Les différents protocoles de test (Brinell, Rockwell, Vickers) comportent des procédures spécifiques au projet testé. Le test Rockwell T convient à l'inspection des tubes à paroi mince en coupant le tube dans le sens de la longueur et en testant la paroi à partir du diamètre intérieur plutôt que du diamètre extérieur.
Commander un véhicule, c'est un peu comme aller chez un concessionnaire et commander une voiture ou un camion. Aujourd'hui, les nombreuses options disponibles permettent aux acheteurs de personnaliser leur véhicule de multiples façons : couleurs intérieures et extérieures, packs de garnitures intérieures, options de style extérieur, choix de motorisation et un système audio qui rivalise presque avec un système de divertissement domestique. Avec toutes ces options, un véhicule standard sans fioritures pourrait ne pas vous suffire.
Les tubes en acier sont exactement cela. Ils présentent des milliers d'options et de spécifications. Outre les dimensions, la spécification répertorie les propriétés chimiques et plusieurs propriétés mécaniques telles que la limite d'élasticité minimale (MYS), la résistance à la traction (UTS) et l'allongement minimal avant rupture. Cependant, de nombreux acteurs du secteur — ingénieurs, acheteurs et fabricants — utilisent des raccourcis industriels qui imposent l'utilisation de tubes soudés « normaux » et ne spécifient qu'une seule caractéristique : la dureté.
Essayez de commander une voiture en vous basant sur une seule caractéristique (« J’ai besoin d’une voiture avec une boîte automatique ») et vous n’irez pas bien loin avec un vendeur. Il doit remplir un bon de commande avec de nombreuses options. C’est la même chose pour les tuyaux : pour obtenir le tuyau adapté à l’application, le fabricant a besoin de plus d’informations que la simple dureté.
Comment la dureté est-elle devenue un substitut reconnu aux autres propriétés mécaniques ? Cela a probablement commencé chez un fabricant de tubes. Comme le test de dureté est rapide, facile et ne nécessite qu'un équipement relativement peu coûteux, les vendeurs de tubes l'utilisent souvent pour comparer deux tubes. Pour effectuer un test de dureté, il leur suffit d'un morceau de tube lisse et d'un banc d'essai.
La dureté des tubes est bien corrélée à la résistance à la traction (UTS), et en règle générale, les pourcentages ou les plages de pourcentages sont utiles pour estimer la limite d'élasticité (MYS), il est donc facile de comprendre comment les tests de dureté peuvent constituer un indicateur approprié pour d'autres propriétés.
De plus, d'autres tests sont relativement complexes. Si le test de dureté ne prend qu'une minute environ sur une seule machine, les tests de limite d'élasticité (MYS), de résistance à la traction (UTS) et d'allongement nécessitent une préparation des échantillons et un investissement important dans des équipements de laboratoire de grande taille. À titre de comparaison, un opérateur de laminoir à tubes effectue un test de dureté en quelques secondes, tandis qu'un technicien métallurgiste qualifié met plusieurs heures pour réaliser un essai de traction. Il n'est pas difficile d'effectuer un contrôle de dureté.
Cela ne signifie pas que les fabricants de tubes techniques n'utilisent pas les tests de dureté. On peut affirmer sans risque que la plupart y ont recours, mais comme ils évaluent la répétabilité et la reproductibilité de leurs équipements de test, ils sont parfaitement conscients des limites de ce test. La plupart des fabricants utilisent l'évaluation de la dureté des tubes dans le cadre du processus de production, mais pas pour quantifier leurs propriétés. Il s'agit simplement d'un test de conformité.
Pourquoi est-il important de connaître la limite d'élasticité minimale (MYS), la résistance à la traction (UTS) et l'allongement minimal ? Ces valeurs indiquent le comportement du tube lors de l'assemblage.
La limite d'élasticité minimale (MYS) est la force minimale qui provoque une déformation permanente du matériau. Si vous essayez de plier légèrement un fil droit (comme un cintre) et de relâcher la pression, deux choses peuvent se produire : soit il reprend sa forme initiale (droit), soit il reste plié. S'il est toujours droit, vous n'avez pas dépassé la limite d'élasticité minimale. S'il est toujours plié, vous l'avez dépassée.
