Résistance mécanique des vis
- essais de caractérisation des matériaux
- déformation élastique ou plastique?
- limite élastique et résistance à la rupture
- les vis ACIER - classe de résistance
- les vis INOX
- Titane Aluminium Nylon...
voir aussi
Essai de traction
Les matériaux sont caractérisés au travers d'essais mécaniques (traction, résilience, dureté,...).
L'essai de traction est réalisé en "tirant" sur une éprouvette calibrée jusqu'à rupture et met en évidence le comportement macroscopique de la matière.
Voir l'animation de l'essai de traction
Déformation élastique → plastique → rupture
L'effort fourni par le banc d'essai et la déformation de l'éprouvette sont enregistrés. Le diagramme suivant illustre les résultats obtenus sur une éprouvette en acier. Avec d'autres matériaux les résultats seraient analogues.
La courbe présente d'abord une partie linéaire (ligne verte). Si l'effort est relâché avant de sortir de cette zone, l'éprouvette reprend sa forme initiale, c'est le domaine élastique.
L'effort augmentant encore, l'éprouvette s'allonge rapidement (ligne rouge) jusqu'à rupture. On se trouve dans le domaine plastique.
Si l'effort est relâché avant rupture, l'éprouvette conserve une déformation permanente; il y a déplacement du domaine élastique.
Limite élastique et résistance à la rupture
La contrainte vue par le matériau est définie par le rapport entre l'effort appliqué et la section de l'éprouvette.
La limite élastique Re est la valeur de la contrainte au point de transition élastique/plastique (passage de la droite verte à la courbe rouge sur le schéma ci-dessus).
La résistance mécanique Rm est la valeur de la contrainte à la rupture.
Visserie acier
Le choix de la nuance de la matière est laissé à l'initiative des fabricants tenus de garantir les valeurs normalisées.
La classe de résistance est un code à 2 chiffres qui fait partie de la désignation et qui est gravé sur les têtes de vis, généralement avec le sigle du fournisseur.
| forme de la tête | profil ISO Métrique | diamètre | pas | longueur | classe de résistance |
traitement de surface | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| H | M | 10 | x | 1.5 | x | 50 | - | 12.9 |
- | A3C |
Le premier chiffre renseigne sur la résistance à la rupture alors que le produit des 2 (leur multiplication) donne la limite élastique.
Exemple : pour une vis de classe 12.9:
- 12 x 100 → la limite de rupture Rm vaut au moins 1200 MPa,
- 12 x 9 x 10 → la limite élastique Re0.2 est supérieure à 1080 MPa.
Dans les classes courantes, on obtient:
| Classe | Rm (MPa) | Re (MPa) | Dureté | Alon- gement % |
Résilience KU (Joules) |
||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Vickers HV min |
Rockwell | ||||||
| min | max | ||||||
| 3.6 | 300 | 180 | 95 | 25 | |||
| 4.6 | 400 | 240 | 120 | B67 | B95 | 22 | |
| 4.8 | 400 | 320 | 130 | B74 | B95 | 16 | |
| 5.6 | 500 | 300 | 155 | 20 | |||
| 5.8 | 500 | 400 | 160 | B82 | B95 | 10 | |
| 6.8 | 600 | 480 | 190 | 8 | |||
| 8.8 | 800 | 640 | 250 | C23 | C34 | 12 | 30 |
| 9.8 | 900 | 720 | 290 | C27 | C36 | 10 | 25 |
| 10.9 | 1000 | 900 | 320 | C33 | C39 | 9 | 20 |
| 12.9 | 1200 | 1080 | 385 | C38 | C44 | 8 | 15 |
| 14.9 | 1400 | 1260 | |||||
selon ISO898 et NFE25-030
- Noter la perte de résilience (→ augmentation du risque de rupture en cas de choc à basse température) avec l'élévation dela résistance. Sauf précautions particulières, il vaut mieux en pratique ne pas dépasser la classe 10.9.
- Au delà de 10.9, le matériau est sensible au phénomène de fragilisation par présence d'hydrogène, conséquence d'un mauvais dégazage après traitement de dépot électrolytique [voir exemple: rupture d'une vis zinguée]:risque de rupture spontanée après (délai indéterminé!) le serrage et parfois spectaculaire propulsion des têtes de boulons!
- S'appuyer sur les standards ASTM F1940-99 et ASTM F1624, ils traitent de la détection de la fragilisation à l'hydrogène.
