non deux appellations désignant le même essai. Dans le cadre des essais par coulée, la fréquence d’échantillonnage est liée à la coulée d’acier, c’est-à-dire au matériau produit à partir d’une même fusion chimique contrôlée. Les essais par pièce attribuent l’échantillonnage à des pièces ou unités individuelles du produit, conformément à l’exigence applicable. La norme ASTM A673/A673M distingue ces approches ainsi que leurs fréquences respectives ; une spécification faisant appel à l’une ne peut donc pas être interprétée comme si elle imposait l’autre. La fréquence exacte doit être déterminée à partir de l’édition applicable de la norme et de la disposition relative au produit ; elle ne doit pas être déduite d’une pratique Charpy générique.

Cette distinction est importante lorsqu’une coulée est transformée en un grand nombre de tôles, lorsque les tôles présentent des différences importantes d’épaisseur ou lorsque les conditions de transformation évoluent au cours de la production. Un échantillon prélevé au niveau de la coulée peut fournir des éléments sur le matériau représenté par le plan d’échantillonnage spécifié, mais il ne peut pas révéler chaque chapelet local d’inclusions, chaque bande de ségrégation, chaque délamination ou chaque variation de transformation. Les essais par pièce renforcent le lien direct entre un résultat et une pièce particulière du produit, mais ils examinent toujours la région échantillonnée plutôt que l’ensemble de la structure finie.

Les opérations réalisées après la production de la tôle peuvent accentuer encore la différence entre un résultat obtenu sur le métal de base et le comportement en service. Le soudage introduit des cycles thermiques qui modifient la taille des grains, les produits de transformation, la dureté, les contraintes résiduelles et la ténacité locale dans la zone affectée thermiquement. Un traitement thermique après soudage peut modifier de nouveau ces caractéristiques. Une éprouvette de tôle mère prélevée conformément à la norme ASTM A673/A673M ne qualifie pas le métal fondu ni la zone affectée thermiquement, à moins que ces régions ne soient échantillonnées et soumises séparément à des essais conformément à la procédure applicable.

En 2011, le NIST a indiqué que les rainures latérales des éprouvettes Charpy réduisent l’accumulation de déformation plastique aux niveaux d’énergie du palier supérieur et favorisent le phénomène de séparation, dont la sévérité est maximale à proximité de la température de transition ductile-fragile. Cela illustre pourquoi la géométrie de l’éprouvette et l’aspect de la rupture peuvent modifier l’interprétation d’une valeur d’énergie. L’énergie Charpy peut contribuer à des estimations spécifiées de la ténacité à la rupture minimale des aciers ferritiques, mais des relations distinctes s’appliquent au palier inférieur, à la zone de transition et au palier supérieur. Elle demeure un résultat d’énergie de choc obtenu pour l’orientation et l’état du matériau échantillonné, et non une description complète de chaque trajectoire de fissuration, de chaque région soudée ou de chaque composant.

Aspect de la fracture, aire de cisaillement, dédoublement et rainures latérales

L’éprouvette Charpy rompue contient des informations que la valeur de l’énergie absorbée ne peut pas montrer à elle seule. L’énergie correspond au travail effectué par le pendule pour rompre l’éprouvette ; l’aspect de la fracture indique comment ce travail a été dissipé. Une valeur élevée peut traduire une déformation plastique importante, tandis qu’une valeur plus faible peut indiquer une rupture rapide par clivage, mais une même énergie nominale peut résulter de différentes combinaisons de plasticité, de propagation de fissure et de confinement.

Cette distinction est particulièrement importante pour les aciers ferritiques, qui passent généralement d’un comportement ductile à température élevée à un comportement dominé par le clivage lorsque la température diminue. Un résultat à température ambiante peut donc masquer une transition au cours de laquelle le mode de rupture change fortement sur un intervalle de température relativement réduit. La norme ASTM E23 inclut la détermination de l’aspect de la fracture par cisaillement lors des essais Charpy et Izod, tandis que la norme ISO 148-1:2016 spécifie les essais d’impact au pendule Charpy sur éprouvettes entaillées en V et en U pour les matériaux métalliques. Aucune de ces normes ne fait de l’aspect de la fracture un substitut de l’énergie, de la ténacité ou de la qualification en service.

