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Différents types de propriétés mécaniques des matériaux

Les propriétés mécaniques des matériaux sont un attribut intensif de certains matériaux, ce qui signifie qu'il s'agit d'une caractéristique physique indépendante de la quantité de matériau. Ces caractéristiques quantitatives peuvent être utilisées comme mesure pour comparer les avantages de divers matériaux, aidant au choix des matériaux.

Une caractéristique, comme la température, peut être une fonction d'une ou plusieurs variables indépendantes ou elle peut être une constante. L'anisotropie est le terme désignant la tendance des qualités d'un matériau à fluctuer dans une certaine mesure en fonction de la direction du matériau dans lequel elles sont mesurées. Lorsqu'elles sont utilisées dans une certaine plage de fonctionnement, les qualités des matériaux qui se rapportent à divers processus physiques se comportent souvent de manière linéaire (ou à peu près). Les équations constitutives différentielles utilisées pour décrire la propriété peuvent être grandement rationalisées en les modélisant sous forme de fonctions linéaires.

La prévision des qualités d'un système utilise fréquemment des équations définissant les propriétés importantes des matériaux. À l'aide de procédures de test établies, les attributs sont mesurés. Beaucoup de ces techniques ont été rédigées et publiées en ligne par leurs communautés d'utilisateurs respectives; voir ASTM International.

Dans cet article, nous allons voir les différents types de propriétés mécaniques des matériaux

Quelles sont les propriétés mécaniques des matériaux les plus courantes ?

Les concepteurs de produits peuvent utiliser les informations d'une description de certaines qualités mécaniques et physiques typiques pour les aider à choisir les bons matériaux pour une application particulière. Voici les types de propriétés mécaniques des matériaux :

Conductivité

La quantité de chaleur qui traverse un matériau peut être déterminée par sa conductivité thermique. Elle est exprimée en un degré par unité de longueur, de section transversale et de temps. Les matériaux à haute conductivité thermique peuvent être utilisés comme dissipateurs thermiques, tandis que les matériaux à faible conductivité thermique peuvent être utilisés comme isolants.

Les métaux à conductivité thermique élevée conviendraient à une utilisation dans des systèmes tels que les échangeurs de chaleur ou la réfrigération. Bien que des matériaux à faible conductivité thermique puissent être utilisés dans des applications à haute température, les composants à haute température nécessitent souvent des matériaux à haute conductivité thermique, il est donc essentiel de comprendre l'environnement.

Semblable à la conductivité thermique, la conductivité électrique mesure la quantité d'électricité qui traverse un matériau avec une section et une longueur connues.

Résistance à la corrosion

La capacité d'un matériau à résister à une attaque chimique ou électrochimique naturelle par l'air, l'humidité ou d'autres éléments est appelée résistance à la corrosion. Il existe de nombreux types de corrosion, y compris intergranulaire, de séparation, de réponse galvanique et de piqûres (dont beaucoup seront abordés dans d'autres éditions de la newsletter).

Sur la base d'une extrapolation linéaire de la pénétration se produisant au cours d'un test ou d'un service donné, la résistance à la corrosion peut être définie comme la plus grande profondeur en mils à laquelle la corrosion pourrait pénétrer en un an. Alors que certains matériaux bénéficient de l'ajout de placage ou de revêtements, d'autres sont naturellement résistants à la corrosion. De nombreux métaux appartenant à des familles résistantes à la corrosion sont encore vulnérables aux facteurs environnementaux particuliers présents dans les environnements dans lesquels ils fonctionnent.

Densité

La masse de l'alliage par unité de volume est appelée densité, qui est souvent exprimée en livres par pouce cube, grammes par centimètre cube, etc. Le poids d'un composant d'une taille spécifique dépend de la densité de l'alliage.

Dans les industries où le poids compte, comme l'aérospatiale ou l'industrie automobile, ce composant est crucial. Des alliages moins denses peuvent être recherchés par les ingénieurs qui veulent des composants plus légers, mais ils doivent également tenir compte du rapport résistance/poids. Si une substance avec une densité plus élevée, telle que l'acier, offre une plus grande résistance qu'une substance avec une densité plus faible, ce matériau peut être choisi. Une portion plus fine pourrait être utilisée pour compenser la densité plus élevée en utilisant moins de matériau.

