Résistance à la traction expliquée : Définitions clés, importance, types et exemples réels

Pour les fabricants, la résistance à la traction est l'une des premières choses nécessaires lorsqu'il s'agit de choisir un matériau approprié pour leurs produits. Dans cet article, nous couvrirons exactement ce que c'est, comment elle diffère d'autres spécifications similaires, et comment la calculer.

Qu'est-ce que la résistance à la traction ?

La résistance à la traction d'un matériau est la charge ou la force de traction qu'il peut supporter sur une zone spécifique avant de s'étirer de façon permanente ou de se rompre. Alors que sa limite d'élasticité (yield strength) est le point juste avant que le matériau ne commence à s'étirer d'une manière dont il ne peut pas revenir à sa forme originale, la résistance à la traction est le point où il se rompt. Un matériau comme l'acier a une haute résistance à la traction, mais un élastique sera tout en bas de l'échelle.

Pour les matériaux qui s'étirent de manière prévisible — comme un ressort, par exemple — la réponse à la force appliquée, son « élasticité », dépendra de sa « zone élastique linéaire ». Si la force est dans cette zone, le ressort reviendra à sa forme originale une fois la force partie. Sinon, le matériau se rompra ou sera endommagé au-delà de toute réparation. Vous pouvez voir comment la force de traction diffère des autres types en termes de direction dans le diagramme ci-dessous.

Quelle est l'importance d'effectuer un test de résistance à la traction ?

Les tests de traction sont utilisés pour apprendre les propriétés de résistance des nouvelles formulations de matériaux. Ils sont utilisés pour vérifier les résultats des traitements thermiques ou d'autres procédés, ou pour vérifier qu'un lot de matériau répond à ses spécifications d'origine. La validation des propriétés des matières premières entrantes est une partie critique du contrôle de processus et de la prévention des défaillances. Cela que le fournisseur fasse les tests et que le client les accepte, ou que le client choisisse de vérifier les affirmations du fournisseur sur un lot de matériau.

À l'usine du fabricant de pièces, tester la résistance à la traction des matériaux peut être une étape de contrôle de processus. Cela aide à garantir que les matériaux sont dans la bonne condition en ce qui concerne le traitement thermique, la cémentation, le durcissement, ou toute autre étape de fabrication qui change la résistance et la ductilité du matériau. Dans un cadre de recherche et développement, les tests de traction sont un moyen facile de vérifier si une formulation proposée a les caractéristiques recherchées pour une nouvelle application, ou pour l'amélioration d'une existante.

Les tests de traction peuvent être effectués sur des barres d'essai coulées en forme ou usinées à partir de matière première. Elles peuvent également être usinées à partir d'une pièce réellement coulée ou usinée s'il y a un besoin critique de vérifier les propriétés dans une section d'une grande pièce.

Quelle est l'importance de la résistance à la traction dans les pièces imprimées en 3D ?

La résistance à la traction est un facteur important dans l'impression 3D, spécifiquement en raison du potentiel de propriétés de traction directionnelles. Par exemple, les pièces en plastique imprimées en 3D utilisant la technologie FDM (modélisation par dépôt de filament fondu) auront une résistance à la traction plus faible le long de leur axe Z, où l'axe Z fait référence à la hauteur verticale de la pièce. C'est parce que les couches individuelles ne sont pas complètement fusionnées entre elles et ne sont en contact que sur une petite surface.

De nombreuses fiches techniques de matériaux pour l'impression 3D indiqueront les résistances à la traction dans différentes directions dans le matériau (généralement dans les directions Z et XY). D'autres technologies d'impression 3D, telles que SLM (fusion laser sélective), produiront des pièces avec une structure isotrope, ce qui signifie que leurs propriétés sont égales dans toutes les directions.

Quelle est la résistance à la traction idéale pour les matériaux d'impression 3D ?

La résistance à la traction idéale dépend de l'application de la pièce, du matériau utilisé, et de l'ampleur et de la direction des charges appliquées. Par exemple, si une pièce n'est chargée qu'en compression, alors la résistance à la traction n'a pas d'importance. Ou si la pièce est un boîtier pour l'électronique, alors la résistance à la traction est moins importante que les propriétés anti-statiques et d'absorption d'humidité. Lors de la conception de pièces imprimées en 3D, le matériau est sélectionné en fonction de l'application et non l'inverse.

Est-il important de déterminer la résistance à la traction des matériaux imprimés en 3D ?

Oui, il est important de déterminer la résistance à la traction des matériaux imprimés en 3D. Mais, seulement si la pièce imprimée en 3D sera exposée à un chargement mécanique. Par exemple, si vous concevez une pièce en ABS imprimée en 3D, ce serait une erreur d'utiliser les propriétés normales de l'ABS. Le matériau d'impression 3D peut avoir une résistance à la traction inférieure par rapport à la résistance à la traction théorique du matériau basée sur la technologie d'impression 3D utilisée.