Lecture des caractéristiques ductiles et de clivage

Une zone de cisaillement ductile présente généralement un aspect fibreux, mat ou déchiré. La fissure progresse au moyen d’une déformation plastique importante, souvent par nucléation, croissance et coalescence de microcavités. Sur une surface de fracture, ce mécanisme peut produire une texture plus rugueuse et des lèvres de cisaillement inclinées près des surfaces libres. L’essai correspondant enregistre souvent une énergie absorbée plus élevée, car l’éprouvette se déforme de manière appréciable avant sa séparation complète.

La rupture par clivage est généralement plus brillante et d’aspect plus cristallin, avec des facettes relativement planes et des motifs en rivières indiquant une propagation rapide de la fissure suivant des plans cristallographiques privilégiés. Elle implique beaucoup moins de déformation plastique macroscopique que la déchirure ductile. Une surface dominée par le clivage accompagne souvent un faible résultat d’énergie d’impact, mais son aspect visuel doit être interprété en tenant compte de l’orientation de l’éprouvette, de la nuance d’acier, de la température, de l’état de l’entaille et de la méthode d’examen. Une surface rompue ne constitue pas à elle seule un diagnostic métallographique complet.

La transition est souvent mixte plutôt que brutale. Une même éprouvette peut présenter une déchirure ductile sur les surfaces externes et une zone de clivage plus proche de l’entaille, ou des zones ductiles et de clivage distinctes, séparées par une limite visible. La consignation de la fraction de fracture par cisaillement, souvent exprimée en pourcentage de la surface de fracture, peut montrer qu’un matériau traverse la transition ductile-fragile même lorsque les valeurs d’énergie se recouvrent. Par exemple, deux éprouvettes peuvent absorber une énergie similaire alors que l’une présente principalement une fracture fibreuse et que l’autre contient une zone de clivage importante ; ces résultats ne comportent pas le même avertissement concernant la propagation des fissures à basse température.

L’aspect de la fracture contribue également à mettre en évidence la dispersion des résultats. L’énergie Charpy est influencée par l’acuité de l’entaille, les inclusions locales, la structure des grains, l’orientation de l’éprouvette et la température d’essai. Une seule moyenne peut masquer une éprouvette présentant une zone de clivage exceptionnellement étendue. L’examen des faces rompues apporte une vérification physique permettant de déterminer si l’énergie mesurée concorde avec le mode de rupture attendu.

Ces éléments ne doivent pas être présentés à tort comme une ténacité à la rupture en déformation plane. Le NIST décrit l’essai Charpy comme un essai à vitesse de chargement élevée qui mesure l’énergie absorbée pendant la rupture et fournit une mesure indirecte de la ténacité à l’impact. Des corrélations peuvent permettre d’estimer une ténacité à la rupture correspondant à une borne inférieure pour les aciers ferritiques, mais des relations distinctes s’appliquent au palier inférieur, à la zone de transition et au palier supérieur. Une valeur Charpy ne constitue pas une mesure directe de $K_{\mathrm{IC}}$, de $J_{\mathrm{IC}}$ ou de l’arrêt de fissure.

Aspect de la fracture par cisaillement en tant que résultat rapporté

L’aspect de la fracture par cisaillement est un résultat rapporté avec l’énergie absorbée, la température d’essai, l’orientation de l’éprouvette et les informations d’identification. Dans les travaux fondés sur des normes, la méthode utilisée pour déterminer la fraction de cisaillement est importante ; les estimations visuelles, les procédures de comparaison et les conventions de mesure ne doivent pas être combinées sans préciser leur base. Le rapport doit indiquer si l’éprouvette avait une configuration normalisée avec entaille en V ou en U et si une modification, telle que la présence de rainures latérales, était utilisée.

Une augmentation de la fraction de cisaillement avec la température confirme généralement une transition du clivage vers la rupture ductile. Elle ne permet toutefois pas, à elle seule, d’établir une température de transition universelle. Les ingénieurs peuvent définir une température de transition à partir d’un critère d’énergie, d’un critère d’aire de cisaillement ou d’une combinaison spécifiée de ces critères, et ces températures peuvent ne pas être identiques. Le critère retenu doit donc être indiqué.

