Guide complet des 14 propriétés mécaniques clés des matériaux avec exemples pratiques

Que sont les propriétés mécaniques des matériaux ?

Les propriétés mécaniques des matériaux définissent le comportement des matériaux sous l'action de forces extérieures, appelées charges. Elles mesurent la résistance et les caractéristiques de durabilité d'un matériau en service et sont cruciales dans la conception d'outils, machines et structures.

Les propriétés mécaniques sont sensibles à la structure car elles dépendent de la structure cristalline, de son processus de liaison, et surtout de la nature et du comportement des imperfections existant dans le cristal lui-même ou aux joints de grains.

Les propriétés mécaniques les plus importantes et utiles sont brièvement expliquées ci-dessous pour permettre au lecteur de choisir rapidement et judicieusement le matériau adapté à un projet donné.

1. Résistance (Strength)

La résistance d'un matériau est sa capacité à supporter la rupture sous l'action de charges extérieures. Plus le matériau est résistant, plus la charge qu'il peut supporter est grande. Elle détermine donc l'aptitude d'un matériau à supporter des contraintes sans rupture. Comme la résistance varie selon le type de sollicitation, on distingue résistance à la traction, compression, cisaillement, torsion.

La contrainte maximale qu'un matériau supporte avant rupture est sa résistance ultime. La tendance d'un matériau est sa résistance ultime en traction.

2. Élasticité (Elasticity)

L'élasticité est la propriété mécanique par laquelle la déformation causée par une charge appliquée disparaît lors du retrait de la charge. En d'autres termes, l'élasticité est la capacité d'un matériau à retrouver sa forme initiale après déformation quand la contrainte ou la charge est supprimée. L'élasticité est une propriété de traction.

• Limite proportionnelle : Contrainte maximale sous laquelle un matériau maintient un rapport parfaitement uniforme entre déformation et contrainte. Difficile à mesurer, utilisée en instrumentation de précision, ressorts, etc.
• Limite élastique : La plupart des matériaux supportent une contrainte légèrement supérieure sans prise de jeu permanente. La plus grande contrainte sans déformation permanente est la limite élastique. Au-delà, le matériau ne reprend pas sa forme initiale.
• Limite d'écoulement (Yield point) : À une certaine contrainte, les matériaux ductiles cessent de résister aux forces de traction, ils s'écoulent et une déformation permanente importante se produit sans augmentation notable de charge. Ce point est la limite d'écoulement. Certains matériaux ont une limite d'écoulement nette ; la contrainte d'écoulement est alors la contrainte à ce point. Exemple : acier doux.
• Contrainte d'épreuve (Proof stress) : La plupart des matériaux ductiles présentent un écoulement progressif ; autre mesure de la contrainte d'écoulement, appelée contrainte d'épreuve. Définie comme la contrainte qu'un matériau supporte sans prendre plus qu'un faible jeu, mesure courante : 0,1 ou 0,2 % de la longueur de jauge initiale.

3. Rigidité (Stiffness)

La résistance d'un matériau à la déformation élastique ou à la flèche est appelée rigidité. Un matériau qui se déforme peu sous charge a une rigidité élevée. Par exemple, des poutres suspendues en acier et aluminium peuvent toutes deux porter la charge requise, mais l'aluminium « fléchira » davantage. La poutre en acier est plus rigide.

Si le matériau suit la loi de Hooke (relation linéaire contrainte-déformation), sa rigidité est mesurée par le module de Young E. Plus la valeur est élevée, plus le matériau est rigide.

En traction/compression : module de rigidité ou « module d'élasticité » ; en cisaillement : module de rigidité en cisaillement, généralement 40 % du module de Young pour matériaux courants ; en distortion volumique : module de compressibilité.

La souplesse est parfois utilisée comme opposé de rigidité, mais concerne plutôt la flexion, pouvant impliquer l'usage de la flexion en domaine plastique.

4. Plasticité (Plasticity)

La plasticité est l'aptitude d'un matériau à subir un degré de déformation permanente sans rupture. La déformation plastique ne se produit qu'après dépassement du domaine élastique.

Importante dans le formage, l'extrusion, le travail à chaud ou à froid. Matériaux comme argile, plomb sont plastiques à température ambiante ; l'acier l'est au rouge vif. En général, la plasticité augmente avec la température.

5. Ductilité (Ductility)

La ductilité est la propriété permettant d'étirer un matériau en fil fin. L'acier doux est ductile. L'allongement en pourcentage et la réduction de section en traction sont des mesures empiriques de la ductilité.

6. Malléabilité (Malleability)

La malléabilité est l'aptitude à être aplati en feuilles minces sans fissuration par travail à chaud ou froid. Aluminium, cuivre, étain, plomb, acier sont malléables.

