Le couple venait de la classe de qualité, pas de votre assemblage

Deux valeurs, et une seule norme derrière elles

L’ISO 898-1 donne une charge d’épreuve pour chaque classe de qualité et chaque dimension de filetage. C’est l’effort axial que l’élément de fixation doit supporter, dans un essai défini, sans allongement permanent mesurable ; elle vaut simplement la section résistante nominale multipliée par une contrainte que la norme attribue à cette classe. Pour une M12, la section résistante est de 84,3 mm², et le tableau 5 indique :

Le couple est relié à la précharge par un produit de la forme T = K · d · F, où d est le diamètre nominal et K regroupe tout ce qui relève du frottement et de la géométrie du filetage. Divisons chaque couple par d · F_p et regardons le résultat :

Une seule constante reproduit les deux valeurs à 1 % près. Cette constante n’est pas un coefficient de frottement : c’est l’hypothèse de frottement retenue par le tableau multipliée par la fraction de la charge d’épreuve visée, et deux nombres ne permettent pas de séparer ces deux facteurs. Ce qui compte, c’est qu’une seule valeur couvre les deux lignes.

Le rapport le démontre sans aucune hypothèse

Cette partie ne demande aucun ajustement. Dans le rapport, K s’élimine, le taux d’utilisation s’élimine, le diamètre s’élimine. Quelles que soient les hypothèses du tableau, elles étaient identiques sur les deux lignes ; entre 95 et 160, seul le chiffre frappé sur la tête a changé.

Autant le dire clairement : l’assemblage ne figure pas dans ce calcul. Ni son matériau, ni sa longueur serrée, ni la raideur des pièces serrées, ni la charge qu’il transmet. Un tableau de couples indexé sur la classe de qualité est un tableau de ce que la vis peut supporter, présenté comme un tableau de ce dont l’assemblage a besoin.

La substitution est donc sans danger, et la raison en est le vrai constat

Serrez la 12.9 à 95 N·m avec les mêmes surfaces et le même lubrifiant : la précharge est très proche de celle qu’obtenait la 8.8. La discussion l’avait dit correctement en une seule ligne, à 51 points : le module d’élasticité est le même pour les deux, donc la vis s’allonge d’autant sous la même tension. La trempe et le revenu déplacent la limite d’élasticité et la résistance à la traction, pas la raideur. Un commentaire plus haut se demandait si l’« effet ressort » pouvait changer avec la classe ; cette réponse tranche la question. Le comportement de ce ressort une fois la charge de service appliquée est un modèle à part qui mérite d’être connu.

Ce qui a changé, c’est le taux d’utilisation. À 95 N·m, la 8.8 était à sa charge d’épreuve ; le même couple place la 12.9 à environ 60 % de la sienne. La vis travaille au ralenti. C’est en général une bonne situation, et c’est aussi la partie dérangeante de la réponse, car elle signifie que les 160 N·m n’ont jamais été une exigence de l’assemblage non plus. Si l’ensemble fonctionnait avec des 8.8 à 95, la ligne 12.9 existe pour exploiter la vis, pas pour tenir les pièces ensemble.

La précharge réellement obtenue est bien plus dispersée que ce calcul ne le laisse croire, et cette dispersion vient de la méthode, non de la classe : à quel point votre méthode de serrage maîtrise mal la précharge. Ce que le couple produit, et le frottement qu’il suppose implicitement, sont traités dans couple et effort de serrage et une valeur de couple suppose un état de frottement.

Quatre choses que le changement modifie bel et bien

Aucune n’est la précharge, et toutes les quatre méritent d’être vérifiées avant le montage.

Les deux premiers points constituaient la meilleure réponse de la discussion, à 98 points, et son auteur avait raison. Les compromis liés au choix d’une classe plus élevée sont examinés en détail dans ce que signifient les chiffres de la classe de qualité.

La note que la norme attache à la 12.9

Le tableau 2 de l’ISO 898-1 indique les aciers admis et la température minimale de revenu pour chaque classe. À la ligne 12.9 est rattachée une note qui n’apparaît sur aucune autre. Elle recommande la prudence lorsque la 12.9 est envisagée et demande de prendre en compte trois éléments : la capacité du fabricant, les conditions de service et les méthodes de serrage. Elle conclut en rappelant que l’environnement peut provoquer une fissuration par corrosion sous contrainte des éléments de fixation, bruts comme revêtus.

Lisez cela au regard de la question posée. Quelqu’un s’apprête à modifier la méthode de serrage d’une vis 12.9, au motif que le chiffre sur la tête est plus grand. La norme qui fournit ce chiffre y attache une note demandant précisément que cette décision soit examinée plutôt que présumée. Rien dans la note n’interdit la substitution. Mais la classe n’est pas l’amélioration gratuite qu’elle semble être.

Ce que le chiffre de la classe n’a jamais promis

L’article 1 de l’ISO 898-1 se termine par une liste de propriétés que la norme ne spécifie pas. Il y en a cinq, et deux d’entre elles sont justement celles que l’on croit acheter en choisissant une classe plus élevée :

Un tableau de couples indexé sur la classe de qualité repose donc sur une grandeur que la norme derrière cette classe déclare ne pas couvrir. Ce n’est pas une accusation : le calcul est une première approximation raisonnable et tout le monde l’utilise. Mais la valeur appartient au tableau, pas à la norme, et lorsqu’elle est fausse, ce n’est pas la norme qui a été mal lue.