Maintenant, utilisez une pince pour serrer les deux extrémités du fil. Si vous parvenez à le déchirer en deux, vous avez dépassé sa limite de résistance à la traction (UTS). Vous avez exercé une forte tension et vous obtenez deux fils, preuve de votre effort surhumain. Si la longueur initiale du fil est de 12,7 cm (5 pouces) et que la somme des deux longueurs après rupture est de 15,2 cm (6 pouces), le fil s'est étiré de 2,5 cm (1 pouce), soit 20 %. Le test d'allongement réel est mesuré à moins de 5 cm (2 pouces) du point de rupture, mais peu importe : le principe du test de traction illustre bien la limite de résistance à la traction.
Les échantillons d'acier destinés à la photomicrographie doivent être coupés, polis et attaqués à l'aide d'une solution légèrement acide (généralement de l'acide nitrique et de l'alcool (nitroéthanol)) pour rendre les grains visibles. Un grossissement de 100x est couramment utilisé pour inspecter les grains d'acier et déterminer leur taille.
La dureté est un test qui mesure la façon dont un matériau réagit à un impact. Imaginez que vous placiez un petit morceau de tuyau dans un étau à mâchoires dentelées et que vous le serrais. En plus d'aplatir le tube, les mâchoires de l'étau laissent également des marques sur sa surface.
Voilà comment fonctionne le test de dureté, mais c'est plus simple qu'il n'y paraît. Ce test utilise une force d'impact et une pression contrôlées. Ces forces déforment la surface, créant une empreinte. La taille ou la profondeur de cette empreinte détermine la dureté du métal.
Pour évaluer la dureté de l'acier, les essais courants sont les essais Brinell, Vickers et Rockwell. Chacun possède sa propre échelle, et certains comportent plusieurs méthodes d'essai, comme les essais Rockwell A, B et C. Pour les tubes en acier, la norme ASTM A513 fait référence à l'essai Rockwell B (abrégé en HRB ou RB). Cet essai mesure la différence de pénétration d'une bille d'acier de 1,6 mm de diamètre dans l'acier, entre une faible précharge et une charge primaire de 100 kgf. Un résultat typique pour un acier doux standard est de 60 HRB.
Les spécialistes des matériaux savent que la dureté est directement proportionnelle à la résistance à la traction (UTS). Par conséquent, une dureté donnée permet de prédire l'UTS. De même, les fabricants de tubes savent que la limite d'élasticité minimale (MYS) et l'UTS sont liées. Pour les tubes soudés, la MYS représente généralement entre 70 % et 85 % de l'UTS. La valeur exacte dépend du procédé de fabrication. La dureté HRB 60 correspond à une UTS de 60 000 livres par pouce carré (PSI) et à une MYS de 80 %, soit 48 000 PSI.
Dans la fabrication générale, la spécification la plus courante pour les tubes est la dureté maximale. Outre les dimensions, l'ingénieur souhaitait spécifier un tube soudé par résistance électrique (ERW) présentant une plage de fonctionnement optimale, ce qui pouvait conduire à une dureté maximale de HRB 60 indiquée sur le plan du composant. Ce choix à lui seul influe sur les propriétés mécaniques finales, y compris la dureté.
Premièrement, la dureté HRB 60 ne nous renseigne pas beaucoup. La valeur HRB 60 est un nombre sans dimension. Le matériau évalué avec HRB 59 est plus tendre que celui testé avec HRB 60, et HRB 61 est plus dur que HRB 60, mais dans quelle mesure ? Cela ne peut être quantifié comme le volume (mesuré en décibels), le couple (mesuré en livres-pieds), la vitesse (mesurée en distance par rapport au temps) ou la résistance à la traction (mesurée en livres par pouce carré). La valeur HRB 60 ne nous apprend rien de précis. Il s'agit d'une propriété du matériau, et non d'une propriété physique. Deuxièmement, les essais de dureté ne sont pas adaptés à la répétabilité ni à la reproductibilité. L'évaluation de deux points sur un échantillon, même proches l'un de l'autre, entraîne souvent une grande variation des mesures de dureté. Ce problème est aggravé par la nature même de l'essai. Une fois une mesure effectuée, il est impossible de la répéter pour vérifier les résultats. La répétabilité de l'essai n'est donc pas garantie. possible.
