Comprendre la fragilité :définition, causes, exemples et matériaux courants

La fragilité est une propriété matérielle qui décrit sa tendance à se fracturer avec peu ou pas de déformation plastique lorsqu'une contrainte lui est appliquée. Un comportement fragile se produit lorsque les atomes d'un matériau ne peuvent pas glisser les uns sur les autres tout en conservant l'intégrité globale de la structure du réseau atomique. Les fissures dans les matériaux fragiles se forment et se propagent rapidement soit à travers les grains, soit le long des joints de grains lorsqu'ils sont soumis à des contraintes suffisamment élevées. Ce processus est généralement rapide.
Quiconque a déjà fait tomber et cassé une assiette ou la pointe d’un crayon connaît les matériaux fragiles. Des exemples de matériaux fragiles comprennent le verre, la céramique, le graphite et les alliages à faible ductilité, tels que les aciers à haute teneur en carbone et la fonte.
Cet article passera en revue le concept de fragilité, expliquera ses causes et décrira des exemples de matériaux fragiles.

Qu'est-ce que la fragilité ?

La fragilité est la tendance d’un matériau à se briser, se fissurer ou se casser facilement. La fragilité peut survenir dans les métaux, la céramique, les plastiques, le verre et les matériaux composites.

Qu'est-ce que la fragilité en science des matériaux ?

En science des matériaux, la fragilité est la propriété qui caractérise la tendance d’un matériau à se briser avec une déformation plastique minimale. Les matériaux fragiles ont une faible capacité à absorber l'énergie avant de se fracturer.

Qu'est-ce que la fragilité en chimie ?

En chimie, la fragilité fait référence à l’incapacité d’un matériau à se déformer en raison de sa microstructure atomique. Certaines microstructures dans lesquelles les atomes possèdent de nombreux systèmes de glissement et ont plus de possibilités de se disloquer rendent les matériaux moins cassants. D'autres, comme ceux où les atomes ont peu de systèmes de glissement, rendent les matériaux plus cassants.

Qu'est-ce qu'un exemple de fragilité ?

La fragilité peut être une propriété innée ou induite par des facteurs externes. Les matériaux intrinsèquement fragiles comprennent le verre, les briques, les coquilles d’œufs, le graphite et les métaux alcalins comme le magnésium. Les matériaux qui ne sont pas intrinsèquement fragiles mais qui le deviennent en raison de certains facteurs, tels que les températures de fonctionnement froides, la corrosion intergranulaire et la fragilisation par l'hydrogène, comprennent les aciers à faible et haute teneur en carbone et le titane.

Quand la fragilité du matériau apparaît-elle ?

La fragilité est une propriété physique intense d’un matériau, ce qui signifie qu’elle n’est pas affectée par la taille ou l’étendue du matériau. Alors que certains matériaux, comme la plupart des céramiques et des verres, sont intrinsèquement fragiles en raison de leur structure atomique et du manque de systèmes de glissement disponibles, certains matériaux normalement ductiles peuvent devenir cassants à mesure que les températures diminuent.

Normalement, les matériaux ductiles peuvent également être fragilisés par l’hydrogène ou la corrosion le long des joints de grains. La fragilisation par l’hydrogène se produit via une variété de mécanismes complexes qui ne sont pas encore complètement compris. La caractéristique commune est que les atomes d’hydrogène (et non les molécules de gaz H2) se diffusent dans le métal et font des ravages. Les effets néfastes peuvent être causés par la formation d'espèces gazeuses qui augmentent la pression interne, la formation de composés fragiles à l'état solide ou par l'augmentation de la vitesse de déplacement des dislocations, ce qui augmente la vitesse de propagation des fissures dans le métal.

La corrosion intergranulaire se produit lorsqu'un métal est attaqué préférentiellement par un agent corrosif au niveau de ce qui peut être des points faibles de sa surface :les limites entre grains. La corrosion intergranulaire entraîne généralement le dépôt de produits de corrosion fragiles entre les grains, remplaçant le métal normalement ductile et offrant un chemin de fracture facile à travers le matériau fragile indésirable.

Quelles sont les causes de la fragilité ?

