PROPRIéTéS et RéACTIONS des MATéRIAUX

-propriétés et réactions des matériaux

Un matériau présente diverses qualités réactives selon les contraintes rencontrées

 

COMPACITÉ

 

Un matériau, considéré à l'échelon atomique , présente une compacité, c'est à dire la meilleure façon d'empiler ses structures-composantes volumiques dans le plus petit espace possible.

 

L'indice de coordination (ou coordinence) est le nombre total d'éléments mitoyens permettant la meilleure compacité (par ex. pour des cubes, la coordinence est 12, exprimant la plus exacte façon de remplir un cube-mère )

 

Le coefficient de remplissage est le pourcentage d'occupation volumique de l'espace par rapport à l'espace offert

 

Par ex. pour des sphères = 16p/(3 x 83/2)= 74%

 

 DUCTILITÉ

C’est la propriété d’un matériau de se laisser déformer (et en particulier étirer) sans rompre (cas des corps à faible limite d’élasticité)--cette limite étant la pression limite sous laquelle la déformation d’un matériau devient permanente--

 

Equation aux dimensions  : L.M-1       Symbole désignatoire : H*       Unité S.I.+ : m/kg

 

Pratiquement, on apprécie la ductilité à travers 3 rapports de grandeurs:

 

l’allongement relatif  = rapport: élongation / longueur initiale.L'écrouissage le favorise

 

la restriction transversale qui vaut environ 25 à 40 % de l’allongement (c'est le rapport habituel entre les coefficients de Young et de Coulomb)

 

la striction (à la rupture) qui est le rapport entre la section au moment de la rupture et la section à l’origine

 

Exemples: la fonte se rompt brusquement, sans striction notable -elle n’est pas ductile-

 

Les Al, Cu, Fe, Pb sont assez ductiles.L'or est le plus ductile de tous les métaux (5.10-7 m/kg)

 

  DURETÉ

 

C'est une résistance à la pénétration d'un matériau étranger, supposé indéformable

 

On utilise surtout les échelles de dureté Brinell qui a une pseudo-unité valant environ 3,5.10Pa pour l’acier (et ~ 5.10Pa pour le cuivre) et de dureté Rockwellqui vaut ~ 10% de la Brinell

 

Les duretés ont la dimension d'une pression

 

Voir chapitre spécial

 

 ÉCROUISSAGE

 

C'est (suite à des situations spéciales de métallurgie) un durcissement du matériau dans sa phase de plasticité.

 

Il y a corrélativement, augmentation de la limite d'élasticité, de la fragilité et de la dureté

 

 ÉLASTICITÉ

C'est la possibilité, pour un corps, de reprendre ses dimensions géométriques, dès lors que cesse la force (ou pression) antérieure déformante qui lui était appliquée.

L'élasticité   est une résistance surfacique (c'est à dire une contrainte = pression)  

Par contre la constante élastique, la résilience et la ténacité sont des grandeurs dimensionnellement voisines (M.T-2 )

 

 ENDURANCE

  C'est la limite de fatigue (définie ci-après), avant apparition de déstructurations

 

Elle est souvent comprise entre 106 à 8 cycles

 

Elle est de l'ordre de 45 à 50% de la résistance surfacique à la rupture

 

 FATIGUE

 

La fatigue indique que l’effet répétitif d’une contrainte ou d’une déformation sur un

matériau exerce une destruction d’usure, ou de fissuration, proportionnelle au nombre d’alternances d’application de ladite contrainte (ces sollicitations cycliques et répétées peuvent concerner la flexion, la traction, la torsion ou les 3 ensemble)

La résistance du  matériau (avant rupture) est proportionnelle au logarithme du nombre des répétitions contraignantes et chute jusqu'à un minimum appelé "limite de fatigue", qui est souvent asymptotique.On utilise la courbe de Wöhler (où les contraintes sont fonctions de l'amplitude et du nombre des sollicitations.

