Les propriétés de traction indiquent comment le matériau va réagir aux forces appliquées en tension. Un essai de traction est un essai mécanique fondamental où un spécimen soigneusement préparé est chargé de manière très contrôlée tout en mesurant la charge appliquée et l’allongement du spécimen sur une certaine distance. Les essais de traction sont utilisés pour déterminer le module d’élasticité, la limite élastique, l’allongement, la limite proportionnelle, la réduction de surface, la résistance à la traction, la limite d’élasticité, la limite élastique et d’autres propriétés de traction.
Le produit principal d’un essai de traction est une courbe de charge par rapport à l’allongement qui est ensuite convertie en une courbe de contrainte par rapport à la déformation. Puisque la contrainte technique et la déformation technique sont toutes deux obtenues en divisant la charge et l’allongement par des valeurs constantes (informations sur la géométrie de l’éprouvette), la courbe charge-allongement aura la même forme que la courbe contrainte-déformation technique. La courbe contrainte-déformation relie la contrainte appliquée à la déformation résultante et chaque matériau possède sa propre courbe contrainte-déformation. Une courbe typique de contrainte-déformation technique est présentée ci-dessous. Si l’on utilise la contrainte réelle, basée sur la surface réelle de la section transversale de l’échantillon, on constate que la courbe contrainte-déformation augmente continuellement jusqu’à la rupture.
Région linéaire-élastique et constantes élastiques
Comme on peut le voir sur la figure, la contrainte et la déformation augmentent initialement avec une relation linéaire. C’est la partie linéaire-élastique de la courbe et elle indique qu’aucune déformation plastique ne s’est produite. Dans cette région de la courbe, lorsque la contrainte est réduite, le matériau retrouve sa forme initiale. Dans cette région linéaire, la ligne obéit à la relation définie comme la loi de Hooke où le rapport entre la contrainte et la déformation est une constante.
La pente de la ligne dans cette région où la contrainte est proportionnelle à la déformation et est appelée module d’élasticité ou module de Young. Le module d’élasticité (E) définit les propriétés d’un matériau lorsqu’il subit une contrainte, se déforme, puis reprend sa forme initiale après la suppression de la contrainte. Il s’agit d’une mesure de la rigidité d’un matériau donné. Pour calculer le module d’élasticité, il suffit de diviser la contrainte par la déformation du matériau. La déformation étant sans unité, le module aura les mêmes unités que la contrainte, par exemple kpi ou MPa. Le module d’élasticité s’applique spécifiquement à la situation d’un composant étiré par une force de traction. Ce module est intéressant lorsqu’il est nécessaire de calculer combien une tige ou un fil s’étire sous une charge de traction.
Il existe plusieurs types de modules différents selon la façon dont le matériau est étiré, plié ou autrement déformé. Lorsqu’un composant est soumis à un cisaillement pur, par exemple une barre cylindrique en torsion, le module de cisaillement décrit la relation linéaire-élastique de contrainte-déformation.
La déformation axiale est toujours accompagnée de déformations latérales de signe opposé dans les deux directions mutuellement perpendiculaires à la déformation axiale. Les déformations qui résultent d’une augmentation de la longueur sont désignées comme positives (+) et celles qui résultent d’une diminution de la longueur sont désignées comme négatives (-). Le coefficient de Poisson est défini comme la négative du rapport entre la déformation latérale et la déformation axiale pour un état de contrainte uniaxiale.
Le coefficient de Poisson est parfois aussi défini comme le rapport des valeurs absolues de la déformation latérale et axiale. Ce rapport, comme la déformation, est sans unité puisque les deux déformations sont sans unité. Pour les contraintes situées dans le domaine élastique, ce rapport est approximativement constant. Pour un matériau élastique parfaitement isotrope, le coefficient de Poisson est de 0,25, mais pour la plupart des matériaux, la valeur est comprise entre 0,28 et 0,33. En général, pour les aciers, le coefficient de Poisson aura une valeur d’environ 0,3. Cela signifie que s’il y a un pouce par pouce de déformation dans la direction où la contrainte est appliquée, il y aura 0,3 pouce par pouce de déformation perpendiculaire à la direction où la force est appliquée.
