L'essai de résistance à la traction est principalement utilisé pour déterminer la capacité des matériaux métalliques à résister aux dommages pendant le processus d'étirement et constitue l'un des indicateurs importants pour évaluer les propriétés mécaniques des matériaux.
1. Essai de traction
L'essai de traction repose sur les principes fondamentaux de la mécanique des matériaux. L'application d'une charge de traction à l'échantillon dans certaines conditions provoque une déformation en traction jusqu'à la rupture. Au cours de l'essai, la déformation de l'échantillon expérimental sous différentes charges et la charge maximale à la rupture sont enregistrées, afin de calculer la limite d'élasticité, la résistance à la traction et d'autres indicateurs de performance du matériau.
Contrainte σ = F/A
σ est la résistance à la traction (MPa)
F est la charge de traction (N)
A est la section transversale de l'échantillon
2. Courbe de traction
Analyse de plusieurs étapes du processus d’étirement :
a. Dans l'étape OP avec une petite charge, l'allongement est en relation linéaire avec la charge, et Fp est la charge maximale pour maintenir la ligne droite.
b. Lorsque la charge dépasse Fp, la courbe de traction commence à adopter une relation non linéaire. L'échantillon entre alors dans la phase de déformation initiale, la charge est supprimée et l'échantillon peut revenir à son état initial et se déformer élastiquement.
c. Une fois que la charge dépasse Fe, elle est supprimée, une partie de la déformation est restaurée et une partie de la déformation résiduelle est conservée, ce qui est appelé déformation plastique. Fe est appelé limite d'élasticité.
d. Lorsque la charge augmente davantage, la courbe de traction présente une forme en dents de scie. Lorsque la charge n'augmente ni ne diminue, le phénomène d'allongement continu de l'échantillon expérimental est appelé élasticité. Après élasticité, l'échantillon commence à subir une déformation plastique évidente.
e. Après élasticité, l'échantillon présente une augmentation de sa résistance à la déformation, de son écrouissage et de son renforcement. Lorsque la charge atteint Fb, la même partie de l'échantillon se rétracte fortement. Fb est la limite de résistance.
f. Le phénomène de retrait entraîne une diminution de la capacité portante de l'échantillon. Lorsque la charge atteint Fk, l'échantillon se rompt. C'est ce qu'on appelle la charge de rupture.
Limite d'élasticité
La limite d'élasticité est la contrainte maximale qu'un matériau métallique peut supporter depuis le début de la déformation plastique jusqu'à la rupture complète sous l'effet d'une force externe. Cette valeur marque le point critique où le matériau passe de la déformation élastique à la déformation plastique.
Classification
Limite d'élasticité supérieure : désigne la contrainte maximale de l'échantillon avant que la force ne chute pour la première fois lorsque la limite d'élasticité se produit.
Limite d'élasticité inférieure : désigne la contrainte minimale au stade de la limite d'élasticité lorsque l'effet transitoire initial est ignoré. La valeur de la limite d'élasticité inférieure étant relativement stable, elle est généralement utilisée comme indicateur de la résistance du matériau, appelée limite d'élasticité ou limite d'élasticité.
Formule de calcul
Pour la limite d'élasticité supérieure : R = F / Sₒ, où F est la force maximale avant que la force ne chute pour la première fois dans la phase d'élasticité, et Sₒ est la section transversale d'origine de l'échantillon.
Pour une limite d'élasticité inférieure : R = F / Sₒ, où F est la force minimale F ignorant l'effet transitoire initial, et Sₒ est la section transversale d'origine de l'échantillon.
Unité
L'unité de limite d'élasticité est généralement le MPa (mégapascal) ou le N/mm² (Newton par millimètre carré).
Exemple
Prenons l'exemple de l'acier à faible teneur en carbone : sa limite d'élasticité est généralement de 207 MPa. Soumis à une force externe supérieure à cette limite, l'acier à faible teneur en carbone subit une déformation permanente et ne peut être restauré. Soumis à une force externe inférieure à cette limite, il retrouve son état initial.
La limite d'élasticité est l'un des indicateurs importants pour évaluer les propriétés mécaniques des matériaux métalliques. Elle reflète la capacité des matériaux à résister à la déformation plastique lorsqu'ils sont soumis à des forces externes.