Influence de la température sur la résistance mécanique.
Comment déterminer le serrage?
Notez le code inscrit sur votre vis (exemple 10.9) et suivez le guide.
Pour une meilleure résistance à la corrosion ou lorsque l'aspect visuel l'exige, envisager l'Inox (si on est riche) voire le Titane (si on est très riche).
Visserie Inox
Au sein des aciers Inox plusieurs nuances matière sont distinguées. Elles sont caractérisées par leur état métallurgique: il procure une résistance à la corrosion, aux acides, aux sollicitations mécaniques... Pour en savoir plus.
| Etat métallurgique | Code primaire | Code secondaire |
|---|---|---|
| austénitique | A | 1 à 5 |
| martensitique | C | 1, 3, 4 |
| ferritique | F | 1 |
Le code matériau est suivi du code de résistance:
| Code matière | Code résistance | Rm (MPa) | Re (MPa) |
|---|---|---|---|
| A | 50 | 500 | 210 |
| 70 | 700 | 450 | |
| 80 | 800 | 600 | |
| C | 50 | 500 | 250 |
| 70 | 700 | 410 | |
| 80 | 800 | 640 | |
| 110 | 1100 | 820 | |
| F | 45 | 450 | 250 |
| 60 | 600 | 410 |
selon ISO3506
Exemple : l'inox A4-70 est un inox de type auténitique avec une limite élastique de 450 MPa et une résistance à la rupture de 700 MPa.
Titane
Encore plus beau et plus cher...
Il existe de nombreuses nuances (grade 1 à 34) de titane ou d'alliage. Les grades 1 à 4 ne sont pas alliés.
| Nuance | Rm (MPa) | Re (MPa) | A% |
|---|---|---|---|
| Grade 1 | 240 | 170 | 24% |
| Grade 2 | 345 | 275 | 20% |
| Grade 3 | 450 | 380 | 18% |
| Grade 4 | 550 | 483 | 15% |
| Grade 5 Ti6Al4V | 895 | 828 | 10% |
selon ASTM B265
Comme pour l'acier et les inox, plus la résistance est élevée plus l'écart relatif entre limite élastique et résistance à la rupture se réduit, signe de fragilité croissante.
Une optimisation des caractéristiques sera obtenue avec un cycle de recuit (procédé de traitement thermique).
Une vis en grade 5 (Titane allié : 6% d'aluminium, 4% de vanadium) dépasse en résistance une vis en acier de classe 8.8... pour une masse divisée par presque 2.
D'autres matériaux nobles ont été créés pour répondre aux exigences de la construction aéronautique.
Visserie aluminium
L'aluminium n'a pas la résistance de l'acier et présente, de ce point de vue, moins d'intérêt. Cependant, si vous chassez les gr sans avoir besoin d'un effort de serrage important...
Application particulière : lorsque les écarts de dilatation thermique entre matériaux sont importants, utiliser des vis aluminium permet de conserver une tension constante malgré les variations de température, comme dans le cas du serrage de blocs moteur performants : à réserver aux spécialistes.
| Nuance | Rm (MPa) | Re (MPa) | A% | |
|---|---|---|---|---|
| 6056 | 400 | 350 | 7% | |
| 7075 | 570 | 505 | 10% | |
Nylon, Peek
"Nylon" est une dénomination pour le polyamide, symbole PA, dont plusieurs variantes sont à distinguer (liste non exhaustive) :
Un des polymères techniques des plus intéressant est le PEEK (polyetheretherketone) : résistance mécanique, tenue en température (250°C en continu, dimensionnellement stable.
| Type | Rm (MPa) | A% | Résilience (KJ/m2) | Module d'Young (MPa) |
|---|---|---|---|---|
| PA6 | 70 | 50 | 7 | 2800 |
| PA66 | 80 | 25 | 5 | 3300 |
| PA6G (obtention par coulée) | 75 | 60 | 4 | 2400 | /tr>
| PA6G GF30 (chargé fibre de verre) | 180 | 5 | - - | 9000 |
| PEEK | 100 (Rp02) | 34 | 7 | 4000 | /tr>
| PEEK 30% fibres de carbone | 220 | 2 | 9 | 11000 |
| PEEK 30% fibres de verre | 155 | 2 | 10 | 22000 |
Comme beaucoup de matières plastiques, le polyamide est sujet au phènomène de reprise d'humidité : gonflement et variation de volume de quelques % selon les conditions d'ambiance; y penser.