Effets des forces de tension et de compression sur le métal

La résistance d'un métal joue un rôle important dans la conception de produits ou d'architectures structurelles. La résistance d'un métal comprend différents éléments, notamment la résistance à la traction, la limite d'élasticité, la dureté et la densité. Les forces de tension et de compression peuvent avoir un effet sur la quantité de contrainte ou de pression qu'un métal peut supporter avant de tomber en panne, c'est pourquoi il est important de déterminer la résistance du matériau qui fonctionnera le mieux en fonction de l'application requise.

Forces de tension et de compression :un guide rapide

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

Force de traction dans les métaux

Chaque fois qu'un métal s'étire, il est soumis à une force de traction. Mathématiquement, la contrainte de traction est égale à la 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 une charge de traction externe, il subira une déformation élastique et plastique. La limite d'élasticité désigne la force de traction jusqu'à laquelle un métal peut retrouver sa forme d'origine une fois la force supprimée.
• Résistance à la traction ultime : Au-delà de la limite d'élasticité, le métal continuera à montrer une déformation plastique jusqu'à un certain point avant que la striction ne se produise. Cette limite est connue sous le nom de résistance ultime à la traction. En bref, il représente la contrainte maximale qu'un métal peut supporter sans se briser en deux.

Force de compression dans les métaux

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

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

1. Flambage : Changement latéral soudain de forme sous une charge axiale
2. Cisaillage : Rupture par glissement le long de la direction de la force appliquée
3. Double baril : La formation de deux barillets lors de la compression de corps prismatiques hauts sans zones externes
4. Barrage : La génération d'une surface convexe à l'extérieur d'un cylindre
5. Compression homogène : Aucun frottement n'est présent sur la surface de contact
6. Instabilité de compression : Défaillance due au ramollissement du travail du métal

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

Différents métaux sous tension par rapport aux forces de compression

La valeur maximale de la résistance à la compression et à la traction varie selon les métaux. Certains métaux présentent une résistance à la traction exceptionnelle sous tension, tandis que certains métaux résistent bien à une force de compression maximale. Ainsi, comparer deux métaux sous tension par rapport aux forces de compression nécessite de reconnaître l'application du métal en premier lieu ; ce n'est qu'alors qu'il devient facile de le comparer à d'autres métaux.

Le tableau 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. Il est donc important d'étudier les paramètres lors de l'examen des exigences de l'application.

De plus, un métal peut avoir une résistance à la traction élevée 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 le contraire.

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

En revanche, dans les matériaux ductiles, les fissures formées sous la charge se referment 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 céder sous une contrainte de cisaillement.

L'importance de comprendre les forces des matériaux

Les résistances à la compression et à la traction sont des propriétés très importantes d'un métal en matière de conception technique. Dans toute conception technique, l'objectif principal est de maintenir la déformation plastique aussi petite que possible. À cet égard, le module de Young (noté 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 faible pour une charge appliquée donnée.

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

Les poteaux de saut modernes en sont un excellent exemple. Pour optimiser les performances d'un athlète, une perche de saut doit être composée de matériaux légers, mais doit également stocker la tension élastique lorsque la perche se plie. Ainsi, ces poteaux sont construits à partir de fibre de verre (E =15 GPa) ou d'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 indiqué ci-dessous :

Matériel	Module de Young (E)
	106psi	109N/m2, GPa
Aluminium	10.0	69
Laiton		102-125
Cuivre	17	117
Nickel	31	170
Acier inoxydable (AISI 302)		180
Acier de construction (ASTM-A 36)		200
Acier au carbone		215
Titane (pur)	16
Alliage de titane		105-120
Fer forgé		190-210

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