Un matériau peut être malléable et ductile. Le plomb par exemple se roule et se martèle en feuilles mais ne se tire pas en fil. Bien que souvent utilisés indifféremment, la ductilité est une qualité de traction, la malléabilité une qualité de compression.

Ces termes sont quasi synonymes de travaillabilité ou formabilité, liées à la déformation plastique.

7. Résilience (Resilience)

La résilience est la propriété par laquelle un matériau a la capacité d'absorber l'énergie lors du retrait de la charge. L'énergie stockée est restituée exactement comme un ressort si la charge est retirée.

L'énergie maximale stockable dans un corps à la limite élastique est la résilience d'épreuve, et la résilience d'épreuve par unité de volume est le module de résilience. En d'autres termes, le module de résilience est l'énergie nécessaire pour contraindre un volume unitaire à sa limite proportionnelle. Cette grandeur indique la capacité du matériau à absorber chocs et vibrations.

8. Tenacité (Toughness)

La tenacité mesure l'énergie qu'un matériau absorbe avant rupture effective. Exemple : charge soudaine sur acier doux puis sur verre ; l'acier absorbe bien plus d'énergie avant rupture. L'acier doux est bien plus tenace que le verre.

La tenacité est l'aptitude à supporter déformations plastique et élastique. Qualité hautement souhaitable pour pièces structurelles et de machines devant résister chocs et vibrations. Acier au manganèse, fer forgé, acier doux sont tenaces.

Le travail ou l'énergie absorbée est parfois appelé module de tenacité. La tenacité est liée à la résistance au choc, c'est-à-dire la résistance au chargement soudain.

9. Dureté (Hardness)

La dureté est une propriété fondamentale liée à la résistance. Définie généralement comme l'aptitude à résister au rayage, abrasion, coupe, indentation, pénétration. Important : la dureté d'un métal n'est pas directement liée à sa trempabilité.

Plusieurs méthodes pour déterminer la dureté : Brinell, Rockwell, Vickers.

10. Trempabilité (Hardenability)

La trempabilité indique le degré de dureté qu'on peut conférer à un métal, particulièrement l'acier, par trempe. Elle détermine la profondeur et la distribution de dureté induite par la trempe. Déterminée par essai Jominy pour évaluer comment le métal durcit du centre vers l'interface. L'essai Jominy (ISO 642:1999) : chauffer une éprouvette en acier (25 mm Ø, 100 mm) à température d'austénitisation et tremper par un jet d'eau contrôlé et standardisé par une extrémité. Un métal durcissable dans toute sa structure a une trempabilité élevée.

11. Fragilité (Brittleness)

La fragilité est la propriété de se briser sans déformation permanente notable. Beaucoup de matériaux cassent avant déformation significative. Tels matériaux sont fragiles : ex. verre, fonte. Un matériau non ductile est dit fragile.

Généralement, la résistance à la traction des matériaux fragiles n'est qu'une fraction de leur résistance à la compression.

12. Usinabilité (Machinability)

L'usinabilité n'est pas une propriété mécanique intrinsèque, mais le résultat d'interactions complexes entre la pièce et divers outils de coupe à différents régimes sous différentes conditions de lubrification. Elle se mesure empiriquement, résultats applicables seulement dans conditions similaires.

Simplement : facilité avec laquelle un métal s'enlève en usinage. Bonne usinabilité = résultats satisfaisants.

L'usinabilité est indiquée par pourcentage : indice d'usinabilité. Tous métaux comparés à un standard. Standard pour 100 % : acier à coupe libre. Indice d'usinabilité des aciers au carbone : 40-60 % ; fonte : 50-80 %.

13. Fluage (Creep)

Le fluage est la propriété mécanique : déformation lente et progressive d'un matériau dans le temps sous contrainte constante. Type le plus simple : écoulement visqueux.

Selon température, contrainte même sous limite élastique peut causer déformation permanente. Définition générale : déformation dépendante du temps sous contrainte. Métaux : fluage à hautes températures ; plastiques, caoutchouc, matériaux amorphes : très sensibles au fluage selon température.

Trois stades : 1) allongement rapide à taux décroissant ; 2) taux constant ; 3) taux croissant rapide jusqu'à rupture. La contrainte pour un taux de déformation donné à température constante est la résistance au fluage.

14. Fatigue (Fatigue)

Les propriétés de fatigue déterminent le comportement sous des milliers ou millions de charges cycliques où la contrainte maximale par cycle reste bien dans le domaine élastique. La rupture peut survenir après un certain nombre de cycles, ou le matériau durer indéfiniment. Souvent, un composant est conçu pour une durée de vie sous cycle de charge spécifié ; composants de moteurs aéro et turbines à haute vitesse en sont exemples.

Voici toutes les propriétés mécaniques des matériaux utiles pour choisir le matériau selon l'exigence.