Les limites de fatigue sont de l'ordre de 0,40 à 0,50 de la résistance surfacique à la traction (soit donc # 200 à 300 MPa pour les aciers, 110 MPa pour les fers, 140 Mpa pour l'alu, 120 Mpa pour le cuivre)

 

FLUAGE

 Phénomène de déformation lente d’un matériau dans le temps, sous l’action d’une force constante et à température constante

 On parle surtout du fluage en traction, qui créé donc (aussitôt après un allongement spontané) un autre allongement, évolutif dans le temps et variable selon les températures (à savoir la température de fusion du matériau Tf et la température Te à laquelle ce matériau est ici soumis)

 L’incidence du fluage peut provoquer de très importants allongements et entraîne, à terme plus ou moins long, la rupture du matériau

 

On distingue 3 types de fluages (selon les températures):

 -Si Te < 0,25.Tf    c’est la zone d’un fluage dit "logarithmique", car il évolue en fonction logarithmique de la durée .La vitesse de fluage est ici décroissante avec le temps

 -Si 0,25.Tf < Te < 0,60.Tf     c’est la zone d’un fluage dit "de restauration", car le matériau peut redevenir normal par un réchauffement.La vitesse de fluage est ici décroissante en fonction d’une puissance négative du temps

  -Si Te > 0,60.Tf      c’est la zone d’un fluage dit de "diffusion", car les molécules du matériau diffusent pour accentuer la perturbation.La vitesse de fluage est ici proportionnelle à (-EQ / R*.Te)   où EQ(J) est l’énergie d’activation du phénomène, R*(J/K) est la constante des gaz parfaits (8,314 J/K) et Te(K) est la température absolue de l’expérience

 

Dans toutes ces considérations, entrent en ligne de jeu des coefficients de qualités des matériaux (forme, structure, plasticité....)

 

 FLUIDITÉ MÉCANIQUE 

 C'est une compressibilité instantanée (donc Equation aux dimensions structurelles :

L.M-1.TLe terme s’utilise plutôt pour les hautes pressions 

C'est aussi une durée de malléabilité ou de ductilité  

 

 FORGEABILITÉ

 C'est un cas particulier de ductilité, exprimant la facilité avec laquelle un matériau se laisse modeler à chaud, pour changer sa forme (surtout par laminage) 

 

 FRAGILITÉ

 Qualité d’un matériau pour lequel la rupture intervient quand il est soumis à une pression très peu supérieure à sa limite d’élasticité

  C'est le contraire de la ductilité (vue ci-dessus) 

 

  MALLÉABILITÉ

 Qualité d'un matériau qui se laisse aplatir  sans rupture (feuilles minces) C'est la déformation apportée par le laminage

 Equation aux dimensions structurelles : L.M-1       Symbole de désignation :H*    

 

Unité S.I.+ : mètre par kilogramme(m/kg)

 

La malléabilité des métaux intervient > 1000°C et celle des matières plastiques plutôt < 200°C 

 

 MARTENSITE 

  Phase résultant de la transformation d'un métal, présentant souvent une structure micrographique en aiguilles ou en baguettes et possédant des relations d'orientation cristallographique envers la phase mère

 

Pour les aciers, la martensite est une solution solide métastable de carbone dans le fer (structure quadratique centrée), obtenue par transformation sans diffusion de l'austénite (un autre type d'acier) lors d'un refroidissement suffisamment rapide

  

 MATAGE

 C'est une déformation dans la zone de plasticité, causée par pression élevée ou choc 

 

 MÉMOIRE DE FORME

 Qualité d'un alliage solide qui garde la mémoire de la forme qu'il avait avant la déformation qu'on lui impose, dès lors qu'il a "appris" antérieurement une modification de sa structure atomique. Cette modification (disposition des atomes entre eux) est acquise d'une part par un forte température (1200°C) au moment de la création de l'alliage >>> ce qui lui donne une structure dite austénitique. Puis, suite à un fort refroidissement (trempe), les atomes prennent une nouvelle structure (dite martensitique) qui, après plusieurs manips répétitives, va devenir spontanément adoptée dès que la température remonte dans une zone "normale"  .Ces matériaux sont superélastiques et superamortisseurs et ils ont de très forts coefficients de dilatation, avec anisotropie. 