Comment calculer la résistance à la traction d'un matériau ?

Pour mesurer correctement la résistance à la traction, nous divisons la force par unité de surface de la section transversale du matériau au lieu de sa surface totale. Mais vous ne pourrez pas calculer directement la résistance à la traction d'un matériau sans d'abord connaître sa courbe contrainte-déformation.

σ = F/A – eq 1

• σ = contrainte
• F = force
• A = surface

L'unité SI de résistance à la traction est le MPa (N/mm²). Fondamentalement, la résistance équivaut à la contrainte au point de rupture du matériau, et ce point de rupture peut être caractérisé par la force par unité de surface.

Quels sont les différents types de résistance à la traction ?

Il existe quelques types différents de résistance à la traction, mais le terme peut signifier ce qui est le plus utile pour vous. Par exemple, les chiffres calculés sous conditions standard seront les plus utiles aux ingénieurs qui veulent comparer des formulations de matériaux ou des lots, ou ceux qui essaient de déterminer si un matériau sera bon pour une tâche particulière. Les types les plus courants utilisés sont la limite d'élasticité (yield strength), la résistance à la traction ultime (ultimate tensile strength) et la résistance à la rupture (breaking strength), et nous les examinerons plus en détail ci-dessous.

1. Limite d'élasticité (Yield Strength)

Comme mentionné un peu plus tôt, la limite d'élasticité est le point où la déformation permanente (ou plastique) commence dans un matériau. Pour l'acier, c'est une fois qu'il a été déformé au-delà de sa limite proportionnelle, généralement vue comme une ligne droite sur une courbe contrainte-déformation. Pour les matériaux sans point d'élasticité distinct, comme l'aluminium, la limite d'élasticité est rapportée comme la contrainte coïncidant avec 0,2 % de déformation. Dans la plupart des cas, les pièces métalliques sont conçues pour maintenir les contraintes en environnement de service en dessous de la limite d'élasticité. Dans le cas de matériaux très fragiles, comme les céramiques, ceux-ci échoueront à de très petites déformations et n'auront pas de limite d'élasticité. D'autres matériaux, comme les élastomères, peuvent être étirés plusieurs fois leur longueur originale sans se rompre et ne montrent qu'une petite quantité de déformation permanente une fois la charge retirée.

2. Résistance à la rupture (Breaking Strength)

Aussi connue sous le nom de résistance à la fracture, cela fait référence au point où le matériau ne peut plus supporter plus de charge et se rompt. Cela peut être vu comme le point final d'une courbe contrainte-déformation, c'est-à-dire le point « ε » dans le diagramme de limite d'élasticité ci-dessus. Le point de rupture est également le point utilisé pour mesurer l'allongement total.

3. Résistance ultime (Ultimate Strength)

C'est la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter avant de se rompre sous une charge de traction. Certains métaux subiront un écrouissage après avoir dépassé leur limite d'élasticité, et ils continueront à se déformer alors que la contrainte augmente jusqu'à atteindre la résistance à la traction ultime du matériau. Tous les matériaux, par exemple les plastiques, n'auront pas une résistance à la traction ultime bien définie.

Quel matériau a la résistance à la traction la plus élevée ?

Le matériau qui a la résistance à la traction la plus élevée est le graphène. Le graphène a une résistance à la traction ultime d'environ 130 GPa, le rendant plus résistant que les nanotubes de carbone, qui avaient jusqu'à récemment la résistance à la traction la plus élevée. Ces matériaux sont bien plus résistants que le métal élémentaire le plus résistant, le tungstène, qui a une résistance à la traction ultime de 0,98 GPa, ou l'Inconel® légèrement plus résistant après traitement thermique, avec une résistance à la traction ultime de 1,034 GPa. Il faut noter, cependant, que ni le graphène ni les nanotubes de carbone ne peuvent être produits en masse à bas coût.

Quel matériau a la résistance à la traction la plus faible ?

Les plastiques ont tendance à avoir des résistances à la traction très faibles comparées aux métaux et céramiques. Par exemple, le PEBD (polyéthylène basse densité) a une résistance à la traction de 10 MPa. Définir le matériau avec la résistance à la traction la plus faible est difficile, car les matériaux à faible résistance à la traction ont une application pratique limitée, spécifiquement pour les utilisations portantes. La liste des matériaux basée sur la faible résistance à la traction n'est pas une pratique courante.

Quel dispositif est utilisé pour mesurer la résistance à la traction ?

Une machine de traction est utilisée pour mesurer la résistance à la traction d'un échantillon. Cette machine saisit l'éprouvette à chaque extrémité et applique une quantité contrôlée de force de traction, à un taux constant. La machine enregistre automatiquement les données sur la charge appliquée et le déplacement des pinces pour une analyse ultérieure.

Pour en savoir plus, consultez notre article complet sur la Machine d'essai de traction.