Résistance à la traction
La résistance à la traction est la capacité d'un matériau à résister aux dommages causés par une charge de traction. Elle s'exprime spécifiquement par la contrainte maximale que le matériau peut supporter pendant le processus de traction. Lorsque la contrainte de traction exercée sur le matériau dépasse sa résistance à la traction, celui-ci subit une déformation plastique ou une rupture.
Formule de calcul
La formule de calcul de la résistance à la traction (σt) est :
σt = F / A
Où F est la force de traction maximale (Newton, N) que l'échantillon peut supporter avant de se rompre, et A est la section transversale d'origine de l'échantillon (millimètre carré, mm²).
Unité
L'unité de résistance à la traction est généralement le MPa (mégapascal) ou le N/mm² (Newton par millimètre carré). 1 MPa est égal à 1 000 000 Newtons par mètre carré, ce qui équivaut également à 1 N/mm².
Facteurs d'influence
La résistance à la traction est affectée par de nombreux facteurs, notamment la composition chimique, la microstructure, le processus de traitement thermique, la méthode de traitement, etc. Différents matériaux ont des résistances à la traction différentes, donc dans les applications pratiques, il est nécessaire de sélectionner des matériaux appropriés en fonction des propriétés mécaniques des matériaux.
Application pratique
La résistance à la traction est un paramètre essentiel en science et ingénierie des matériaux, et est souvent utilisée pour évaluer leurs propriétés mécaniques. En termes de conception structurelle, de choix des matériaux, d'évaluation de la sécurité, etc., la résistance à la traction est un facteur essentiel. Par exemple, en génie civil, la résistance à la traction de l'acier est un facteur déterminant pour sa capacité à supporter des charges ; dans l'aéronautique, la résistance à la traction des matériaux légers et à haute résistance est essentielle pour garantir la sécurité des aéronefs.
Résistance à la fatigue :
La fatigue des métaux fait référence au processus dans lequel les matériaux et les composants produisent progressivement des dommages cumulatifs locaux permanents à un ou plusieurs endroits sous contrainte cyclique ou déformation cyclique, et des fissures ou des fractures complètes soudaines se produisent après un certain nombre de cycles.
Caractéristiques
Soudainement dans le temps : la défaillance par fatigue du métal se produit souvent soudainement dans un court laps de temps sans signes évidents.
Localisation en position : La défaillance par fatigue se produit généralement dans les zones locales où les contraintes sont concentrées.
Sensibilité à l'environnement et aux défauts : La fatigue du métal est très sensible à l'environnement et aux minuscules défauts à l'intérieur du matériau, ce qui peut accélérer le processus de fatigue.
Facteurs d'influence
Amplitude de contrainte : L’ampleur de la contrainte affecte directement la durée de vie en fatigue du métal.
Ampleur de la contrainte moyenne : Plus la contrainte moyenne est élevée, plus la durée de vie en fatigue du métal est courte.
Nombre de cycles : Plus le métal est soumis à des contraintes ou à des déformations cycliques, plus l'accumulation de dommages dus à la fatigue est grave.
Mesures préventives
Optimisez la sélection des matériaux : sélectionnez des matériaux avec des limites de fatigue plus élevées.
Réduction de la concentration des contraintes : Réduisez la concentration des contraintes grâce à des méthodes de conception structurelle ou de traitement, telles que l'utilisation de transitions à coins arrondis, l'augmentation des dimensions de la section transversale, etc.
Traitement de surface : Polissage, pulvérisation, etc. sur la surface métallique pour réduire les défauts de surface et améliorer la résistance à la fatigue.
Inspection et entretien : Inspecter régulièrement les composants métalliques pour détecter et réparer rapidement les défauts tels que les fissures ; entretenir les pièces sujettes à la fatigue, comme le remplacement des pièces usées et le renforcement des maillons faibles.
La fatigue des métaux est un mode de défaillance courant, caractérisé par sa soudaineté, sa localisation et sa sensibilité à l'environnement. L'amplitude des contraintes, leur amplitude moyenne et le nombre de cycles sont les principaux facteurs qui influencent la fatigue des métaux.
Courbe SN : décrit la durée de vie en fatigue des matériaux sous différents niveaux de contrainte, où S représente la contrainte et N représente le nombre de cycles de contrainte.