Les essais instrumentés peuvent fournir des informations supplémentaires sur le chargement et les événements de rupture. La norme ISO 14556:2023 couvre les essais Charpy instrumentés sur éprouvettes entaillées en V ainsi que les équipements utilisés pour mesurer et enregistrer le comportement à l’impact ; les essais instrumentés ne relèvent pas de la norme ISO 148-1:2016. Ces méthodes peuvent aider à distinguer les caractéristiques liées à l’amorçage de celles liées à la propagation, mais elles exigent toujours le contrôle de la géométrie, de l’état du matériau, de la température et de l’orientation.

L’échantillonnage influence également l’interprétation. La norme ASTM A673/A673M spécifie les procédures d’échantillonnage pour les essais Charpy longitudinaux sur éprouvettes entaillées en V de l’acier de construction et distingue les fréquences d’essai par coulée de celles des essais par pièce. Ainsi, une photographie de fracture et une valeur d’énergie décrivent une éprouvette particulière ayant fait l’objet d’un essai ; elles ne représentent pas automatiquement chaque tôle, chaque pièce ou chaque coulée.

Conclusions du NIST sur les éprouvettes Charpy à rainures latérales

L’évaluation réalisée par le NIST en 2011 sur les essais d’impact Charpy avec rainures latérales a montré que ces rainures modifient davantage que le seul contour de l’éprouvette. Aux niveaux d’énergie du palier supérieur, elles réduisent l’accumulation de déformation plastique et favorisent le dédoublement. L’importance du dédoublement rapportée était maximale au voisinage de la température de transition ductile-fragile.

Le dédoublement est une séparation ou une déchirure longitudinale qui peut se développer en avant de la trajectoire principale de fracture ou parallèlement à celle-ci. Les rainures latérales orientent la déformation et modifient le confinement sur la largeur de l’éprouvette, ce qui change la croissance de la fissure et la morphologie de la fracture qui en résulte. Elles peuvent rendre la surface de fracture plus segmentée et modifier l’énergie mesurée ainsi que la répartition entre les zones ductiles et les zones de clivage.

Pour cette raison, les éprouvettes Charpy à rainures latérales et les éprouvettes Charpy conventionnelles ne doivent pas être comparées de manière empirique. La géométrie modifiée change le confinement, la plasticité, la propagation de la fissure et la possibilité de dédoublement. Un résultat obtenu sur une éprouvette à rainures latérales peut être utile pour un objectif défini de recherche ou de qualification, mais il ne constitue pas simplement une version plus sévère d’un résultat normalisé. La géométrie, la forme de l’entaille, les dimensions des rainures, l’orientation, la température et la méthode de rapport doivent correspondre à la comparaison envisagée.

Les conclusions du NIST renforcent également la limitation fondamentale de l’énergie d’impact : le chiffre seul n’identifie pas le mécanisme de rupture. L’énergie, l’aire de cisaillement, les caractéristiques de clivage et le dédoublement doivent être interprétés conjointement, en gardant visibles la norme applicable et la conception de l’éprouvette.

Essai Charpy instrumenté et informations supplémentaires révélées par les signaux

L’essai Charpy instrumenté ajoute des voies de mesure à l’essai de choc ordinaire au mouton pendule. Au lieu d’enregistrer uniquement l’énergie initiale et finale du marteau, la machine enregistre la force appliquée à l’éprouvette et son évolution au cours de l’événement. Cet enregistrement supplémentaire peut montrer à quel moment l’éprouvette commence à perdre sa capacité portante, quelle quantité de travail est absorbée avant la croissance de la fissure et comment la rupture se développe après son amorçage. Il ne transforme pas une éprouvette Charpy en éprouvette conventionnelle de ténacité à la rupture.

L’ISO 148-1:2016 spécifie les essais de choc au mouton pendule Charpy sur éprouvettes entaillées en V et en U pour les matériaux métalliques, mais les essais instrumentés sont exclus de cette méthode. La norme distincte ISO 14556:2023 spécifie l’essai de choc instrumenté au mouton pendule Charpy sur éprouvettes entaillées en V, ainsi que les équipements de mesure et d’enregistrement utilisés pour obtenir des informations supplémentaires sur le comportement à la rupture dans des conditions de choc. La norme ASTM E23 couvre les essais de choc Charpy sur éprouvettes en flexion simple et les essais Izod sur éprouvettes en poutre encastrée, y compris les exigences relatives aux éprouvettes, les procédures, la vérification de la machine, l’établissement des rapports et la détermination de l’aspect de la rupture par cisaillement ; un résultat instrumenté dépend néanmoins de la norme d’essai applicable et des exigences relatives à l’établissement du rapport.

