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La danse curieuse du stress et de la tension : comment les matériaux se déforment-ils sous pression ?
En ingénierie et en science des matériaux, les courbes contrainte-déformation sont essentielles pour comprendre le comportement des matériaux. Cette courbe montre la relation entre la contrainte et la déformation, qui est obtenue en appliquant progressivement une charge sur un échantillon de matériau d'essai et en mesurant sa déformation. Ces courbes aident non seulement les ingénieurs à prédire les performances d'un matériau, mais peuvent également révéler de nombreuses propriétés importantes du matériau, telles que le module de Young, la limite d'élasticité et la résistance ultime à la traction.
Les courbes contrainte-déformation peuvent révéler les propriétés des matériaux à différents stades de déformation, ce qui en fait un outil important qui ne peut être ignoré dans la communauté des ingénieurs.
Définition de la courbe de contrainte et de déformation
En général, une courbe contrainte-déformation représente la relation entre la contrainte et la déformation dans toute forme de déformation. Ces relations peuvent être normales, de cisaillement ou un mélange des deux, et peuvent être uniaxiales, biaxiales ou multiaxiales, et peuvent même varier dans le temps. La déformation peut prendre la forme de compression, de tension, de torsion, de rotation, etc.
Les discussions futures se concentreront principalement sur la relation entre la contrainte normale axiale et la déformation normale axiale, obtenue à partir d'essais de traction. Dans de nombreuses situations pratiques, différents matériaux présenteront des courbes contrainte-déformation différentes qui reflètent le comportement unique des matériaux.
Différentes étapes de la courbe contrainte-déformation
La courbe contrainte-déformation de nombreux matériaux peut être divisée en plusieurs étapes différentes, chacune présentant un comportement différent. Prenons l’exemple de l’acier à faible teneur en carbone, sa courbe contrainte-déformation à température ambiante présente les principales étapes suivantes :
Région élastique linéaire
La première étape est la région élastique linéaire. Dans cette région, la contrainte est proportionnelle à la déformation, c'est-à-dire qu'elle suit la loi de Hawke, et la pente de cette région est le module de Young. Ici, le matériau subit uniquement une déformation élastique jusqu'à ce qu'il atteigne le point où la déformation plastique commence, et la contrainte à ce point est appelée limite d'élasticité.
Région d'écrouissage
La deuxième étape est la zone d'écrouissage. Dans cette région, les contraintes augmentent progressivement au-delà de la limite d'élasticité jusqu'à atteindre la résistance ultime à la traction. Cette région est caractérisée par une augmentation des contraintes qui se produit principalement lorsque le matériau s'étire. Étant donné que le matériau est soumis à un écrouissage à ce stade, des contraintes de plus en plus importantes doivent être appliquées pour surmonter la résistance interne.
Pendant le processus d'écrouissage, la déformation plastique augmente la densité de dislocations à l'intérieur du matériau, ce qui aura un impact significatif sur le comportement de déformation ultérieur.
Région du cou
La troisième étape est la région de rétrécissement. Lorsque la contrainte dépasse la résistance ultime à la traction, la section transversale locale du matériau sera considérablement réduite, formant un col. À ce stade, la déformation est inégale et la pression est concentrée dans la position réduite, ce qui entraîne un développement plus rapide du rétrécissement et éventuellement une fracture. Bien que la force de traction diminue à ce moment, l'écrouissage continue et la contrainte réelle continue d'augmenter.
L'extrémité de la région de rétrécissement représente la fracture du matériau, et l'allongement et la réduction de la section transversale après fracture peuvent être calculés au profit de la communauté des ingénieurs dans la conception de matériaux et de processus de fabrication.
Classification des matériaux
Sur la base des caractéristiques communes montrées par la courbe contrainte-déformation, nous pouvons diviser grossièrement les matériaux en deux catégories : les matériaux ductiles et les matériaux cassants.
Matériaux ductiles
Les matériaux ductiles, tels que l'acier de construction et la plupart des autres métaux, présentent la propriété de céder à des températures normales. Les courbes contrainte-déformation de ces matériaux contiennent généralement une limite d'élasticité bien définie et présentent une gamme de comportements de déformation pendant l'étape de déformation plastique. La ténacité d’un matériau ductile est souvent liée à la surface sous sa courbe contrainte-déformation, qui est un indicateur de l’énergie que le matériau absorbe avant la rupture.
Matériaux cassants
Les matériaux cassants, tels que la fonte, le verre et certaines pierres, présentent un comportement très différent de celui des matériaux ductiles. Ces matériaux n’ont souvent pas de limite d’élasticité bien définie et, lorsqu’une fracture se produit, le taux de déformation reste pratiquement inchangé. Sa courbe contrainte-déformation est généralement linéaire et aucune déformation plastique significative ne se produit pendant le processus de déformation.
Une caractéristique des matériaux cassants est qu'ils ont tendance à reprendre leur forme d'origine lors de la fracture, contrairement à la fracture par rétrécissement des matériaux ductiles.
Comprendre comment un matériau se comporte sous différentes pressions est sans aucun doute crucial pour la conception et la sélection de matériaux appropriés. En ingénierie appliquée, nous devons mener des recherches approfondies sur les propriétés de divers matériaux et sur leur comportement dans différentes situations. Avez-vous déjà réfléchi aux autres facteurs potentiels qui devraient être pris en compte en plus de la résistance lors du choix des matériaux ?