Ductilité/Malléabilité

La ductilité d'un matériau est sa capacité à s'étirer ou à se plier plastiquement sans se rompre et à conserver la nouvelle forme une fois la charge retirée. Imaginez pouvoir étirer un certain métal en un fil.

Dans un essai de traction, la ductilité est souvent calculée comme un pourcentage d'allongement ou la réduction de la section transversale de l'échantillon avant la rupture. Le module de Young, souvent appelé module d'élasticité, est un rapport contrainte/déformation crucial qui est utilisé dans de nombreux calculs de conception et peut être obtenu par un essai de traction. Les matériaux ductiles conviennent à d'autres processus de travail des métaux, tels que le laminage ou l'étirage, en raison de leur tendance à résister à la fissuration ou à la rupture sous contrainte. Le métal a tendance à devenir moins ductile avec certains traitements supplémentaires, tels que le travail à froid.

La capacité d'un métal à être façonné sans se casser est appelée malléabilité, une qualité physique. Le matériau est roulé ou pressé en feuilles plus minces en utilisant la pression, également connue sous le nom de contrainte de compression. Les matériaux à haute malléabilité peuvent résister à une plus grande pression sans se fissurer.

Élasticité/Ridité

Lorsqu'une force de distorsion est supprimée, la capacité d'un matériau à retrouver sa taille et sa forme antérieures est appelée sa propriété élastique. Les matériaux élastiques retrouvent leur forme d'origine lorsque la contrainte est relâchée, contrairement aux matériaux qui présentent de la plasticité (où le changement de forme est irréversible).

Le module de Young, qui oppose la relation entre la contrainte (la force exercée) et la déformation, est fréquemment utilisé pour évaluer la rigidité d'un métal (la déformation résultante). Plus le module est élevé, plus le matériau est rigide car une contrainte plus élevée entraîne proportionnellement moins de déformation. Le caoutchouc est un matériau qui présente une faible rigidité/faible module, tandis que le verre est un exemple de matériau rigide/haut module. Pour les applications où la rigidité est nécessaire sous charge, il s'agit d'un problème de conception crucial.

Fracture/Ténacité

La capacité d'un matériau à supporter les chocs est déterminée par sa résistance aux chocs. En général, l'effet d'impact d'une collision qui se produit rapidement est supérieur à l'impact d'une force moindre appliquée progressivement.

Par conséquent, lorsque l'application implique un risque élevé d'impact, la résistance aux chocs doit être prise en compte. Alors que certains métaux peuvent fonctionner de manière satisfaisante sous des contraintes statiques, des charges dynamiques ou des collisions provoquent leur défaillance. En laboratoire, le test Charpy, qui consiste à frapper un échantillon avec un pendule lesté de l'autre côté d'une encoche en V usinée, est fréquemment utilisé pour mesurer l'impact.

Dureté

La capacité d'un matériau à résister à l'indentation permanente est appelée sa dureté (c'est-à-dire la déformation plastique). Habituellement, la capacité d'un matériau à résister à l'usure ou à la déformation augmente avec sa dureté. Ainsi, le terme « dureté » peut également faire référence à la rigidité de surface locale d'un matériau ou à sa résistance aux coupures, aux rayures ou à l'abrasion.

Les méthodes de Brinell, Rockwell et Vicker pour mesurer la dureté mesurent la surface et la profondeur de la dépression créée par un matériau plus dur, tel qu'une bille d'acier, un diamant ou un autre pénétrateur.

Plasticité

L'opposé de l'élasticité, la plasticité, fait référence à la propension d'un matériau à conserver sa forme modifiée lorsqu'il est soumis à des forces de formage. C'est la propriété qui permet de manipuler les matériaux dans une nouvelle forme permanente. À la limite d'élasticité, le comportement d'un matériau passe d'élastique à plastique.

Force, Fatigue

Sous des charges répétitives ou fluctuantes (comme le chargement ou le déchargement) avec une valeur maximale inférieure à la résistance à la traction du matériau, la fatigue peut entraîner une rupture. Il existe une corrélation entre les contraintes et les cycles jusqu'à la défaillance, des contraintes plus élevées accélérant le temps jusqu'à la défaillance et vice versa. Par conséquent, le terme "limite de fatigue" fait référence à la contrainte maximale que le métal (la variable) peut supporter pendant un nombre de cycles spécifié.

