Qu'est-ce que la résistance à la traction ultime ?

Introduction

La résistance est une propriété fondamentale des matériaux, désignant généralement leur capacité à résister à la déformation ou à la rupture sous l'effet de forces extérieures. Il existe de nombreux types de forces extérieures, comme la traction et la compression. Les matériaux possèdent également des caractéristiques telles que la résistance à la traction, la limite d'élasticité et la résistance à la compression. Dans des applications comme la fabrication mécanique, le génie civil et la construction de ponts, la résistance à la traction est un indicateur important utilisé par les chercheurs, les ingénieurs et les équipes de contrôle qualité pour évaluer les propriétés mécaniques des matériaux et des produits.

Dans cet article, HYT vous présentera le concept, la méthode de calcul, l'application et de nombreux autres aspects de la résistance à la traction. HYT combinera explications vulgarisées et explications scientifiques rigoureuses afin que même les nouveaux venus dans l'industrie des matériaux puissent comprendre ces notions.

Vous trouverez à la fin de l'article un tableau de la résistance à la traction et de la résistance à la traction ultime des matériaux courants.

Quelle est la résistance à la traction ultime ?

En termes simples, dans la vie de tous les jours, nous avons tous essayé de casser un élastique à la main. Après avoir appliqué une force de traction suffisamment importante, l'élastique s'est déchiré en deux. Cela s'explique principalement par le fait que la force de traction exercée par nos mains sur l'élastique a dépassé sa limite de résistance, provoquant ainsi sa rupture. Ce phénomène indique que la contrainte exercée sur l'élastique lors de son étirement excède sa résistance à la traction maximale, ce qui finit par entraîner sa rupture. Par conséquent, la résistance à la traction maximale (RTM) désigne la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter lors de son étirement avant de se rompre.

Matériaux ductiles et matériaux fragiles

Avant d'aborder les différents types de résistance à la traction, il nous faut expliquer deux concepts :, matériaux ductiles et matériaux fragiles.

Les matériaux ductiles possèdent une limite d'élasticité bien définie. Lorsque cette limite est atteinte, ils passent d'une déformation élastique à une déformation plastique. Après avoir atteint leur résistance à la traction maximale, ils continuent de se déformer, et un striction se produit alors. L'acier, les alliages d'aluminium et le cuivre, par exemple, sont des matériaux ductiles.

Les matériaux fragiles ne présentent pas de limite d'élasticité clairement définie. Ils ne se déforment pas sous contrainte de traction et ne subissent pas de déformation plastique. Une fois leur résistance à la traction maximale atteinte, ils se rompent brutalement, et la surface de rupture est généralement granuleuse. La céramique, le verre et certains aciers alliés trempés à haute résistance appartiennent à cette catégorie.

Types de résistance à la traction

Avant de se rompre, un matériau subit plusieurs étapes de déformation. Chaque étape correspond à des propriétés mécaniques différentes, permettant ainsi de mesurer différents types de résistance à la traction. Les matériaux métalliques sont ductiles, mais leurs déformations avant rupture sont peu marquées. Pour faciliter la compréhension, nous prendrons l'exemple d'élastiques en caoutchouc, qui subissent d'importantes déformations, afin d'illustrer les différents types de résistance à la traction. Nous illustrerons également les déformations des métaux aux étapes correspondantes.

Étape 1 : Limite proportionnelle

Lorsqu'on tire sur l'élastique pour la première fois, la tension appliquée est relativement faible. À ce moment-là, la tension sur l'élastique est proportionnelle à son allongement. Autrement dit, plus la force appliquée est importante, plus l'élastique s'allonge. En d'autres termes, la courbe contrainte-déformation de l'élastique est approximativement linéaire dans une certaine plage (conformément à la loi de Hooke), c'est-à-dire que la contrainte et la déformation sont proportionnelles. Dès lors, il suffit de relâcher l'élastique pour qu'il se détende complètement. entièrement restauré dans son état d'origine. À ce stade, le matériau subit déformation élastique, et la déformation de l'élastique est réversible.