Informations force-temps et énergie-temps

Un résultat Charpy conventionnel est généralement exprimé sous forme d’énergie de choc absorbée, souvent en joules. Le NIST décrit l’essai Charpy comme un essai à vitesse de chargement élevée qui mesure l’énergie absorbée pendant la rupture et fournit une mesure indirecte de la ténacité au choc. L’instrumentation ajoute une courbe force-temps et, souvent, une courbe force-déplacement ou force-énergie, à partir desquelles le travail total peut être calculé. En termes simplifiés, l’aire sous une courbe force-déplacement représente le travail mécanique transmis à l’éprouvette, tandis qu’une courbe énergie-temps montre la vitesse à laquelle ce travail s’accumule.

La forme de la courbe est importante. Une montée initiale prononcée peut refléter le chargement élastique et plastique du ligament entaillé. Une force maximale peut marquer le point auquel l’éprouvette atteint sa charge la plus élevée, bien que la force maximale ne soit pas automatiquement identique à l’amorçage physique d’une fissure. Une partie descendante peut indiquer la croissance de la fissure, l’effondrement plastique, des modifications du contact avec le percuteur ou une combinaison de ces effets. Le signal doit donc être interprété en tenant compte de la géométrie de l’éprouvette, de la configuration du percuteur, de la portée, de la vitesse d’impact et de la température d’essai.

Une courbe exploitable commence par une mesure de qualité. Les transducteurs de force, la mesure du déplacement ou de la vitesse, la synchronisation, la largeur de bande de l’amplificateur, la fréquence d’acquisition des données et l’étalonnage influent tous sur la courbe enregistrée. Les vibrations mécaniques peuvent produire des oscillations ressemblant à des événements de rupture. Le filtrage peut éliminer le bruit, mais un filtrage excessif peut également déplacer un pic ou masquer un bref événement d’amorçage. La compliance de la machine et la masse du percuteur influencent la relation entre le signal enregistré et la force effectivement supportée par l’éprouvette.

L’énergie instrumentée intégrée doit également être comparée au résultat conventionnel d’énergie absorbée de la machine. La concordance n’est pas garantie : le frottement, les pertes du pendule, les effets des dispositifs de fixation, les erreurs d’étalonnage et la méthode choisie pour reconstituer la relation force-déplacement peuvent produire des différences. La vérification périodique de la machine reste pertinente. Les normes ISO 148-2 et ASTM E23 fournissent des procédures de vérification, notamment au moyen d’éprouvettes certifiées dans le cadre du Charpy Machine Verification Program décrit par le NIST.

Comportement à l’amorçage et à la propagation sous impact

L’une des utilisations importantes de l’enregistrement de la force consiste à séparer l’événement en différentes étapes. Avant qu’une fissure ne progresse, le ligament entaillé peut subir une déformation élastique et plastique. Si une fissure s’amorce ensuite, la courbe force-temps peut présenter une modification de pente, un maximum local, une chute soudaine ou une autre caractéristique définie par la procédure d’analyse. Le travail accompli jusqu’au point d’amorçage retenu peut être appelé énergie d’amorçage, tandis que le travail restant est associé à la propagation ultérieure de la fissure et à la déformation de l’éprouvette.

Ces termes décrivent une analyse et ne constituent pas automatiquement une vérité physique. L’amorçage d’une fissure peut se produire avant une chute évidente de la force, en particulier lorsqu’une déchirure ductile stable se développe progressivement. Inversement, une variation brusque du signal peut résulter d’un effet lié à la machine ou au contact, plutôt que de la formation d’une nouvelle fissure. Une imagerie à grande vitesse, un examen de la rupture après l’essai, une analyse de la compliance ou des capteurs supplémentaires peuvent être nécessaires pour confirmer la signification d’une caractéristique donnée.

Cette distinction peut être particulièrement informative dans le cadre de la transition ductile-fragile des aciers ferritiques. À basse température, la rupture par clivage peut entraîner une perte rapide de la capacité portante et une déformation relativement faible. À plus haute température, la déchirure ductile et la déformation plastique peuvent absorber davantage d’énergie sur une portion plus longue de la courbe. L’aspect de la rupture constitue une vérification essentielle : les zones de cisaillement et les zones fibreuses conduisent généralement à une interprétation différente de celle de zones dominées par le clivage, même lorsque deux éprouvettes présentent des énergies totales similaires.

