Propriétés mécaniques clés des matériaux : vue d'ensemble complète

Les propriétés mécaniques des matériaux sont des attributs intensifs, c'est-à-dire des caractéristiques physiques indépendantes de la quantité de matériau. Ces caractéristiques quantitatives permettent de comparer les avantages de divers matériaux, aidant au choix des matériaux.

Une propriété, comme la température, peut être fonction d'une ou plusieurs variables indépendantes ou être constante. L'anisotropie désigne la tendance des propriétés d'un matériau à varier selon la direction de mesure. Dans une plage d'utilisation donnée, les propriétés liées à divers processus physiques se comportent souvent linéairement (ou approximativement). Les modéliser comme fonctions linéaires simplifie grandement les équations constitutives différentielles les décrivant.

La prévision des propriétés d'un système utilise souvent des équations définissant les propriétés clés des matériaux. Les attributs sont mesurés par des procédures d'essai établies. Beaucoup de ces techniques sont documentées et publiées en ligne par leurs communautés d'utilisateurs (voir ASTM International).

Quelles sont les propriétés mécaniques les plus courantes ?

Les concepteurs de produits utilisent les descriptions de propriétés mécaniques et physiques typiques pour choisir les bons matériaux. Voici les principaux types de propriétés mécaniques :

• Conductivité
• Résistance à la corrosion
• Résistance
• Densité
• Ductilité/Malléabilité
• Élasticité/Rigidité
• Fracture/Ténacité
• Dureté
• Plasticité
• Résistance à la fatigue
• Résistance au cisaillement
• Résistance à la traction, limite d'élasticité
• Ténacité
• Résistance à l'usure

Conductivité

La conductivité thermique détermine la quantité de chaleur traversant un matériau. Elle s'exprime en degrés par unité de longueur, section transversale et temps. Les matériaux à haute conductivité thermique servent de dissipateurs thermiques ; ceux à faible conductivité servent d'isolants.

Les métaux à haute conductivité thermique conviennent aux échangeurs de chaleur ou réfrigération. Bien que les matériaux à faible conductivité puissent servir en haute température, les composants haute température nécessitent souvent une haute conductivité thermique ; il est crucial de comprendre l'environnement.

Similairement, la conductivité électrique mesure la quantité d'électricité traversant un matériau de section et longueur connues.

Résistance à la corrosion

C'est la capacité d'un matériau à résister à une attaque chimique ou électrochimique naturelle par l'air, l'humidité ou d'autres agents. Il existe de nombreux types de corrosion : intergranulaire, dézincification, réaction galvanique, piqûres.

Basée sur une extrapolation linéaire de la pénétration sur un essai ou service donné, la résistance à la corrosion peut être définie comme la profondeur maximale en millièmes de pouce que la corrosion pourrait pénétrer en un an. Certains matériaux bénéficient de placages ou revêtements ; d'autres sont naturellement résistants. Beaucoup de métaux de familles résistantes restent vulnérables aux facteurs environnementaux spécifiques de leur milieu d'utilisation.

Densité

La densité est la masse de l'alliage par unité de volume, souvent en lb/in³ ou g/cm³. Le poids d'un composant de taille donnée dépend de la densité de l'alliage.

Crucial dans les industries où le poids compte (aérospatiale, automobile). Les alliages moins denses sont recherchés pour des composants plus légers, mais le rapport résistance/poids doit être considéré. Un matériau plus dense comme l'acier, offrant plus de résistance, peut être choisi avec une section plus fine compensant la densité supérieure.

Ductilité/Malléabilité

La ductilité est la capacité d'un matériau à s'étirer ou se plier plastiquement sans rompre et à conserver la nouvelle forme après retrait de la charge. Imaginez étirer un métal en fil.

Dans un essai de traction, la ductilité se calcule souvent en pourcentage d'allongement ou de réduction de section avant rupture. Le module de Young (module d'élasticité), ratio contrainte/déformation crucial, s'obtient par essai de traction. Les matériaux ductiles conviennent au laminage ou étirage grâce à leur résistance à la fissuration sous contrainte. Le travail à froid tend à réduire la ductilité.

