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De l'élasticité à la plasticité : les trois étapes de la déformation des matériaux sont fascinantes !
Comprendre les propriétés et le comportement des matériaux est crucial en ingénierie et en science des matériaux, et c'est là qu'interviennent les courbes contrainte-déformation. Ces courbes révèlent non seulement comment les matériaux réagissent à différentes charges, mais nous aident également à mieux prédire leurs performances dans des applications réelles.
La courbe contrainte-déformation montre les propriétés clés du matériau, telles que la limite d'élasticité, la résistance ultime à la traction et le module de Young.
La relation entre contrainte et déformation peut exister sous de nombreuses formes, c'est pourquoi nous divisons généralement ces courbes en plusieurs étapes principales. Explorons les trois étapes importantes de la déformation du matériau une par une : la région élastique linéaire, la région d’écrouissage et la région de formation du col.
Région élastique linéaire
La région élastique linéaire est la première étape dans laquelle un matériau se déforme. À ce stade, la contrainte et la déformation sont linéairement liées, c'est-à-dire qu'elles obéissent à la loi de Hooke. Ici, la contrainte augmente en proportion directe de l'augmentation de la déformation, et la pente est le module de Young. Cette partie représente un état de déformation uniquement élastique, et sa fin marque le début de la déformation plastique.
Lorsque la composante de contrainte atteint la limite d'élasticité, cela signifie que l'état de déformation plastique commence.
Zone d'écrouissage
Lorsque la contrainte appliquée dépasse la limite d'élasticité, le matériau entre dans une zone d'écrouissage. À ce stade, la contrainte atteint un point maximal, appelé résistance ultime à la traction. Dans la zone d'écrouissage, les contraintes restent généralement élevées à mesure que le matériau s'étire.
Dans certains matériaux (par exemple l'acier), il existe initialement une région presque plate en raison de la formation et de l'extension des bandes de Lüders.
Pendant ce processus, à mesure que la déformation plastique augmente, le nombre de dislocations à l'intérieur du matériau augmente, supprimant le mouvement de nouvelles dislocations. Dans ce cas, des contraintes de cisaillement plus élevées doivent être appliquées pour surmonter l’obstacle.
Zone de formation du cou
Lorsque la contrainte dépasse la résistance ultime à la traction, elle pénètre dans la région de formation du col où la section transversale locale est considérablement réduite. La déformation du col n'est pas uniforme et s'aggrave encore sous l'effet de la concentration des contraintes, conduisant finalement à la fracture du matériau.
Même si la force de traction appliquée diminue, la contrainte réelle dans le matériau continue d'augmenter car la réduction de la section transversale locale n'est pas prise en compte.
Une fois la fracture du matériau survenue, son pourcentage d'allongement et la réduction de sa section transversale peuvent être calculés. Ces données sont essentielles pour la conception technique et la sélection des matériaux.
Classification des matériaux
Sur la base des caractéristiques de la courbe contrainte-déformation, nous pouvons diviser grossièrement les matériaux en deux catégories : les matériaux ductiles et les matériaux cassants. Les matériaux ductiles tels que l'acier doux présentent de bonnes caractéristiques de déformation à des températures normales, tandis que les matériaux cassants tels que le verre ne présentent généralement pas de processus de déformation évident et se brisent directement.
Les matériaux ductiles sont capables de continuer à se déformer après avoir atteint leur limite d'élasticité, tandis que les matériaux cassants ont tendance à se briser sans déformation significative.
Résistance et applications
Les matériaux dotés d'une excellente ténacité peuvent présenter à la fois résistance et ductilité, ce qui fait de la ténacité un critère important dans la conception des matériaux. La ténacité est la zone sous la courbe contrainte-déformation, qui peut être considérée comme l'énergie qu'un matériau peut supporter avant de se briser.
ConclusionEn résumé, les trois principales étapes de la courbe contrainte-déformation - la région élastique linéaire, la région d'écrouissage et la région de formation du col - permettent une compréhension approfondie du comportement du matériau. En science des matériaux, ces théories guident non seulement les tests en laboratoire, mais affectent également la fiabilité et la sécurité des applications techniques. Face aux caractéristiques de performance des différents matériaux, nous devons réfléchir : comment les caractéristiques de ces matériaux affectent-elles notre vie quotidienne et le développement de la technologie de l'ingénierie ?