L’orientation de l’éprouvette et l’état du matériau font également partie du résultat. La norme ASTM A673/A673M spécifie les procédures d’échantillonnage pour les essais Charpy longitudinaux sur éprouvettes entaillées en V d’aciers de construction et distingue les fréquences d’essai par coulée de celles des essais par pièce. Une courbe de force détaillée provenant d’un seul emplacement d’échantillonnage ne peut pas établir le comportement dans toutes les orientations, pour toutes les épaisseurs de tôle, dans toutes les zones soudées ou pour tous les états de traitement thermique.

L’évaluation réalisée par le NIST en 2011 sur des éprouvettes Charpy à rainures latérales a montré que ces rainures réduisent l’accumulation de déformation plastique aux énergies du plateau supérieur et favorisent le fendage, l’intensité du fendage étant maximale à proximité de la température de transition ductile-fragile. De telles modifications géométriques peuvent modifier l’historique de la force et l’aspect de la rupture. Elles ne doivent pas être considérées comme une modification mineure lors de la comparaison de jeux de données.

Limites de la conversion des données instrumentées en ténacité à la rupture

Les données Charpy instrumentées peuvent contribuer à des calculs de mécanique de la rupture, mais leur conversion nécessite une procédure analytique spécifiée, un étalonnage validé et des hypothèses concernant la géométrie de la fissure, la déformation, la vitesse de chargement et le comportement du matériau. Une simple courbe force-temps ne fournit pas un facteur critique d’intensité de contrainte $K_{\mathrm{Ic}}$ valide, ni une valeur $J_{\mathrm{Ic}}$ valide de ténacité en déformation plane.

Un essai normalisé de ténacité à la rupture utilise une éprouvette préfissurée par fatigue, des dimensions contrôlées, une mesure de la taille de la fissure, des exigences de validité et des critères relatifs à la déformation plane ou à la ténacité élastoplastique. Une entaille en V usinée dans une éprouvette Charpy présente un rayon d’entaille, une géométrie du ligament, une configuration de chargement et, souvent, un niveau de triaxialité différents. Le chargement dynamique modifie en outre la réponse du matériau. Même si une courbe instrumentée permet d’estimer l’énergie d’amorçage ou une force associée à la croissance de la fissure, cette estimation n’est pas automatiquement interchangeable avec une valeur de ténacité à la rupture.

L’énergie Charpy peut être reliée à une limite inférieure de la ténacité à la rupture des aciers ferritiques au moyen de corrélations spécifiées, mais des relations distinctes s’appliquent au comportement du plateau inférieur, de la zone de transition et du plateau supérieur. La température, la géométrie de l’entaille, l’orientation de l’éprouvette, l’aspect de la rupture et l’état du matériau doivent accompagner la valeur. Le comportement d’arrêt de fissure constitue encore une autre question : l’essai de déchirure par poids tombant caractérise l’arrêt des fissures dans les aciers pour pipelines au moyen des fractions de rupture ductile par cisaillement et de rupture par clivage sur une gamme de températures d’impact, plutôt que de substituer son résultat aux données Charpy ou de ténacité à la rupture.

Les essais instrumentés ajoutent donc des éléments d’analyse, et non un facteur de conversion universel. Leur interprétation est la plus solide lorsque l’équipement est vérifié, que les signaux sont propres et étalonnés, que l’éprouvette et la température sont documentées et que le critère d’amorçage ou de propagation est explicitement indiqué.

De l’énergie Charpy à la ténacité à la rupture et à l’arrêt de fissure

L’énergie Charpy n’est pas une valeur de ténacité à la rupture. Il s’agit de l’énergie absorbée lorsqu’une éprouvette entaillée normalisée se rompt sous l’effet d’un impact pendulaire à vitesse de chargement élevée. Le NIST décrit ce résultat comme une mesure indirecte de la résilience aux chocs, et non comme une mesure directe d’un paramètre en pointe de fissure tel que $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ ou le déplacement d’ouverture en pointe de fissure. Cette distinction est importante, car une petite éprouvette Charpy et un grand composant structural fissuré sont soumis à des niveaux de confinement, des tailles de fissure, des états de contrainte et des dimensions de zone plastique différents.