Pour les matériaux métalliques, dans la limite de proportionnalité, la loi de Hooke s'applique et leur courbe contrainte-déformation est linéaire. Le métal ne subit alors qu'une déformation élastique et retrouve son état initial une fois la force appliquée supprimée.

Étape 2 : Limite d'élasticité

Nous continuons d'exercer une force croissante pour étirer l'élastique, et nous constatons que lorsqu'il est suffisamment étiré, même si nous le relâchons, il ne peut plus reprendre sa longueur initiale et devient définitivement plus long. Cela signifie que l'élastique a subi… déformation plastique et a engendré une déformation permanente. Si l'on applique une force supérieure à chaque fois, l'élastique lui-même se déformera davantage. irréversible elle se déformera et s'allongera de plus en plus.

Pour les matériaux métalliques, cette étape correspond à la limite d'élasticité. On peut ainsi déterminer la contrainte minimale à partir de laquelle le matériau passe de la déformation élastique à la déformation plastique. Les métaux possèdent généralement une limite d'élasticité bien définie ; une fois cette limite dépassée, le matériau ne peut plus retrouver son état initial, même si la force extérieure cesse de s'exercer.

Étape 3 : Résistance à la traction ultime

Ensuite, en augmentant la tension sur l'élastique, on constate que son épaisseur diminue localement. Ce phénomène indique que l'élastique a atteint sa limite de résistance à la traction. On peut alors mesurer sa résistance maximale.

Pour les matériaux métalliques, la résistance à la traction (UTS) représente la contrainte maximale que le métal peut supporter. Une fois l'UTS atteinte, le métal subit un phénomène de striction : son épaisseur diminue localement, et cette zone constitue le point de départ de la rupture. Bien que le matériau ne soit pas encore complètement rompu et que la déformation se poursuive, sa capacité portante commence déjà à diminuer.

Étape 4 : Résistance à la rupture

Si l'on augmente encore la force, l'élastique finira par se rompre car il ne pourra pas résister à une tension plus importante. La valeur de la contrainte au moment de la rupture correspond à la résistance à la rupture que nous cherchons à mesurer.

Dans les matériaux métalliques, la résistance à la rupture correspond à la contrainte maximale que le matériau supporte au moment de la rupture. Pour les matériaux fragiles, cette résistance est généralement proche de la limite de traction. Pour les matériaux ductiles, en raison du phénomène de striction, la résistance à la rupture est souvent inférieure à la limite de traction.

Limite de résistance et d'endurance à la fatigue

Outre les quatre résistances à la traction mentionnées ci-dessus, il existe également la résistance à la fatigue et la limite d'endurance.

Ces deux termes servent à décrire la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter sous des charges cycliques. La différence réside dans le fait que la résistance à la fatigue indique la contrainte maximale à laquelle un matériau ne subira pas de rupture par fatigue. sous un nombre donné de cycles, La résistance à la fatigue diminue avec l'augmentation du nombre de cycles ; la limite d'endurance indique la contrainte maximale à laquelle la rupture par fatigue ne se produira pas. sous un nombre infini de charges cycliques, La limite d'endurance est donc également appelée limite de fatigue.

D'après la courbe S-N, si le matériau présente une limite d'endurance, sa résistance à la fatigue tend vers une valeur stable lorsque le nombre de cycles augmente. En revanche, si le matériau ne présente pas de limite d'endurance, sa résistance à la fatigue continue de diminuer avec l'augmentation du nombre de cycles.

Comment calculer et mesurer la résistance à la traction ultime

Formule de calcul pour UTS

Dans l'article précédent, nous avons expliqué que la résistance à la traction (UTS) désigne la contrainte de traction maximale qu'un matériau peut supporter lors d'un essai de traction. Par conséquent, la formule de calcul de l'UTS est la suivante :

Résistance à la traction (σ) = force de traction maximale (F) / aire de la section transversale de l'échantillon (A)

Où est la force de traction maximale à laquelle le matériau se rompt lors d'un essai de traction (unité : N).

est la surface de section transversale d'origine du matériau (unité : mm²).

Dans le Système international d'unités, la résistance à la traction est exprimée en pascals ou mégapascals (MPa), ce qui est équivalent à des newtons par mètre carré (N/m²).