Les causes de fragilité ne sont pas les mêmes pour tous les matériaux. La liste ci-dessous décrit plus en détail certaines des causes courantes :

1. Les matériaux amorphes (comme le verre) n'ont pas de structures atomiques organisées. Il n’existe pas de moyen facile pour les atomes de se croiser. Les dislocations, qui sont des défauts au niveau atomique dans les cristaux, sont bloquées, rendant les matériaux amorphes cassants.
2. De fortes liaisons ioniques entre les atomes chargés résistent au glissement et rendent le matériau fragile. C'est souvent le cas des matériaux céramiques.
3. Les basses températures peuvent réduire l'énergie thermique des atomes présents dans un matériau et les rendre plus résistants au glissement et à la dislocation.
4. Les matériaux comportant moins de systèmes de glissement, ou présentant des possibilités de dislocation des atomes, sont plus fragiles que les matériaux comportant davantage de systèmes de glissement.
5. Les impuretés, ou atomes étrangers, présents dans un matériau peuvent le rendre fragile. C'est le cas de la fragilisation par l'hydrogène et de certains alliages comme la fonte.

Quels sont les différents matériaux fragiles ?

Quelques exemples de matériaux fragiles sont décrits ci-dessous :

1. Verre

Le verre est l’un des matériaux fragiles les plus connus. Il est fragile en raison de sa structure amorphe. L’agencement du verre au niveau atomique n’a pas la structure organisée des matériaux cristallins. Sans plans atomiques organisés qui peuvent glisser les uns contre les autres, la tension qui tend à séparer les atomes les uns des autres ne peut pas être soulagée. Il finira par dépasser la force des liaisons interatomiques, entraînant la formation de fissures qui se propageront rapidement à travers le matériau, provoquant sa rupture soudaine.

2. Céramique

Le terme céramique s'applique à un large éventail de matériaux tels que le ciment, l'émail, la brique, la porcelaine et la poterie. Pour les céramiques cristallisées, les structures atomiques sont principalement composées de fortes liaisons ioniques entre atomes chargés. Ces liaisons ioniques forment des cristaux qui rendent plus difficile le glissement des plans atomiques les uns contre les autres. Par conséquent, il est difficile pour les atomes de se disloquer, ce qui rend le matériau fragile.

3. Graphite

Le graphite est une forme cristalline de carbone molle et cassante avec une structure cristalline hexagonale compacte (HCP). La fragilité peut être attribuée à la structure cristalline d’un matériau particulier et au nombre de systèmes de glissement dont dispose la structure. Les matériaux dont les structures cristallines comportent moins de systèmes de glissement sont plus fragiles car leurs atomes sont plus résistants à la dislocation. Les structures HCP en graphite ont trois systèmes de glissement, tandis que les systèmes cubiques à faces centrées (FCC) dans un autre allotrope de carbone, le diamant, ont 12 systèmes de glissement. De plus, le graphite a de fortes liaisons covalentes entre les atomes d’un même plan, mais de faibles liaisons entre les plans. Ceci et sa structure HCP contribuent à la fragilité du graphite.

4. Alliages à faible plasticité

Les alliages à faible plasticité, comme la fonte et le titane, sont également des exemples de matériaux fragiles. La structure cristalline a un impact important sur la fragilité d’un alliage. Par exemple, les matériaux ayant une structure FCC comme le cuivre sont plus ductiles que les matériaux ayant une structure HCP comme le titane ou le magnésium. Les structures FCC disposent de 12 systèmes de slip alors que les structures HCP ne disposent que de 3 systèmes de slip. Avoir 3 systèmes de glissement rend les structures HCP plus fragiles car les atomes à l'intérieur de sa structure sont plus résistants à la dislocation.

Quelle est l'importance d'identifier la fragilité ?

Il est important d’identifier les matériaux fragiles en raison des implications que ces matériaux peuvent avoir sur la réussite de la mise en œuvre et la durabilité d’une conception. Les matériaux fragiles sont souvent sélectionnés pour la conception en raison de leur haute résistance. Cependant, comme les matériaux fragiles peuvent se briser avec peu ou pas d’avertissement, une rupture fragile peut être catastrophique. Il est recommandé de sélectionner des matériaux plus ductiles capables de supporter les charges requises par le matériau fragile dans les conceptions.