Cela ne signifie pas que le test de dureté soit contraignant. En réalité, il fournit une bonne indication de la résistance à la traction d'un matériau et il est rapide et facile à réaliser. Toutefois, toutes les personnes impliquées dans la spécification, l'achat et la fabrication de tubes doivent être conscientes de ses limites en tant que paramètre de test.
Comme la notion de tuyau « normal » est mal définie, les fabricants se limitent souvent, le cas échéant, aux deux types de tuyaux en acier les plus couramment utilisés, définis dans les normes ASTM A513 : 1008 et 1010. Même après avoir éliminé tous les autres types de tubes, les possibilités en termes de propriétés mécaniques de ces deux types restent très vastes. De fait, ce sont les types de tubes qui présentent la plus grande variété de propriétés mécaniques.
Par exemple, un tube est qualifié de souple si sa limite d'élasticité minimale (MYS) est faible et son allongement élevé, ce qui signifie qu'il présente de meilleures performances en traction, en flexion et en déformation rémanente qu'un tube qualifié de dur, qui possède une limite d'élasticité minimale (MYS) relativement élevée et un allongement relativement faible. Ceci est similaire à la différence entre un fil souple et un fil dur, comme ceux utilisés pour les cintres et les forets.
L'allongement est un autre facteur qui influe considérablement sur les applications critiques des canalisations. Les tubes à fort allongement résistent mieux à la traction ; les matériaux à faible allongement sont plus fragiles et donc plus sujets aux ruptures catastrophiques par fatigue. Cependant, l'allongement n'est pas directement lié à la résistance à la traction, qui est la seule propriété mécanique directement liée à la dureté.
Pourquoi les propriétés mécaniques des tubes varient-elles autant ? Tout d’abord, leur composition chimique diffère. L’acier est un alliage solide de fer, de carbone et d’autres éléments importants. Par souci de simplification, nous nous concentrerons ici sur le pourcentage de carbone. Les atomes de carbone remplacent certains atomes de fer, formant ainsi la structure cristalline de l’acier. La norme ASTM 1008 définit une nuance primaire très générale, avec une teneur en carbone de 0 % à 0,10 %. La valeur zéro est particulière : elle confère à l’acier des propriétés uniques lorsque sa teneur en carbone est extrêmement faible. La norme ASTM 1010 spécifie une teneur en carbone comprise entre 0,08 % et 0,13 %. Ces différences peuvent paraître minimes, mais elles ont un impact significatif sur d’autres aspects.
Deuxièmement, le tube en acier peut être fabriqué ou fabriqué puis transformé selon sept procédés de fabrication différents. La norme ASTM A513 relative à la production de tubes ERW répertorie sept types :
Si la composition chimique de l'acier et les étapes de fabrication du tube n'ont aucun effet sur la dureté de l'acier, quel est l'effet ? Répondre à cette question implique d'examiner les détails. Cette question en soulève deux autres : quels détails, et avec quelle précision ?
La première étape de la réponse réside dans la nature des grains qui composent l'acier. Lors de sa fabrication dans une aciérie primaire, l'acier ne se solidifie pas en un bloc massif et uniforme. Au cours du refroidissement, ses molécules s'organisent en motifs répétitifs (cristaux), à l'instar des flocons de neige. Une fois formés, les cristaux s'agrègent en groupes appelés grains. À mesure que le refroidissement progresse, les grains croissent et se développent dans toute la tôle ou la plaque. Leur croissance s'arrête lorsque les dernières molécules d'acier sont absorbées. Tout ce processus se déroule à l'échelle microscopique, car la taille moyenne d'un grain d'acier est d'environ 64 µm, soit 0,06 mm. Bien que chaque grain soit similaire au suivant, ils ne sont pas identiques. Ils varient légèrement en taille, en orientation et en teneur en carbone. L'interface entre les grains est appelée joint de grain. Lorsqu'un acier se rompt, par exemple sous l'effet de la fatigue, la rupture se produit généralement le long des joints de grains.
À quelle distance faut-il regarder pour distinguer les grains ? Un grossissement de 100x, soit 100 fois la vision humaine, suffit. Cependant, observer de l'acier brut à un grossissement de 100x ne révèle pas grand-chose. L'échantillon est préparé par polissage puis attaque chimique de sa surface avec un acide (généralement de l'acide nitrique et de l'alcool) appelé solution d'attaque au nitroéthanol.