La malléabilité est la capacité d'un métal à être mis en forme sans se briser. Le matériau est laminé ou pressé en feuilles plus minces sous pression (contrainte de compression). Les matériaux à haute malléabilité supportent plus de pression sans fissurer.

Élasticité/Rigidité

La propriété élastique est la capacité d'un matériau à retrouver sa taille et forme initiales quand la force déformatrice est retirée. Les matériaux élastiques reprennent leur forme quand la contrainte est libérée, contrairement à la plasticité (changement de forme irréversible).

Le module de Young, comparant la relation entre contrainte (force exercée) et déformation (résultante), évalue souvent la rigidité d'un métal. Plus le module est élevé, plus le matériau est rigide car une contrainte plus élevée cause proportionnellement moins de déformation. Le caoutchouc a une faible rigidité/faible module ; le verre a une rigidité élevée/module élevé. C'est un enjeu de conception crucial quand la rigidité sous charge est nécessaire.

Fracture/Ténacité

La résistance aux chocs détermine la capacité d'un matériau à supporter un choc. En général, l'effet d'impact d'une collision rapide est supérieur à celui d'une force moindre appliquée progressivement.

La résistance aux chocs doit être considérée quand l'application présente un risque d'impact élevé. Certains métaux fonctionnent sous charges statiques mais échouent sous charges dynamiques ou collisions. En laboratoire, l'essai Charpy (frappe d'un échantillon par un pendule lesté de l'autre côté d'un V d'usinage) mesure souvent l'impact.

Dureté

La dureté est la capacité d'un matériau à résister à l'indentation permanente (déformation plastique). Généralement, plus un matériau est dur, plus il résiste à l'usure ou la déformation. "Dureté" peut aussi désigner la rigidité locale de surface ou la résistance au découpage, rayure, abrasion.

Les méthodes Brinell, Rockwell et Vickers mesurent la surface et la profondeur de l'empreinte faite par un matériau plus dur (bille d'acier, diamant, autre pénétreur).

Plasticité

L'opposé de l'élasticité, la plasticité, est la propension d'un matériau à conserver sa forme altérée sous forces de formage. C'est la propriété permettant de façonner les matériaux en une nouvelle forme permanente. Au point d'élasticité, le comportement passe d'élastique à plastique.

Résistance à la fatigue

Sous charges répétitives ou fluctuantes (chargement/déchargement) avec valeur maximale inférieure à la résistance à la traction, la fatigue peut causer la fracture. Il y a corrélation entre contrainte et cycles jusqu'à rupture : contraintes plus élevées accélèrent la rupture et vice versa. La "limite de fatigue" est la contrainte maximale que le métal peut supporter pendant un nombre spécifié de cycles.

La mesure de durée de vie en fatigue, elle, fixe la charge et compte les cycles qu'un matériau supporte avant rupture. La résistance à la fatigue est cruciale pour concevoir des composants soumis à des conditions de charge récurrentes.

Résistance au cisaillement

Dans des applications comme boulons ou poutres, où direction et amplitude de la contrainte comptent, la résistance au cisaillement est un facteur. Le cisaillement se produit quand des forces directionnelles font glisser la structure granulaire interne du métal contre elle-même.

Résistance à la traction

La résistance à la traction (ou ultime) est l'une des mesures les plus populaires pour les propriétés des métaux. C'est la charge qu'une section de métal peut supporter avant de rompre. En essai, le métal s'allonge dans la zone de déformation élastique avant de reprendre sa forme initiale.

Il garde la forme étirée après retrait de la charge au point de déformation permanente ou plastique (mesuré comme limite d'élasticité). La charge cause finalement la fracture au point de traction. Cette mesure différencie les matériaux fragiles des plus ductiles. Unités : MPa ou psi.

Limite d'élasticité

La limite d'élasticité décrit le point où le matériau sous charge ne reprend plus sa position ou forme initiale. Similaire en concept et mesure à la résistance à la traction. La déformation plastique suit la déformation élastique.

Les calculs de conception incluent le point d'élasticité pour comprendre les limites d'intégrité dimensionnelle sous contrainte. Comme la résistance à la traction, la limite d'élasticité s'exprime en psi ou N/mm² (MPa).

