Choisir un matériau n’est pas une chose facile. Avoir quelques connaissances sur la résistance des matériaux peut aider : comment est-ce que la matière utilisée va réagir aux contraintes d’utilisation ? À quel moment ça casse ? Dans quelle mesure le matériau peut-il se déformer ? Autant de questions auxquelles on peut répondre en mesurant les caractéristiques lors d’essais de traction, de compression ou de résistance aux chocs.
Essais de traction
Le premier paramètre étudié est la résistance des matériaux à la traction. Lorsqu’on tire sur un matériau, il peut se déformer (s’étirer). La déformation peut être élastique, c’est-à-dire que le matériau reprend sa taille et sa forme initiale lorsque la contrainte de traction s’arrête. Par contre, si le matériau reste déformé, on parle de déformation plastique.
Pour tester les propriétés élastiques des matériaux, on réalise des essais de traction : on étire un échantillon (appelé éprouvette) et l’on mesure la pression (force par unité de surface) qu’il faut exercer pour provoquer un certain allongement. On obtient la courbe ci-dessous :
On appelle élasticité la capacité d’un matériau à se déformer de manière réversible lorsqu’on l’étire. L’inverse se nomme la rigidité. Un matériau élastique est capable de s’étirer puis de reprendre sa forme initiale. Un matériau rigide a du mal à s’étirer. Plus un matériau est rigide, moins il est élastique.
La ductilité est la capacité à s’étirer de manière permanente sans rompre. Un matériau ductile peut subir une déformation plastique sans casser.
Exemples de résultats :
Les mesures :
Le module de Young :
L’élasticité/rigidité est mesurée par le module de Young, noté E, qui s’exprime en Pascal, car c’est une force par unité de surface (c’est-à-dire une pression).
E mesure la capacité à se déformer lors de l’étirement : E correspond à la pression à laquelle il faut étirer un matériau pour qu’il s’allonge de 1 %.
Plus E est grand, plus il faut de la force pour l’étirer donc plus le matériau est rigide. À l’inverse, plus E est petit, plus le matériau est élastique, on n’a pas besoin d’une forte pression pour l’étirer.
Exemples :
0,001 GPa pour le caoutchouc : une faible pression suffit pour étirer le matériau : matériau élastique et donc très peu rigide.
290 GPa pour du Chrome : Il faut une forte pression pour le déformer : très rigide et donc peu élastique.
Tableau de valeur de quelques modules de Youg (en GPa)
Diamant 1000 Verre 70
Carbure de silicium 450 Béton 50
Tungstène 400 Bois aggloméré 7
Fibre de carbone 300 Polyamide 2
Acier 210 Polyéthylène 0,7
Cuivre 125 Caoutcoucs 0,0001
La résistance
Un matériau qui casse facilement est dit fragile. À l’inverse, un matériau qui ne casse pas est résistant. Cette résistance et de deux types : La résistance élastique et la résistance plastique.
La résistance élastique est mesurée par la limite élastique (Re) alors que la résistance plastique est mesurée par la limite de rupture (Rm).
Limite élastique Re : Il s’agit de la pression qu’il faut exercer en traction sur un matériau pour dépasser le seuil de déformation élastique. Re s’exprime en Pascal, comme le module de Young.
La limite de rupture : Il s’agit de la pression qu’il faut exercer en traction sur un matériau pour qu’il casse. (En Pascal)
Si l’élongation plastique est importante, on dira que le matériau est ductile.
Autres caractéristiques importantes en résistance des matériaux :
Résistance des matériaux à l’enfoncement : la dureté
La dureté fait l’objet d’un article complet que vous trouverez en cliquant ici.
Résistance des matériaux à la fissuration : la ténacité et la résilience :
On parle parfois de la ténacité d’un matériau. C’est la résistance des matériaux face à la propagation brutale des fissures.
Un matériau est tenace si une fissure a du mal à se propager.
La ténacité est souvent mesurée par la résilience qui correspond à l’aptitude d’un matériau à résister à la propagation d’une fissure sous l’effet d’un choc.
ATTENTION : On dit souvent que la résilience est l’aptitude à résister aux chocs, c’est un abus de langage. Lors d’un test de résilience, le matériau testé est déjà fissuré et l’on mesure l’énergie nécessaire pour le casser. La résilience est l’énergie qu’il faut pour casser un matériau sachant qu’il était déjà fissuré. Il s’agit donc d’une mesure de ténacité. La dureté permet également de mesure l’aptitude à résister aux chocs.
Test de résilience : Une pièce test (appelée éprouvette), dans laquelle on fait une entaille, est frappée par une masse au bout d’un pendule. On mesure l’énergie nécessaire pour rompre l’éprouvette par la différence des positions de départ et d’arrivée du pendule.
Elle s’exprime habituellement en Joules/cm²
Le fluage :
Un effort faible ne provoque pas d’élongation, mais si cet effort dure dans le temps, le matériau « fatigue » et se déforme progressivement. On appelle cela le fluage.
Résistance des matériaux à la compression
Le module de compression, noté K, mesure la capacité à se déformer lors de la compression ; K (en Pascal) correspond à la pression à laquelle il faut comprimer un matériau pour que son volume diminue de 1 %. Plus K est grand et plus le matériau est rigide, il a du mal à se comprimer. Le module de compression est à la compression ce que le module Young est à la traction et, tout comme le module de Young, il s’exprime en Pascal (unité de pression).
Conclusion
Toutes ces caractéristiques des matériaux traduisent des propriétés mécaniques. Elles sont utiles lorsqu’on est amené à choisir un matériau pour la fabrication d’un objet.
D’autres caractéristiques sont également nécessaires : la dureté a déjà fait l’objet d’un article séparé (ici) mais il est également important de savoir comment le matériau réagit à son environnement : corrosion, réaction aux ultra-violets…
Connaître les caractéristiques de la résistance des matériaux aux efforts mécaniques est important, cependant, dans le choix d’un matériau, l’aspect économique joue aussi un rôle important. Le prix des matériaux bien sûr, mais, également la disponibilité de la ressource et le transport.
Par ailleurs, il est impossible aujourd’hui de choisir un matériau sans tenir compte de son impact sur la planète et sur la société. Utiliser des matières premières peu chers au prix d’une grande souffrance pour certaines populations ou d’une détérioration importante de notre environnement est devenu inacceptable : travail des enfants, esclavage, pollution, réchauffement climatique, appauvrissement des producteurs au bénéfice des investisseurs ou maladies professionnelles sont autant de situations qui doivent être prises en compte si l’on souhaite développer une société plus responsable et équitable.