Formule du coefficient de résistance à la fatigue :
(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)
Où (Ka) est le facteur de charge, (Kb) est le facteur de taille, (Kc) est le facteur de température, (Kd) est le facteur de qualité de surface et (Ke) est le facteur de fiabilité.
Expression mathématique de la courbe SN :
(\sigma^m N = C)
Où (\sigma) est la contrainte, N est le nombre de cycles de contrainte et m et C sont des constantes matérielles.
Étapes de calcul
Déterminer les constantes du matériau :
Déterminer les valeurs de m et C par des expériences ou en se référant à la littérature pertinente.
Déterminer le facteur de concentration de contrainte : Tenez compte de la forme et de la taille réelles de la pièce, ainsi que de la concentration de contrainte causée par les congés, les rainures de clavette, etc., pour déterminer le facteur de concentration de contrainte K. Calculer la résistance à la fatigue : Selon la courbe SN et le facteur de concentration de contrainte, combinés à la durée de vie de conception et au niveau de contrainte de travail de la pièce, calculez la résistance à la fatigue.
2. Plasticité :
La plasticité désigne la propriété d'un matériau qui, soumis à une force externe, produit une déformation permanente sans rupture lorsque la force externe dépasse sa limite d'élasticité. Cette déformation est irréversible et le matériau ne retrouve pas sa forme initiale, même si la force externe est supprimée.
Indice de plasticité et sa formule de calcul
Allongement (δ)
Définition : L'allongement est le pourcentage de la déformation totale de la section de jauge après que l'échantillon a été fracturé par traction jusqu'à la longueur de jauge d'origine.
Formule : δ = (L1 – L0) / L0 × 100 %
Où L0 est la longueur de jauge d'origine de l'échantillon ;
L1 est la longueur de jauge après la rupture de l'échantillon.
Réduction segmentaire (Ψ)
Définition : La réduction segmentaire est le pourcentage de la réduction maximale de la section transversale au point de striction après que l'échantillon a été cassé à la section transversale d'origine.
Formule : Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100 %
Où F0 est la section transversale d'origine de l'échantillon ;
F1 est la section transversale au point de striction après la rupture de l'échantillon.
3. Dureté
La dureté du métal est un indice de propriété mécanique permettant de mesurer la dureté des matériaux métalliques. Elle indique la capacité à résister à la déformation dans le volume local de la surface métallique.
Classification et représentation de la dureté des métaux
La dureté des métaux est classée et représentée selon différentes méthodes d'essai. Parmi les principales méthodes, on peut citer :
Dureté Brinell (HB) :
Champ d'application : Généralement utilisé lorsque le matériau est plus mou, comme les métaux non ferreux, l'acier avant traitement thermique ou après recuit.
Principe de test : Avec une certaine taille de charge d'essai, une bille d'acier trempé ou une bille de carbure d'un certain diamètre est pressée dans la surface du métal à tester, et la charge est déchargée après un temps spécifié, et le diamètre de l'indentation sur la surface à tester est mesuré.
Formule de calcul : La valeur de dureté Brinell est le quotient obtenu en divisant la charge par la surface sphérique de l'indentation.
Dureté Rockwell (HR) :
Champ d'application : Généralement utilisé pour les matériaux ayant une dureté plus élevée, comme la dureté après traitement thermique.
Principe du test : Similaire à la dureté Brinell, mais utilisant des sondes différentes (diamant) et des méthodes de calcul différentes.
Types : Selon l'application, il existe des types HRC (pour les matériaux à haute dureté), HRA, HRB et autres.
Dureté Vickers (HV) :
Champ d'application : Convient pour l'analyse au microscope.
Principe du test : Appuyez sur la surface du matériau avec une charge inférieure à 120 kg et un pénétrateur à cône carré en diamant avec un angle au sommet de 136°, et divisez la surface de la fosse d'indentation du matériau par la valeur de charge pour obtenir la valeur de dureté Vickers.
Dureté Leeb (HL) :
Caractéristiques : Testeur de dureté portable, facile à mesurer.
Principe du test : utilisez le rebond généré par la tête de la bille d'impact après avoir heurté la surface de dureté et calculez la dureté par le rapport entre la vitesse de rebond du poinçon à 1 mm de la surface de l'échantillon et la vitesse d'impact.
Date de publication : 25 septembre 2024