Seulement deux des constantes élastiques sont indépendantes, donc si deux constantes sont connues, la troisième peut être calculée en utilisant la formule suivante :
E = 2 (1 + n) G.
| Où : | E | = | module d’élasticité (module de Young) |
| n | = | Rapport de Poisson | |
| G | = | module de rigidité (module de cisaillement). |
Un couple de constantes élastiques supplémentaires qui peuvent être rencontrées comprennent le module apparent (K), et les constantes de Lame (m et l). Le module apparent est utilisé pour décrire la situation où une pièce de matériau est soumise à une augmentation de pression de tous les côtés. La relation entre le changement de pression et la déformation résultante produite est le module apparent. Les constantes de Lame sont dérivées du module d’élasticité et du coefficient de Poisson.
Point de rupture
Dans les matériaux ductiles, à un moment donné, la courbe contrainte-déformation s’écarte de la relation linéaire et la loi ne s’applique plus car la déformation augmente plus vite que la contrainte. À partir de ce point de l’essai de traction, une déformation permanente se produit dans l’éprouvette et on dit que le matériau réagit plastiquement à toute nouvelle augmentation de la charge ou de la contrainte. Le matériau ne reviendra pas à son état initial, sans contrainte, lorsque la charge sera supprimée. Dans les matériaux fragiles, peu ou pas de déformation plastique se produit et le matériau se fracture près de la fin de la partie linéaire-élastique de la courbe.
Pour la plupart des matériaux, il y a une transition graduelle du comportement élastique au comportement plastique, et le point exact auquel la déformation plastique commence à se produire est difficile à déterminer. Par conséquent, divers critères pour le début de la déformation sont utilisés en fonction de la sensibilité des mesures de déformation et de l’utilisation prévue des données. (Voir tableau) Pour la plupart des applications de conception technique et de spécifications, la limite d’élasticité est utilisée. La limite d’élasticité est définie comme la contrainte requise pour produire une petite quantité de déformation plastique. La limite d’élasticité décalée est la contrainte correspondant à l’intersection de la courbe contrainte-déformation et d’une ligne parallèle à la partie élastique de la courbe décalée d’une déformation spécifiée (aux États-Unis, le décalage est généralement de 0,2% pour les métaux et de 2% pour les plastiques).
En Grande-Bretagne, la limite d’élasticité est souvent appelée la contrainte d’épreuve. La valeur du décalage est soit de 0,1%, soit de 0,5%
Pour déterminer la limite d’élasticité en utilisant ce décalage, on trouve le point sur l’axe des déformations (axe x) de 0,002, puis on trace une ligne parallèle à la ligne contrainte-déformation. Cette ligne coupera la ligne contrainte-déformation légèrement après qu’elle ait commencé à s’incurver, et cette intersection est définie comme la limite d’élasticité avec un décalage de 0,2 %. Une bonne façon de considérer la limite d’élasticité avec un décalage de 0,2 % est qu’après qu’un spécimen ait été chargé jusqu’à sa limite d’élasticité avec un décalage de 0,2 % puis déchargé, il sera 0,2 % plus long qu’avant l’essai. Même si la limite d’élasticité est censée représenter le point exact auquel le matériau se déforme de façon permanente, un allongement de 0,2 % est considéré comme une quantité tolérable de sacrifice pour la facilité qu’il crée dans la définition de la limite d’élasticité.
Certains matériaux tels que la fonte grise ou le cuivre mou ne présentent essentiellement aucun comportement linéaire-élastique. Pour ces matériaux, la pratique habituelle est de définir la limite d’élasticité comme la contrainte requise pour produire une certaine quantité totale de déformation.
- La véritable limite élastique est une valeur très faible et est liée au mouvement de quelques centaines de dislocations. Des micro mesures de déformation sont nécessaires pour détecter une déformation de l’ordre de 2 x 10 -6 in/in.
- La limite proportionnelle est la contrainte la plus élevée à laquelle la contrainte est directement proportionnelle à la déformation. Elle est obtenue en observant l’écart par rapport à la partie rectiligne de la courbe contrainte-déformation.
- La limite élastique est la plus grande contrainte que le matériau peut supporter sans qu’aucune déformation permanente mesurable ne subsiste lors du relâchement complet de la charge. Elle est déterminée à l’aide d’une procédure d’essai incrémentielle fastidieuse de chargement-déchargement. Avec la sensibilité des mesures de déformation généralement employées dans les études d’ingénierie (10 -4in/in), la limite élastique est supérieure à la limite proportionnelle. Avec une sensibilité croissante des mesures de déformation, la valeur de la limite élastique diminue jusqu’à ce qu’elle finisse par être égale à la véritable limite élastique déterminée à partir des mesures de microdéformation.