Quelles sont les applications de la résistance à la traction ?

La résistance à la traction est une propriété de matériau et n'a pas d'application.

Quels sont les facteurs qui peuvent affecter la résistance à la traction d'un matériau ?

La résistance à la traction peut être affectée par divers facteurs, tels que.

1. Température : La résistance à la traction d'un matériau baisse généralement lorsque sa température augmente. En dessous de la température ambiante, la plupart des matériaux deviennent légèrement plus résistants, mais ils deviennent aussi moins ductiles.
2. Écrouissage (Work hardening) : Le concept entier du processus est de déformer plastiquement un matériau pour le rendre plus dur. En laminant, martelant, pliant ou étirant un métal, sa structure cristalline subit des changements microscopiques qui augmentent la limite d'élasticité et la résistance à la traction ultime, tout en réduisant sa ductilité.
3. Additifs : Le verre ou la fibre de carbone ajoutés à un matériau peuvent augmenter la résistance à la traction des non-métaux, comme le nylon, par exemple.
4. Traitement thermique : Comme l'écrouissage, cela change aussi la microstructure d'un métal et, selon le type de traitement, pourrait résulter en une augmentation OU une diminution de la résistance à la traction.
5. Défauts : Les défauts de surface et internes peuvent réduire la résistance à la traction d'un matériau car ils créent des points faibles où des fissures peuvent commencer.

Quels sont les deux types de défaillance en résistance à la traction ?

Il existe deux principaux types de défaillance en résistance à la traction : fragile et ductile.

1. Défaillance fragile

La défaillance fragile se produit principalement avec des matériaux durs, comme la fonte. Le matériau ne se déforme pas beaucoup avant de faillir soudainement.

Pour en savoir plus, consultez notre article sur la Défaillance fragile

2. Défaillance ductile

La défaillance ductile est le mode principal de défaillance en traction pour de nombreux aciers structurels et matériaux plus tendres, comme l'aluminium, et est graduelle au lieu d'être instantanée. Après que le matériau commence à céder, la déformation plastique continue, puis se localise, produisant un « étranglement » qui sera le site de la séparation finale du matériau.

Pour en savoir plus, consultez notre article sur la Défaillance ductile

Questions fréquemment posées sur la résistance à la traction

Quelle est la différence entre résistance à la traction et contrainte de traction ?

La contrainte de traction d'un matériau est la quantité de force par unité de surface qu'il subit en raison d'une charge de tension, mais la résistance à la traction est soit sa limite d'élasticité, sa résistance ultime, ou sa résistance à la fracture.

Quelle est la différence entre résistance à la traction et limite d'élasticité ?

La résistance à la traction d'un matériau montre à quel point il peut résister aux charges de tension appliquées. Plusieurs métriques de résistance à la traction spécifiquement définies sont précieuses pour les ingénieurs : la limite d'élasticité, la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, et la résistance à la traction ultime, souvent appelée simplement « résistance à la traction » pour faire court, qui est la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter avant que la défaillance ne devienne inévitable.

Quelle est la meilleure résistance à la traction pour l'impression 3D ?

Lors de la conception de pièces imprimées en 3D, le matériau est sélectionné en fonction de l'application et non l'inverse. Cela dépend aussi du type de matériau et de la direction et de l'ampleur des charges. Par exemple, si une pièce n'est chargée qu'en compression ou si ce sera un boîtier pour l'électronique (où les propriétés anti-statiques et d'absorption d'humidité sont plus importantes), alors la résistance à la traction n'a pas beaucoup d'importance. Si la pièce sera exposée à un chargement mécanique, vous aurez définitivement besoin de connaître la résistance à la traction.

Par exemple, si vous concevez une pièce en ABS imprimée en 3D, ce serait une erreur d'utiliser les propriétés normales de l'ABS. Le matériau d'impression 3D peut avoir une résistance à la traction inférieure par rapport à la résistance à la traction théorique du matériau basée sur la technologie d'impression 3D utilisée. De nombreuses fiches techniques de matériaux pour l'impression 3D montreront les résistances à la traction dans différentes directions dans le matériau (généralement dans les directions Z et XY). D'autres technologies d'impression 3D, telles que SLM (fusion laser sélective), produiront des pièces avec une structure isotrope, ce qui signifie que leurs propriétés sont égales dans toutes les directions.

Kat de Naoum

Kat de Naoum est une écrivaine, auteure, éditrice et spécialiste de contenu du Royaume-Uni avec 20+ ans d'expérience en écriture. Kat a de l'expérience dans l'écriture pour une variété d'organisations de fabrication et techniques et aime le monde de l'ingénierie. Parallèlement à l'écriture, Kat a été parajuriste pendant presque 10 ans, dont sept dans la finance navale. Elle a écrit pour de nombreuses publications, imprimées et en ligne. Kat a une licence en littérature anglaise et philosophie, et un master en écriture créative de l'Université Kingston.

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