Comment les forces de tension et de compression influencent la résistance des métaux

La résistance d'un métal joue un rôle important dans la conception de produits ou d'architectures structurales. Il existe différents éléments à la résistance d'un métal, y compris la résistance à la traction, la limite d'élasticité, la dureté et la densité. Les forces de tension vs compression peuvent avoir un effet sur la quantité de stress ou de pression qu'un métal peut supporter avant de faillir, c'est pourquoi il est important de déterminer quelle résistance de matériau fonctionnera le mieux selon l'application requise.

Forces de tension vs compression : un guide rapide

Ci-dessous, nous décrivons brièvement les forces de traction et de compression dans les métaux, en décomposant comment chacune fonctionne et les effets qu'elles peuvent avoir sur divers métaux.

Force de traction dans les métaux

Chaque fois qu'un métal s'étire, il est sous force de traction. Mathématiquement, la contrainte de traction est égale à force/surface. La contrainte maximale qu'un métal peut supporter représente sa résistance à la traction.

La résistance à la traction peut être divisée en deux parties :

• Limite d'élasticité : Lorsque le métal est soumis à un chargement de traction externe, il subira une déformation élastique et plastique. La limite d'élasticité dénote la force de traction jusqu'à laquelle un métal peut retrouver sa forme originale une fois la force retirée.
• Résistance à la traction ultime : Au-delà du point d'élasticité, le métal continuera à montrer une déformation plastique jusqu'à un point avant que l'étranglement ne se produise. Cette limite est connue sous le nom de résistance à la traction ultime. En bref, elle représente la contrainte maximale qu'un métal peut supporter sans se briser en deux morceaux.

Force de compression dans les métaux

La force de compression représente la compression ou la pression maximale qu'un métal peut supporter sans se briser. Il y a une réduction de la longueur par rapport à sa mesure originale.

Il existe six types différents de modes de rupture en compression :

1. Flambage : Changement soudain de forme latéral sous une charge axiale
2. Cisaillement : Rupture par glissement le long de la direction de la force appliquée
3. Double barrelling : Formation de deux barils pendant la compression de corps prismatiques hauts sans zones externes
4. Barrelling : Génération d'une surface convexe sur l'extérieur d'un cylindre
5. Compression homogène : Aucun frottement n'est présent à la surface de contact
6. Instabilité de compression : Défaillance due à l'adoucissement du travail du métal

Un test largement accepté pour déterminer la résistance à la compression est le test de dureté de Mohs.

Différents métaux sous forces de tension vs compression

La valeur maximale de la résistance à la compression et de la résistance à la traction varie entre les métaux. Certains métaux montrent une résistance à la traction exceptionnelle sous tension, tandis que certains métaux sont bons pour gérer la force de compression maximale. Ainsi, comparer deux métaux sous forces de tension vs compression nécessite de reconnaître l'application du métal en premier lieu ; seulement alors il devient facile de le comparer à d'autres métaux.

Le graphique ci-dessous compare la résistance, la dureté et la densité de différents métaux :

L'acier a une résistance à la traction et une limite d'élasticité plus élevées que l'aluminium ; cependant, l'aluminium est léger et offre une meilleure résistance à la corrosion que l'acier. Ainsi, il est important d'étudier les paramètres lors de la considération des exigences d'application.

De plus, un métal peut avoir une haute résistance à la traction mais une faible résistance à la compression et vice versa. Par exemple, la résistance à la compression de la fonte est supérieure à sa résistance à la traction, mais pour l'acier doux, c'est l'inverse.

Les matériaux fragiles, tels que la fonte, contiennent beaucoup de vides. Sous résistance à la traction, ces vides agissent comme des entailles, résultant en une propagation élevée des fissures à travers le matériau. Mais sous une force de compression, ces vides se ferment, annulant toute possibilité de propagation de fissures.

D'autre part, dans les matériaux ductiles, les fissures formées sous la charge se ferment facilement sans se propager à travers le matériau. En conséquence, ceux-ci sont également forts en tension et en compression ; cependant, ils ont tendance à échouer sous contrainte de cisaillement.

L'importance de comprendre les résistances des matériaux

Les résistances à la compression et à la traction sont des propriétés très importantes d'un métal quand il s'agit de conception d'ingénierie. Dans toute conception d'ingénierie, l'objectif principal est de garder la déformation plastique aussi petite que possible. À cet égard, le module de Young (dénoté E) peut être considéré comme un paramètre clé dans le processus de sélection.

Le module de Young est une autre façon de calculer le degré de déformation d'un matériau sous tension ou compression longitudinale. Il est défini comme le rapport entre la contrainte longitudinale et la déformation. Plus le module de Young est élevé, plus le matériau est rigide, et plus la déformation élastique est petite pour une charge appliquée donnée.

Maintenant, par exemple, si nous construisons une maison à partir d'un métal avec un faible module de Young, elle se déformera beaucoup sous une charge de compression ; un métal plus rigide donnerait une réponse plus désirée.

Les poteaux de saut à la perche modernes sont un excellent exemple de cela. Pour maximiser la performance d'un athlète, un poteau de saut devrait être composé de matériaux légers mais devrait aussi stocker la déformation élastique pendant que le poteau se plie. Ainsi, ces poteaux sont construits en fibre de verre (E = 15 GPa) ou un mélange de fibre de verre et de fibre de carbone (E = 500 GPa).

Le module de Young pour certains des métaux les plus couramment utilisés est montré ci-dessous :

Matériau	Module de Young (E)
	10⁶ psi	10⁹ N/m², GPa
Aluminium	10,0	69
Laiton		102-125
Cuivre	17	117
Nickel	31	170
Acier inoxydable (AISI 302)		180
Acier structural (ASTM-A 36)		200
Acier au carbone		215
Titane (pur)	16
Alliage de titane		105-120
Fer forgé		190-210

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