 

PLASTICITE

  Terme exprimant qu'une déformation d’un matériau, persiste après cessation de l’effort causal et va entraîner sous peu un danger d'exploitation

 

C'est la zone au-delà de l'élasticité, avec un fort allongement s'orientant vers la rupture

 Quand on alterne et renouvelle les efforts de compression puis décompression sur un matériau en zone de plasticité, la courbe [contrainte en fonction de l’allongement] est de type hystérésis

  Loi de Newton (en plasticité)    pt = η.v / l       ou   pt = η.Δl / l.t

  avec pt(Pa ou N/m²)= pression de tension

 η(N-s/m²)= viscosité dynamique

  v(m/s)= vitesse d'allongement (dilatatoire)

 Δl / l (nombre)= allongement (relatif)

 

Perte d’énergie de plasticité

 Wp = V.∫nn.Δl / l

 

où Wp(J)= travail perdu (composante normale à l’élément de surface où apparaît la contrainte

  V(m3)= volume du matériau

  nn(N/m²)= contrainte normale 

 

 RÉSILIENCE

 Cas particulier de ténacité (résistance aux chocs) d'un métal, exprimant la limite énergétique nécessaire pour le rompre

  Dimensions  : M.T-2       Symbole : W'r       Unité S.I.+ : Joule par mètre carré (J/m²)

 

W’r = E / S    où W’r(J/m²)= résilience (mesurée par choc) d’un matériau prismatique soumis à une contrainte

 S(m²)= surface de la section cisaillée

 E(J)= énergie absorbée dans le choc latéral sur la section

 

La résilience varie avec la position de la section cisaillée et varie aussi avec la température

 Pour la mesure de la résilience---en partant toujours de la formule ci-dessus, W’r(J/m²)---on agit par attraction, S(m²)= la section cisaillée et E(J)= énergie fournie par la force de traction jusqu’à la rupture 

 

  RÉSISTANCE MÉCANIQUE

  Voir chapitre spécial

 

 RIGIDITÉ

 C’est la caractéristique d’un corps dont les points gardent une pérennité structurelle entre eux (c'est le contraire de l'élasticité) Voir chapitre spécial

 

 SOUPLESSE

 

C'est la qualité de déformation d'un matériau 

 

 TÉNACITÉ

 C'est la caractéristique d’un matériau résistant aux chocs (aptitude à absorber de l’énergie avant d'envisager une rupture) Elle suppose une résistance à la propagation des fissures

 

C’est un cas particulier d’énergie surfacique (dimension M.T-2)

 

Pour la calculer, on définit >>>

 

-le facteur d'intensité de contrainte

 

qui est F'i c = Ko.p.(mS)1/2

 

où Ko = coefficient dimensionnel, fonction de caractéristiques physico-chimiques du solide en cause (forme, structure, place des fissures...)

 

p(N/m²)= contrainte normale au plan des fissures

 

(mS)(m²)= moyenne des surfaces de défauts (fissures) existant sur le matériau

 

Valeurs de F'i c pour divers matériaux (exprimées en Mpa-m1/2) >>>

 

fonte(5 à 15)--Mg(10 à 20)--Cu(20 à 40)--Zn(80 à 120)--Ti(60 à 130)--aciers(60 à 160)--Ni(50 à 200)--Alu(50 à 250)

 

-la ténacité stricto sensu

 

On la mesure comme la limite (quand Kest proportionnel à S1/2) dans l'expression du facteur d’intensité de contrainte W'f défini ci-dessus

 

La ténacité est approximativement fonction de la charge de rupture

 

Equation aux dimensions structurelles de la ténacité : M.T-2  Symbole grandeur  : W'v

 

Unité S.I.+ : Joule par mètre carré (J/m²) L'unité d'usage est le J/cm², qui vaut 104 J/m²

 

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