La norme ASTM E23 couvre à la fois les essais d’impact Charpy sur poutre simplement appuyée et les essais Izod sur poutre en porte-à-faux, tandis que la norme ISO 148-1:2016 spécifie les essais pendulaires Charpy à entaille en V et à entaille en U pour les matériaux métalliques. Les essais d’impact instrumentés sont distincts : la norme ISO 14556:2023 traite des essais Charpy instrumentés à entaille en V et enregistre la force, le déplacement et l’énergie pendant la rupture. La vérification de la machine influe également sur la confiance accordée au résultat. Les normes ASTM E23 et ISO 148-2 exigent une vérification périodique, notamment au moyen d’essais réalisés avec des éprouvettes de référence certifiées, et le NIST gère un programme de vérification des machines Charpy.

La valeur en joules rapportée décrit donc une éprouvette, une entaille, une orientation, une température, une vitesse d’essai et un état du matériau particuliers. La norme ASTM A673/A673M ajoute une autre précision pour les aciers de construction : elle spécifie les procédures d’échantillonnage pour les essais Charpy à entaille en V dans le sens longitudinal et distingue les fréquences d’essai par coulée de celles des essais par pièce. L’échantillonnage fait partie de la signification du résultat. Une valeur obtenue sur une seule éprouvette sélectionnée ne peut pas automatiquement représenter chaque tôle, chaque région adjacente à une soudure, chaque direction de laminage ou chaque température de service.

Corrélations conditionnelles pour les aciers ferritiques

Pour les aciers ferritiques, l’énergie Charpy peut servir à estimer la ténacité à la rupture à la borne inférieure lorsque la corrélation a été établie pour la classe d’acier et le régime de rupture concernés. Cette approche est utile, car les aciers ferritiques présentent couramment une transition ductile-fragile lorsque la température diminue. Leur courbe d’énergie d’impact peut comporter un palier inférieur, une région de transition et un palier supérieur, et la relation entre l’énergie absorbée et la résistance à la rupture varie selon ces régions.

Des relations distinctes s’appliquent au comportement sur le palier inférieur, dans la région de transition et sur le palier supérieur. Une corrélation sélectionnée pour le palier supérieur ne doit pas être appliquée à un résultat correspondant au palier inférieur simplement parce que les deux valeurs sont exprimées en joules. Dans la région de transition, de faibles variations de température peuvent entraîner d’importantes variations du mode de rupture et de l’énergie mesurée ; la température à laquelle la valeur Charpy a été obtenue est donc essentielle. L’aspect de la rupture fournit un second élément d’appréciation : une rupture dominée par la décohésion absorbe généralement moins d’énergie, tandis qu’une déchirure ductile produit habituellement une déformation plastique plus importante et une énergie absorbée plus élevée.

Même parmi les aciers ferritiques, la composition chimique, la taille des grains, le niveau de résistance, le traitement thermique, l’épaisseur de la tôle, la direction de laminage, l’acuité de l’entaille et l’irradiation ou le vieillissement thermique peuvent modifier cette relation. Une corrélation constitue donc un modèle conditionnel, et non une conversion universelle des joules en ténacité à la rupture. Elle peut fournir une estimation prudente de présélection pour une population de matériaux définie, une plage de températures, une orientation d’éprouvette et une condition de validité données. Elle ne transforme pas un résultat Charpy courant en une mesure de ténacité à la rupture en déformation plane.

L’éprouvette elle-même peut également influer sur l’interprétation. Dans une étude du NIST publiée en 2011, les éprouvettes Charpy avec rainures latérales présentaient une accumulation réduite de déformation plastique aux niveaux d’énergie du palier supérieur ainsi qu’une augmentation du fendage ; la sévérité du fendage était maximale à proximité de la température de transition ductile-fragile. Ce résultat renforce le point essentiel : même une géométrie Charpy modifiée peut changer le processus de rupture et ne peut pas être considérée comme interchangeable avec une éprouvette ordinaire à entaille en V.

