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De la fracture à la déformation : comment la ductilité des matériaux affecte-t-elle la conception technique ?
En science des matériaux, la ductilité fait référence à la capacité d'un matériau à subir une déformation plastique importante avant la rupture. Cette déformation plastique est fondamentalement différente de la déformation élastique, qui est permanente lorsqu'une contrainte est appliquée, tandis que cette dernière revient à sa forme initiale lorsque la contrainte est supprimée. La ductilité est une propriété mécanique essentielle dans de nombreuses applications qui nécessitent que les matériaux se plient, s'étirent ou se déforment sans se casser. De nombreuses opérations d’ingénierie et de fabrication, en particulier dans le travail des métaux, imposent des exigences strictes en matière de ductilité des matériaux.
La ductilité est un facteur clé pour évaluer si un matériau peut survivre aux processus de formage des métaux tels que le forgeage ou l'emboutissage.
Dans ce contexte, la ductilité est souvent quantifiée à l'aide du pourcentage d'allongement à la rupture (%EL), qui est basé sur le changement de longueur du matériau avant et après la rupture. Plus un matériau est ductile, mieux il peut résister aux contraintes et aux déformations. En revanche, certains matériaux, comme la fonte, présentent des caractéristiques de rupture fragile.
Les métaux sont généralement considérés comme ayant une bonne ductilité en raison de leur structure de liaison métallique unique. Dans ces matériaux, les électrons de valence peuvent se déplacer librement, ce qui permet aux atomes métalliques de glisser sous contrainte sans subir de fortes forces répulsives. Prenons l'exemple de l'acier : la ductilité de l'acier varie en fonction de la composition de l'alliage. Lorsque la teneur en carbone augmente, la ductilité de l'acier diminue.
Le métal le plus ductile est le platine et le métal le plus malléable est l'or.
En général, la ductilité d’un matériau affecte ses performances dans les applications pratiques. Les métaux ayant une plus grande ductilité peuvent absorber plus d’énergie lors d’un impact, évitant ainsi le risque de fracture fragile. Par conséquent, la sélection des matériaux appropriés pour la conception technique constitue un défi complexe. De nombreux matériaux deviennent rapidement cassants, en particulier lorsqu'ils sont refroidis en dessous de leur température de transition cassante (DBTT). Ceci nous amène à l’importance du DBTT.
Le DBTT n'est pas seulement une considération importante dans la conception de produits métalliques porteurs, mais dépend également des caractéristiques et du type structurel du matériau lui-même. Les métaux avec une structure cubique à faces centrées restent ductiles sur une large plage de températures, tandis que les métaux avec une structure cubique centrée sur le corps ne présentent une ductilité qu'à des températures élevées.
Le DSD est une base importante pour la sélection de matériaux capables de résister aux contraintes mécaniques.
Dans les applications pratiques, la mesure et les performances de la ductilité sont également affectées par de nombreux facteurs externes. Par exemple, le rayonnement neutronique peut augmenter les défauts du réseau interne et donc augmenter le DBTT du matériau. Cela signifie que les ingénieurs doivent prendre en compte plusieurs facteurs lors de la conception et de la sélection des matériaux, notamment la microstructure du matériau, l'environnement externe et la durée de vie prévue.
Avec les exigences technologiques croissantes, l’exploration de la manière dont les matériaux peuvent maintenir un certain degré de ductilité lorsqu’ils sont soumis à des dommages mécaniques est devenue un sujet important de recherche actuelle. La ductilité d’un matériau déterminera-t-elle son champ d’application dans les futures conceptions techniques ? Cela signifie-t-il que nous devons repenser notre sélection de matériaux et nos stratégies d’application ?
