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 une bonne compacité (par ex. 12 pour des cubes)

Le coefficient de remplissage est le pourcentage de volume d'espace occupé par les composants atomiques

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

DUCTILITÉ

C’est la propriété d’un matériau de se laisser déformer 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 la 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) c’est à dire 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 (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

Voir chapitre spécial

ÉCROUISSAGE

C'est (suite à des conditions 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.

Synonyme= Constante élastique

C’est une grandeur dimensionnellement similaire à la dureté mécanique, ou à la résilience et aussi à la ténacité (voir ces notions ci-après)

Equation aux dimensions structurelle: M.T-2  Symbole de désignation : W'

Unité S.I.+ : J/m²

Voir chapitre spécial élasticité

ENDURANCE

C'est la limite de fatigue (voir 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 (succession cyclique de charges appliquées)

La résistance d’un matériau (avant rupture) est proportionnelle au logarithme du nombre des répétitions contraignantes et atteint un minimum appelé "limite de fatigue", qui est souvent asymptotique.

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 Tet la température Tà laquelle on soumet ce matériau)

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 T e < 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 < T e < 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 T e > 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*.T)  

où EQ(J) est l’énergie d’activation du phénomène, R*(J/K) est la constante des gaz parfaits (8,314 J/K) et T(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 l’inverse de l’élasticité, c'est à dire identique à une compressibilité (donc Equation aux dimensions structurelles : L.M-1.T2)

Elle est forte pour une élasticité faible d’un matériau (car elle est inversement proportionnelle à la limite d’élasticité).Le terme s’utilise plutôt pour les hautes pressions 

FORGEABILTÉ

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

Cas de ductilité (déformation sans rupture) employé pour la déformation de 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 souvent > 1000°C

-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 matériau 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 manip 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 va entraîner sous peu un danger d'exploitation

C'est la zone au-delà de l'élasticité, avec un fort allongement avec tendance 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) du métal, correspondant (pour sa limite) à l’énergie nécessaire pour le rompre

Equation aux dimensions  : M.T-2       Symbole grandeur : 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) peut représenter la mesure par traction) , 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

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

C’est un cas particulier d’énergie surfacique

On définit d'abord >>>

-le facteur d'intensité de contrainte

C'est F'i c = Ko.p.(ml)1/2

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

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

(ml)(m²)= moyenne des longueurs 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 l1/2) 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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