Ténacité

La ténacité, mesurée par l'essai d'impact Charpy et comparable à la résistance aux chocs, évalue la capacité d'un matériau à absorber un impact sans rompre à une température donnée. Les matériaux peuvent devenir plus fragiles à basses températures car la résistance aux chocs est souvent plus faible alors.

Des valeurs Charpy sont souvent exigées dans les alliages ferreux quand de basses températures sont possibles (plateformes pétrolières offshore, oléoducs) ou quand le chargement instantané est un facteur (contenement balistique militaire/aéronautique).

Résistance à l'usure

C'est la capacité d'un matériau à supporter l'effet de deux matériaux frottant l'un contre l'autre : adhésion, abrasion, rayure, gougeage, galling, déchirure.

Quand les matériaux ont des duretés différentes, le métal plus tendre montre les effets en premier ; des choix de conception peuvent y remédier. Même le laminage peut causer abrasion par présence de corps étrangers. La masse perdue pour un nombre donné de cycles d'abrasion à charge donnée quantifie la résistance à l'usure.

Autres propriétés mécaniques des matériaux

• Fragilité
• Module de compressibilité
• Coefficient de restitution
• Résistance à la compression
• Fluage
• Durabilité
• Limite de fatigue
• Flexibilité
• Module de flexion
• Résistance à la flexion
• Coefficient de frottement
• Diffusivité massique
• Coefficient de Poisson
• Résilience
• Glissement
• Module spécifique
• Résistance spécifique
• Rugosité de surface
• Résistance à la traction
• Viscosité
• Module de Young

Propriétés électriques

• Capacité
• Constante diélectrique
• Rigidité diélectrique
• Résistivité et conductivité électriques
• Susceptibilité électrique
• Coefficient électrocalorique
• Électrostriction
• Polarisabilité magnétoélectrique
• Coefficient de Nernst (effet thermoélectrique)
• Permittivité
• Constantes piézoélectriques
• Piézoélectricité
• Coefficient de Seebeck

Propriétés magnétiques

• Température de Curie
• Diamagnétisme
• Coefficient de Hall
• Hystérésis
• Magnétostriction
• Coefficient magnétocalorique
• Puissance magnétothermoélectrique (coefficient magnéto-Seebeck)
• Magnétorésistance
• Perméabilité
• Piézomagnétisme
• Coefficient pyromagnétique
• Effet Hall de spin

Propriétés acoustiques

• Absorption acoustique
• Vitesse du son
• Réflexion du son
• Transfert du son
• Élastique d'ordre trois (effet acoustoélastique)

Propriétés thermiques

• Diagramme de phase binaire
• Point d'ébullition
• Coefficient de dilatation thermique
• Température critique
• Point de Curie
• Température de transition ductile-fragile
• Émissivité
• Point eutectique
• Inflammabilité
• Point d'éclair
• Température de transition vitreuse
• Chaleur de vaporisation
• Température d'inversion
• Point de fusion
• Conductivité thermique
• Diffusivité thermique
• Dilatation thermique
• Point triple
• Pression de vapeur
• Capacité thermique massique

Propriétés chimiques

• Résistance à la corrosion
• Hygroscopicité
• pH
• Réactivité
• Surface interne spécifique
• Énergie de surface
• Tension de surface

Propriétés atomiques

• Masse atomique
• Numéro atomique
• Poids atomique

Propriétés optiques

• Absorbance : atténuation de la lumière par un produit chimique
• Biréfringence
• Couleur
• Effet électro-optique
• Luminosité
• Activité optique
• Photoélasticité
• Photosensibilité
• Réflectivité
• Indice de réfraction
• Diffusion
• Transmittance

Propriétés de fabrication

• Aptitude au moulage – le matériau peut-il être facilement moulé ?
• Note d'usinabilité
• Vitesse et avances d'usinage

Propriétés radiologiques

• Section efficace neutronique
• Activité spécifique
• Demi-vie

En résumé

Dans toute conception de production, considérer les propriétés mécaniques du matériau est essentiel. Comme vu ci-dessus, de nombreuses propriétés peuvent être obtenues. Les plus courantes sont classées en propriétés physiques, chimiques et mécaniques.