Estimations à la borne inférieure et leurs limites

Une estimation à la borne inférieure vise à éviter de revendiquer une résistance à la rupture supérieure à ce que les éléments disponibles permettent d’établir. Elle peut être appropriée pour une présélection préliminaire, pour des évaluations d’intégrité menées selon des procédures définies ou dans les situations où un code ou une pratique réglementaire autorise explicitement une relation fondée sur l’essai Charpy. L’estimation doit conserver ses conditions d’application : famille de matériaux, plage de limite d’élasticité, orientation, température, configuration de l’entaille, plage d’énergie et paramètre de ténacité à la rupture estimé.

La borne inférieure ne garantit pas qu’un composant résistera à toute fissure. Les éprouvettes Charpy sont petites et leur rupture peut se produire avec un confinement moindre que celui d’un composant épais contenant une fissure de fatigue aiguë. Une fissure structurale peut donc être soumise à un champ de contraintes différent de celui de l’entaille usinée de l’éprouvette Charpy. L’épaisseur, les contraintes résiduelles, les défauts de soudage, la vitesse de chargement, la taille de la fissure et la biaxialité peuvent toutes réduire la pertinence d’une simple corrélation énergétique. Une valeur mesurée à température ambiante renseigne également peu sur le comportement à une température de service plus basse, à moins que la courbe de transition n’ait été établie.

L’aspect de la rupture et les données de température de transition devraient accompagner la valeur énergétique chaque fois que le risque de rupture fragile est important. Un seul résultat sur le palier supérieur peut masquer une transition abrupte à des températures plus basses ; un résultat sur le palier inférieur peut indiquer une condition dans laquelle la décohésion est déjà le mécanisme dominant. Des essais directs de ténacité à la rupture restent nécessaires lorsque l’évaluation dépend d’une valeur qualifiée de $K$, de $J$ ou du déplacement d’ouverture en pointe de fissure, dans des conditions spécifiées de confinement et de validité.

En quoi l’essai de rupture par poids tombant diffère

L’essai de rupture par poids tombant répond à une question différente de celle de l’essai Charpy. Il a été mis au point pour étudier le comportement d’arrêt des fissures dans les aciers pour pipelines, et non simplement pour classer de petites éprouvettes selon leur énergie d’impact absorbée. Une bande relativement longue et entaillée est soumise à un impact dans des conditions contrôlées, puis la surface de rupture obtenue est examinée sur une plage de températures. L’évaluation porte sur les proportions de rupture par cisaillement ductile et de rupture par décohésion, notamment pour déterminer si une rupture en propagation reste arrêtée lorsque le mode de rupture évolue.

L’essai Charpy cherche à déterminer quelle quantité d’énergie une éprouvette normalisée entaillée absorbe avant la rupture et peut fournir l’énergie absorbée, l’expansion latérale et l’aspect de la rupture par cisaillement. L’essai de rupture par poids tombant cherche à déterminer comment se comporte une rupture en propagation dans un acier pour pipeline et comment la surface de rupture évolue entre la déchirure ductile et la décohésion. Les deux essais peuvent révéler une transition ductile-fragile, mais leurs géométries, les dimensions des éprouvettes, les réponses au chargement et les résultats d’ingénierie diffèrent.

Utilisez l’essai Charpy pour établir le comportement en énergie d’impact et la transition du matériau et de l’orientation spécifiés. N’utilisez une corrélation Charpy autorisée que pour une estimation explicitement définie de la ténacité à la rupture à la borne inférieure. Utilisez l’essai de rupture par poids tombant lorsque la question d’ingénierie concerne les ruptures en propagation sur de grandes distances et l’arrêt des fissures dans les aciers pour pipelines. Aucun des deux résultats ne peut, à lui seul, répondre à l’autre question.

Références

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3. [3]National Institute of Standards and Technology. Charpy Machine Verification Program. NIST program resource, 2024. https://www.nist.gov/programs-projects/charpy-machine-verification-program
4. [4]International Organization for Standardization. ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. ISO standard, 2023. https://www.iso.org/cms/render/live/en/sites/isoorg/contents/data/standard/08/21/82164.html
5. [5]ASTM International. ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/standards/e23
6. [6]TWI. What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-fracture-toughness-can-i-assume-for-a-ferritic-steel-if-i-know-that-it-meets-a-certain-charpy-energy-requirement
7. [7]National Institute of Standards and Technology. Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. NIST publication, 2011. https://www.nist.gov/publications/side-grooved-charpy-impact-testing-assessment-splitting-and-fracture-properties-high
8. [8]TWI. What is the drop-weight tear test?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-is-the-drop-weight-tear-test