Comment la fragilité est-elle déterminée ?

La fragilité est déterminée en effectuant un essai de traction et en calculant la ductilité d'un matériau. Un matériau est considéré comme fragile s’il présente une faible ductilité lors d’un essai de traction. La méthode d'essai standard pour effectuer des essais de traction sur des matériaux métalliques est ASTM E8. La procédure correspondante pour les plastiques se trouve dans la norme ASTM D638. Un essai de traction consiste à préparer une éprouvette aux dimensions standardisées puis à appliquer une charge de traction constamment croissante jusqu'à la rupture de l'éprouvette. Les valeurs de contrainte et de déformation subies par l'éprouvette sont enregistrées et utilisées pour déterminer la ductilité et, indirectement, sa fragilité.

Quelle est la formule de la fragilité ?

Il n’existe pas de formule spécifique pour la fragilité. Cependant, la fragilité d'un matériau peut être déduite de l'une des deux formules de ductilité présentées ci-dessous :

La ductilité est définie comme le pourcentage d'allongement total subi par le matériau depuis le début de l'essai jusqu'à la rupture, ou le pourcentage correspondant de réduction de la surface transversale subie par un matériau à la rupture.

Plus la ductilité mesurée est faible, plus un matériau est considéré comme fragile. La formule du pourcentage d’allongement est la même que la formule de déformation technique.
Consultez notre article « Comment calculer la ductilité ? » pour un aperçu plus détaillé du sujet de la ductilité. 

Quels sont les types de fragilité ?

Les deux types de fractures fragiles sont transgranulaires et intergranulaires. Ils sont décrits plus en détail ci-dessous :

1. Transgranulaire :les fissures se propagent à travers les grains du matériau. Les fissures suivent le chemin de moindre résistance et changeront de direction pour suivre les plans de clivage les plus faibles. Les grandes tailles de grains (moins de joints de grains) permettent aux fissures de se propager plus rapidement car les joints de grains empêchent l'extension des fissures. Par conséquent, les grosses tailles de grains contribuent à des niveaux plus élevés de fragilité.
2. Intergranulaire :les fissures se propagent le long des joints de grains du matériau. Ceci est courant lorsque les joints de grains sont fragiles, ce qui est dû à la fragilisation par l'hydrogène et à la corrosion intergranulaire.

Quel est le contraire de la fragilité ?

La ductilité est considérée comme l’opposé de la fragilité. La ductilité est la propriété matérielle qui décrit la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement. Comprendre le rôle de la mécanique de la rupture et des matériaux ductiles ou fragiles est essentiel pour concevoir des pièces et des structures sûres, efficaces et durables.

La fragilité est-elle une propriété physique ?

Oui, la fragilité est une propriété physique. Il caractérise la façon dont les atomes de la structure physique du matériau interagissent les uns avec les autres lorsqu'une contrainte est appliquée.

Quelle est la différence entre « Fragile » et « Casant ? »

« Fragile » et « cassant » sont souvent utilisés de manière synonyme. Il existe cependant des différences entre leurs définitions. « Fragile » décrit simplement un matériau qui se brise facilement. Bien que « fragile » désigne également des matériaux qui se brisent facilement, il fait plus spécifiquement référence à des matériaux durs, rigides et dépourvus de déformation plastique significative avant rupture. En science des matériaux, le terme « fragile » est plus spécifique dans sa définition, car il indique un manque de ductilité, c'est-à-dire un matériau se fracturant avec une déformation minimale. « Fragile » est un terme plus large et peut décrire des matériaux qui ne sont peut-être pas techniquement fragiles, mais qui sont néanmoins facilement endommagés.

Résumé

Cet article présente la fragilité, explique de quoi il s'agit et discute des différents types de matériaux fragiles. Pour en savoir plus sur la fragilité, contactez un représentant Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements est titulaire d'un baccalauréat spécialisé en génie mécanique et possède plus de deux décennies d'expérience dans l'industrie manufacturière. Son parcours professionnel comprend des rôles importants dans des entreprises de premier plan telles que Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace et Hyster-Yale, où il a développé une compréhension approfondie des processus d'ingénierie et des innovations.

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