- La limite d’élasticité est la contrainte nécessaire pour produire une petite quantité spécifiée de déformation plastique. La limite d’élasticité obtenue par une méthode de décalage est couramment utilisée à des fins d’ingénierie car elle évite les difficultés pratiques de la mesure de la limite élastique ou de la limite proportionnelle.
Résistance à la traction ultime
La résistance à la traction ultime (RTA) ou, plus simplement, la résistance à la traction, est le niveau de contrainte technique maximal atteint dans un essai de traction. La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter des forces extérieures sans se rompre. Dans les matériaux fragiles, l’UTS se situe à l’extrémité de la partie linéaire-élastique de la courbe contrainte-déformation ou près de la limite élastique. Dans les matériaux ductiles, l’UTS sera bien en dehors de la partie élastique dans la partie plastique de la courbe contrainte-déformation.
Sur la courbe contrainte-déformation ci-dessus, l’UTS est le point le plus élevé où la ligne est momentanément plate. Comme l’UTS est basée sur la contrainte technique, elle n’est souvent pas la même que la résistance à la rupture. Dans les matériaux ductiles, l’écrouissage se produit et la contrainte continue d’augmenter jusqu’à la rupture, mais la courbe de contrainte-déformation technique peut montrer une baisse du niveau de contrainte avant la rupture. Ceci est dû au fait que la contrainte technique est basée sur la surface de la section transversale d’origine et ne tient pas compte du rétrécissement qui se produit fréquemment dans l’éprouvette. L’UTS peut ne pas être complètement représentatif du plus haut niveau de contrainte qu’un matériau peut supporter, mais cette valeur n’est de toute façon pas utilisée dans la conception des composants. Pour les métaux ductiles, la pratique de conception actuelle consiste à utiliser la limite d’élasticité pour le dimensionnement des composants statiques. Cependant, étant donné que l’UTS est facile à déterminer et assez reproductible, elle est utile pour spécifier un matériau et pour le contrôle de la qualité. D’autre part, pour les matériaux fragiles, la conception d’un composant peut être basée sur la résistance à la traction du matériau.
Mesures de la ductilité (allongement et réduction de surface)
La ductilité d’un matériau est une mesure de la mesure dans laquelle un matériau se déforme avant la rupture. La quantité de ductilité est un facteur important lorsqu’on envisage des opérations de formage telles que le laminage et l’extrusion. Elle fournit également une indication de la visibilité des dommages causés par une surcharge sur un composant avant que celui-ci ne se fracture. La ductilité est également utilisée une mesure de contrôle de qualité pour évaluer le niveau d’impuretés et le traitement approprié d’un matériau.
Les mesures conventionnelles de la ductilité sont la déformation technique à la rupture (généralement appelée allongement ) et la réduction de la surface à la rupture. Ces deux propriétés sont obtenues en réajustant l’éprouvette après la rupture et en mesurant le changement de longueur et de section transversale. L’allongement est la variation de la longueur axiale divisée par la longueur initiale de l’éprouvette ou d’une partie de l’éprouvette. Il est exprimé en pourcentage. Comme une fraction appréciable de la déformation plastique est concentrée dans la région du col de l’éprouvette de traction, la valeur de l’allongement dépend de la longueur de la jauge sur laquelle la mesure est effectuée. Plus la longueur de la jauge est petite, plus la grande déformation localisée dans la région du col sera prise en compte dans le calcul. Par conséquent, lors de la déclaration des valeurs d’allongement , la longueur de jauge doit être indiquée.
Une façon d’éviter la complication due au rétrécissement est de baser la mesure de l’allongement sur la déformation uniforme jusqu’au point où le rétrécissement commence. Cela fonctionne bien parfois, mais certaines courbes de contrainte-déformation d’ingénierie sont souvent assez plates au voisinage de la charge maximale et il est difficile d’établir précisément la déformation au moment où le rétrécissement commence à se produire.
La réduction de surface est le changement de la surface de section transversale divisée par la surface de section transversale d’origine. Ce changement est mesuré dans la région rétrécie de l’éprouvette. Comme l’allongement, elle est généralement exprimée en pourcentage.
Comme discuté précédemment, la tension n’est qu’une des façons dont un matériau peut être chargé. D’autres façons de charger un matériau comprennent la compression, la flexion, le cisaillement et la torsion, et il existe un certain nombre d’essais standard qui ont été établis pour caractériser la façon dont un matériau se comporte dans ces autres conditions de chargement. Une introduction très sommaire à certaines de ces autres propriétés des matériaux sera fournie à la page suivante.