Dans le contexte propriétés des matériaux métalliques, la résilience est une donnée qui donne des indications sur le comportement plus ou moins fragile en présence d’un choc. Elle est reliée à la ductilité représentant l’aptitude aux déformations à froid, et à la ténacité représentant la résistance à la propagation de la rupture, caractérisée par la mécanique de la rupture, valorisée par le coefficient K1C.
Elle se mesure via des essais de flexion par choc couramment appelés essais de résilience, réalisés à l’aide d’un mouton pendule doté d’une énergie potentielle de 300 Joules, dont les plus courants pour les aciers, sont les essais Charpy selon NF EN 10 045, EN ISO 179, ASTM E 23, effectués sur des barreaux de section 10×10 x 55 mm avec entaille en U (profondeur 5 mm) ou entaille en V (profondeur 2mm).
La résilience représentée par la lettre K correspond à la valeur de l’énergie absorbée pour rompre l’éprouvette, elle s’exprime en Joules.
Les symboles sont :
- KCV ou KV pour l’essai sur éprouvette avec entaille en V,
- KCU ou KU pour l’essai sur éprouvette avec entaille en U.
L’emploi du symbole KCU ou KCV correspond à des valeurs rapportées à l’unité de surface
(cm2) les symboles KU ou KC, se rapportent à l’énergie absorbée.
Sont également employées, plus rarement, les éprouvettes Mesnager avec entaille en U de profondeur 3 mm et DVM avec entaille en U de profondeur 2mm.
Les normes sur les produits spécifient le plus souvent des résiliences Charpy U ou V.
Le choix du type d’éprouvette dépend de la sélectivité visée. Dans une gamme de matériaux relativement fragiles on choisira plutôt les éprouvettes avec entaille en U, dans une gamme de matériaux peu fragiles on choisira plutôt les éprouvettes avec entaille en V.
La température a un effet sensible sur le comportement vis à vis de la fragilité, les essais sont pour cette raison réalisés à différentes températures selon les conditions potentielles d’emploi. Les aciers de construction métalliques susceptibles d’être employés à basse température feront l’objet de spécification d’essais à basse température (0 à – 60°C, cf. NF EN 10 025), les aciers destinés à être employés à chaud comme les aciers pour chaudière feront l’objet de spécification d’essais à température supérieure à l’ambiante (+ 40, + 60°C, cf. NF A36 210).
On définit comme zone de transition de résilience la zone des températures (quelques dizaines de degrés) à partir de laquelle le matériau passe d’un comportement ductile ou semi ductile à un comportement fragile. Dans cette zone, les résultats sont très dispersés.
Une indication complémentaire est l’évaluation du taux de cristallinité de la cassure des éprouvettes. Une cristallinité à 50% ductile et 50% fragile marque le début de la zone de transition.
Il faut bien noter que l’essai de résilience est un essai de classement dont les valeurs obtenues ne sont pas susceptibles d’être employés dans les calculs de résistance des matériaux. Il est par ailleurs sensible à des facteurs de dispersion, notamment par les effets géométriques des éprouvettes et des dispersions structurales du matériau. Des écarts de quelques dixièmes de joule ne seront pas significatifs. Il est recommandé de faire plusieurs essais et d’en faire la moyenne après élimination des résultats extrêmes.
La norme NF EN 10 025, sur les aciers de construction laminés à chaud (non destinés au traitement thermique), fixe des seuils de résultat avec l’entaille en V à 27, 40, et 60 J pour des essais à des températures allant de + 20 à – 60°C.
Globalement la résilience évolue comme la ductilité déterminée par la valeur du coefficient d’allongement dans l’essai de traction et à l’opposé des caractéristiques de résistance (limite élastique et résistance à la rupture).
Effet des traitements thermiques sur la résilience des aciers.
Les principaux paramètres déterminant la résilience sont l’élaboration du métal (affinage, propreté inclusionnaire, taille du grain, composition chimique, ségrégations) ainsi que le corroyage. Dans le cas des produits laminés, le sens de prélèvement des éprouvettes (dans le sens long, le sens travers long ou le sens travers court) a un effet significatif sur les valeurs de résilience mesurées.
Les aciers les plus doux à plus basse teneur en carbone et à l’état adouci (recuit) offrent généralement le meilleur niveau de résilience.
Les traitements thermiques de recuit ont donc un effet favorable par leur effet d’adoucissement et/ou d’effet sur la taille des grains (recuits de recristallisation, de régénération, d’affinage du grain, d’adoucissement, de globulisation).
Les aciers à l’état trempé et revenu voient leur résilience augmentée pour les températures
de revenu les plus élevées. Toutefois la zone de température de revenu comprise entre 250 et 450°C est défavorable, on observe le plus souvent une chute de la résilience pour les revenus effectués dans cette zone (phénomène de fragilité au revenu).
Evolution des caractéristiques mécaniques avec la température de revenu sur un acier 42CrMo4 (document Aubert & Duval)
La résilience KCU est exprimée en J/cm2 , l’inflexion de la valeur de résilience se situe entre 200 et 450°C.
Les aciers dont la teneur en carbone est inférieure à 0,25% présentent à l’état martensitique non revenu ou revenu à basse température de bons niveaux de résilience, d’où la possibilité d’emploi des aciers de cémentation à l’état trempé et revenu à basse température. Pour les aciers à plus haute teneur en carbone il est recommandé de choisir des revenus supérieurs à 450°C. C’est à partir de cette température que la totalité de la martensite est retransformée en un agrégat de cémentite et ferrite, tous les carbures intermédiaires ont disparu.
Un facteur important est le taux de martensite avant revenu. L’obtention d’un niveau de résistance déterminé autorisera une température de revenu d’autant plus élevée que le taux de martensite est élevé après trempe et avant revenu. Cette remarque justifie le choix de nuances d’aciers de bonne trempabilité eu égard à la section de la pièce traitée et/ou des conditions optimales de refroidissement lors de la trempe en adéquation avec la trempabilité.
Sur les aciers fortement alliés susceptibles de présenter un phénomène de durcissement secondaire par transformation de l’austénite non transformée à la trempe, la température de transformation de cette austénite se situe vers 500°C. Il est nécessaire de cumuler au moins deux revenus afin que la martensite secondaire issue de l’austénite retenue soit en condition de revenu.
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