La mesure de la résistance à la fatigue, quant à elle, fixe la charge et compte le nombre de cycles de charge qu'un matériau peut supporter avant de tomber en panne. Lors de la conception de composants qui seront soumis à des conditions de charge récurrentes, la résistance à la fatigue est un facteur crucial à prendre en compte.

Résistance – Cisaillement

Dans des applications comme les boulons ou les poutres, où la direction et l'amplitude de la contrainte sont cruciales, la résistance au cisaillement est un facteur. Lorsque des forces directionnelles font glisser le niveau granulaire de la structure interne du métal contre lui-même, un cisaillement se produit.

Résistance à la traction

La résistance à la traction, ou ultime, est l'une des mesures les plus populaires pour les propriétés du métal. La quantité de charge qu'un segment métallique peut supporter avant de se rompre est appelée résistance à la traction. À travers la région de déformation élastique, le métal s'allongera lors des tests en laboratoire avant de reprendre sa forme d'origine.

Il reste la forme étirée même après que la charge a été retirée lorsqu'il atteint le point de déformation permanente ou plastique (mesuré en rendement). La charge provoque finalement la fracture du métal au point de traction. Cette mesure aide à différencier les matériaux fragiles des matériaux plus ductiles. Les méga pascals (MPa) ou livres par pouce carré sont des unités utilisées pour exprimer la résistance à la traction ou la résistance à la traction ultime.

Force, Rendement

La limite d'élasticité décrit le point auquel le matériau sous charge ne reviendra plus à sa position ou à sa forme d'origine. Son concept et ses mesures sont similaires à la résistance à la traction. La déformation plastique suit la déformation élastique.

Pour comprendre les limites de l'intégrité dimensionnelle sous contrainte, les calculs de conception incluent le point d'élasticité. Semblable à la résistance à la traction, la limite d'élasticité est exprimée en livres par pouce carré ou en newtons par millimètre carré (MPa).

Résistance

La ténacité, déterminée par le test d'impact Charpy et comparable à la résistance aux chocs, mesure la capacité d'un matériau à résister aux chocs sans se rompre à une température spécifique. Les matériaux peuvent devenir plus fragiles à basse température car la résistance aux chocs est souvent plus faible pendant cette période.

Lorsque la possibilité de basses températures existe dans l'application (comme les plates-formes pétrolières offshore, les oléoducs, etc.), ou lorsque le chargement instantané est un facteur, les valeurs Charpy sont fréquemment imposées dans les alliages ferreux (par exemple, le confinement balistique dans les applications militaires ou aéronautiques) .

Résistance à l'usure

La capacité d'un matériau à supporter l'impact de deux matériaux frottant l'un contre l'autre est appelée résistance à l'usure. Ceux-ci incluent l'adhérence, l'abrasion, les rayures, le gougeage, le grippage et d'autres formes de déchirure.

Lorsque les matériaux ont des duretés variables, le métal le plus tendre peut présenter les conséquences en premier, et des décisions de conception peuvent être prises pour y remédier. En raison de la présence de matériaux étrangers, même le roulement peut entraîner une abrasion. La quantité de masse perdue pour un nombre spécifique de cycles d'abrasion à une charge spécifique peut être utilisée pour quantifier la résistance à l'usure.

Autres propriétés mécaniques des matériaux

Voici quelques autres propriétés mécaniques des matériaux :

Propriétés électriques

Propriétés magnétiques

Propriétés acoustiques

Propriétés thermiques

Propriétés chimiques

Propriétés atomiques

Propriétés optiques

Propriétés de fabrication

Propriétés radiologiques

En résumé

Dans toute conception de production, il est essentiel de tenir compte des propriétés mécaniques du matériau. Comme vous pouvez le voir ci-dessus, de nombreuses propriétés peuvent être obtenues à partir de matériaux. Cependant, les propriétés les plus courantes sont classées en propriétés physiques, chimiques et mécaniques.

C'est tout pour cet article, où les types courants de propriétés mécaniques des matériaux sont discutés. J'espère que vous tirerez beaucoup de la lecture, si c'est le cas, merci de partager avec les autres. Merci d'avoir lu, à bientôt !


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