Ce sont les grains et leur réseau interne qui déterminent la résistance aux chocs, la limite d'élasticité minimale (MYS), la résistance à la traction (UTS) et l'allongement qu'un acier peut supporter avant rupture.
Les étapes de fabrication de l'acier, comme le laminage à chaud et à froid des bandes, appliquent des contraintes à la structure granulaire ; si celle-ci se modifie de façon permanente, cela signifie que les contraintes déforment le grain. D'autres étapes de transformation, telles que l'enroulement de l'acier en bobines, son déroulement et la déformation des grains dans un laminoir à tubes (pour former et dimensionner le tube), exercent également une pression sur le matériau. L'étirage à froid du tube sur le mandrin, ainsi que les étapes de fabrication comme le formage des extrémités et le cintrage, contribuent aussi à cette déformation. Les modifications de la structure granulaire sont appelées dislocations.
Les étapes précédentes diminuent la ductilité de l'acier, c'est-à-dire sa capacité à résister à la traction (déformation). L'acier devient cassant, ce qui signifie qu'il est plus susceptible de se rompre si on continue à le travailler. L'allongement est une composante de la ductilité (la compressibilité en est une autre). Il est important de comprendre que la rupture se produit le plus souvent en traction, et non en compression. L'acier est très résistant à la traction grâce à sa capacité d'allongement relativement élevée. Cependant, il se déforme facilement en compression – il est ductile –, ce qui constitue un avantage.
Le béton possède une résistance à la compression élevée mais une faible ductilité comparée à celle de l'acier. Ces propriétés sont inverses à celles de l'acier. C'est pourquoi le béton utilisé pour les routes, les bâtiments et les trottoirs est souvent armé de barres d'armature. On obtient ainsi un produit combinant les résistances de deux matériaux : l'acier est résistant à la traction, et le béton à la pression.
Lors de l'écrouissage, la ductilité de l'acier diminue et sa dureté augmente. Autrement dit, il durcit. Selon les circonstances, cela peut être un avantage ; cependant, cela peut aussi être un inconvénient, car la dureté est synonyme de fragilité. En effet, plus l'acier est dur, moins il est élastique ; il est donc plus susceptible de se rompre.
Autrement dit, chaque étape du processus réduit la ductilité du tuyau. Sa dureté augmente au fur et à mesure de sa fabrication, et une dureté excessive le rend pratiquement inutilisable. Or, la dureté engendre la fragilité, et un tube fragile risque de se rompre à l'usage.
Le fabricant a-t-il des solutions dans ce cas ? En bref, oui. Cette solution est le recuit, et même si ce n'est pas magique, c'est ce qui s'en rapproche le plus.
En termes simples, le recuit élimine tous les effets des contraintes physiques sur le métal. Ce procédé consiste à chauffer le métal à une température de relaxation des contraintes ou de recristallisation, éliminant ainsi les dislocations. Selon la température et la durée spécifiques utilisées lors du recuit, ce procédé restaure ainsi partiellement ou totalement la ductilité du métal.
Le recuit et le refroidissement contrôlé favorisent la croissance des grains. Ceci est bénéfique si l'objectif est de réduire la fragilité du matériau, mais une croissance incontrôlée des grains peut ramollir excessivement le métal, le rendant inutilisable pour l'usage prévu. Maîtriser l'arrêt du recuit est une autre affaire délicate. La trempe à la température adéquate, avec l'agent de trempe approprié et au moment opportun, permet d'interrompre rapidement le processus et de redonner à l'acier ses propriétés de restauration.
Faut-il abandonner la spécification de dureté ? Non. Les caractéristiques de dureté sont surtout utiles comme point de référence lors de la spécification des tubes en acier. Mesure utile, la dureté est l'une des caractéristiques qui doivent être spécifiées lors de la commande de tubes et vérifiées à réception (et consignées pour chaque livraison). Lorsque le contrôle de dureté est la norme, il doit comporter des échelles de valeurs et des plages de contrôle appropriées.
Cependant, il ne s'agit pas d'un véritable test de qualification (acceptation ou rejet) des matériaux. Outre la dureté, les fabricants doivent occasionnellement tester les lots pour déterminer d'autres propriétés pertinentes, telles que la limite d'élasticité minimale (MYS), la résistance à la traction (UTS) ou l'allongement minimal, en fonction de l'application du tube.
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