Ces deux exclusions répondent aussi à la forme générale de la question. Dans un assemblage sollicité perpendiculairement à la vis plutôt que dans son axe, et dans un assemblage soumis à des charges cycliques, le changement de classe n’indique rien, ni dans un sens ni dans l’autre. Nous avons cherché une comparaison publiée de la durée de vie en fatigue entre classes de qualité à précharge égale et n’en avons trouvé aucune digne d’être citée. Ce que le modèle axial dit des charges cycliques se trouve dans la vis est un ressort, et le cas où davantage de couple cesse d’aider est traité dans serrer plus ne fait pas toujours durer plus.

Cet article ne relève pas d’une seule des six étapes : il en traverse plusieurs ou intervient après l’assemblage. Les décisions qui y conduisent sont présentées dans l’article anglais Specifying a screw.

Questions fréquentes

J’ai commandé des 8.8 et reçu des 12.9. Puis-je les monter au couple prévu pour la 8.8 ?

Mécaniquement, la précharge est presque inchangée, car le couple est relié à la précharge par le frottement et la géométrie, et aucun de ces termes ne contient la classe de qualité. Le module d’élasticité est le même : la vis s’allonge d’autant sous la même tension. Quatre choses changent néanmoins : l’allongement minimal après rupture passe de 12 % à 8 %, l’ISO 4042 impose un dégazage thermique pour la 12.9 revêtue alors qu’elle n’exige rien en dessous de 10.9, l’écrou ou le trou taraudé ne sont pas devenus plus résistants, et le marquage de la tête ne correspond plus au plan. Ce dernier point est une modification à enregistrer, quelle que soit la conclusion technique.

Une vis 12.9 s’allonge-t-elle moins qu’une 8.8 au même couple ?

Non. La trempe et le revenu augmentent la limite d’élasticité et la résistance à la traction sans modifier le module d’élasticité ; sous une même tension, les deux vis s’allongent donc de la même quantité. La classe supérieure apporte la capacité d’être étirée plus loin avant de plastifier, pas une plus grande raideur face à l’étirement. La question a été soulevée dans la discussion d’origine, et la bonne réponse était la deuxième.

D’où vient la valeur d’un tableau de couples indexé sur la classe ?

C’est généralement la section résistante nominale multipliée par une contrainte définie par la classe, puis par une hypothèse de frottement et un diamètre nominal. Dans le tableau étudié ici, 95 N·m en 8.8 et 160 N·m en 12.9 pour une M12 sont reproduits à 1 % près par une seule constante de 0,162 appliquée aux charges d’épreuve de l’ISO 898-1, soit 48 900 N et 81 800 N. Cette constante est une hypothèse de frottement multipliée par un taux d’utilisation, et deux nombres ne permettent pas de les séparer ; le rapport entre les deux couples, lui, ne demande aucune hypothèse : c’est le rapport entre les classes.

Une classe de qualité plus élevée est-elle le choix sûr en cas de doute ?

C’est le choix qui augmente ce que la vis peut supporter et réduit ce qu’elle peut absorber avant de rompre. L’ISO 898-1 donne un allongement minimal de 12 % en 8.8 et de 8 % en 12.9, et son tableau 2 attache une mise en garde à la seule 12.9, demandant de prendre en compte la capacité du fabricant, les conditions de service et les méthodes de serrage, et mentionnant la fissuration par corrosion sous contrainte. Là où l’assemblage a besoin de la 12.9, il en a besoin. La choisir par marge, c’est acheter de la capacité statique en dépensant de la ductilité.

L’ISO 898-1 donne-t-elle des couples de serrage ?

Non, et elle le dit. L’article 1 range le comportement couple/tension parmi les propriétés que la norme ne spécifie pas et renvoie à l’ISO 16047 pour la méthode d’essai. La résistance à la fatigue, la résistance au cisaillement, la soudabilité et la résistance à la corrosion figurent sur la même liste. Les tableaux de couples indexés sur la classe de qualité sont établis par d’autres à partir de la norme, avec ses charges d’épreuve et un état de frottement supposé.

Références

• ISO 898-1:2013 — caractéristiques mécaniques des éléments de fixation en acier au carbone et en acier allié ; exclusions du domaine d’application (article 1), tableau 2 et sa note sur la classe 12.9, tableau 3 lignes 3 et 6, charges d’épreuve du tableau 5
• ISO 16047 — éléments de fixation, essais couple/tension ; la méthode à laquelle renvoie l’ISO 898-1 pour la propriété qu’elle ne spécifie pas
• ISO 4042 — éléments de fixation, systèmes de revêtement électrolytique ; les limites de classe pour la prévention de la fragilisation par l’hydrogène
• r/AskEngineers — la discussion d’origine, avec les deux valeurs de couple et la réponse sur le module d’élasticité

L’ISO 898-1:2013 a été lue dans l’aperçu PDF public, qui contient l’article 1, le tableau 2 avec toutes ses notes, ainsi que les tableaux 3 et 5 en entier ; toutes les valeurs citées ci-dessus proviennent de ces tableaux. La paire 95 et 160 N·m ne provient d’aucun tableau publié que nous puissions nommer. C’est ce que l’auteur de la question a indiqué figurer sur ses propres plans ; la reconstitution montre donc quelle paire d’hypothèses reproduit ces deux valeurs, sans prétendre être le calcul effectué par son entreprise. La constante 0,162 est une hypothèse de frottement multipliée par un taux d’utilisation, et deux points ne permettent pas de les séparer : elle ne doit pas être lue comme un coefficient de frottement. L’argument du rapport n’en dépend pas. Sur la fatigue, nous disons seulement que l’ISO 898-1 l’exclut ; nous avons cherché une comparaison publiée de la durée de vie en fatigue entre classes de qualité à précharge égale et n’en avons trouvé aucune que nous acceptions de citer.