Dans le système d'unités américain, la résistance à la traction est exprimée en livres par pouce carré (lbf/in² ou psi).

Dans le système impérial, la résistance à la traction est exprimée en kilo-livres par pouce carré (ksi).

La relation de conversion entre eux est

1 MPa = 1 N/mm² = 0,145 ksi = 145 psi

Mesure UTS

La résistance à la traction des matériaux métalliques est généralement mesurée par des essais de traction, et la résistance à la traction des matériaux est mesurée conformément aux normes internationales telles que ASTM E8 et ISO 6892.

Préparation des échantillons

Préparer des éprouvettes métalliques de forme normalisée conformément à la norme d'essai, généralement cylindriques ou en forme d'haltère. La surface de l'éprouvette doit être lisse et exempte de défauts.

Sélection d'équipement

Les essais de traction sont généralement réalisés à l'aide d'une machine d'essai universelle (UTM), qui est généralement équipée d'un système hydraulique pour garantir que la machine puisse fournir une force de traction importante.

Processus de test

Tout d'abord, fixez l'échantillon métallique dans le dispositif de fixation de la machine d'essai, puis appliquez progressivement une force de traction conformément à la vitesse de déformation requise par les normes internationales telles que ASTM E8 et ISO 6892. Utilisez un extensomètre ou un capteur de déplacement pour mesurer la variation de déformation de l'échantillon et enregistrez simultanément la force appliquée.

Déterminer UTS

Finalement, nous obtiendrons une courbe force-déplacement. Ce graphique nous permettra de déterminer les valeurs de résistance à la traction du matériau en trois étapes : déformation élastique, déformation plastique et rupture finale.

Vous pouvez visionner ci-dessous la vidéo de test de traction de l'acier inoxydable produite par Solid Mechanics UCL MechEng pour observer l'évolution de la résistance à la traction du matériau en trois étapes.

Cette vidéo nous permet également de vérifier l'affirmation précédente selon laquelle les matériaux ductiles tels que les métaux possèdent un seuil de plasticité bien défini, qui correspond à la contrainte à partir de laquelle le matériau commence à se déformer plastiquement ou de manière irréversible.

Pourquoi la résistance à la traction est importante

La résistance à la traction, et plus particulièrement la résistance à la traction universelle (UTS), est primordiale. En effet, la détermination de la plage de valeurs UTS spécifique de différents matériaux permet aux ingénieurs de déterminer si un matériau convient à des applications et des projets particuliers.

Aérospatial

Dans l'industrie aérospatiale, les aéronefs doivent résister à de fortes contraintes aérodynamiques en vol à haute altitude. En vol, la répartition inégale de la pression de l'air sur la surface de l'aéronef engendre des contraintes de traction sur le fuselage et les ailes. De plus, tout mouvement du fuselage pendant le vol provoque des contraintes de traction dans les composants structurels en raison de la force centrifuge et des charges dynamiques. Enfin, l'environnement de haute altitude, caractérisé par des températures relativement basses, peut engendrer des contraintes internes dans les matériaux dues à la dilatation et à la contraction thermiques, ce qui accentue les contraintes de traction.

Par conséquent, nous utilisons souvent des matériaux en alliage de titane à haute résistance à la traction (Ti-6Al-4V) pour fabriquer des produits liés à l'aéronautique, tels que les structures de fuselage, les composants du train d'atterrissage, les pales de moteur, etc., ce qui permet à l'aéronef d'exercer pleinement ses performances tout en assurant la sécurité des vols ;

Construction de ponts

La construction de ponts est une pratique courante dans notre vie quotidienne. Les ponts doivent supporter quotidiennement le trafic, notamment ceux à très longue portée. Les câbles de suspension ou les câbles inclinés des ponts sont constamment soumis à des forces de traction. Par ailleurs, certains ponts peuvent être durablement affectés par des vents violents, voire des séismes, en raison de leur situation géographique. Ces facteurs externes engendrent des contraintes de traction sur la structure du pont.

C’est pourquoi nous utilisons souvent des aciers alliés à haute résistance à la traction, tels que l’AISI 4140, pour produire les câbles principaux et les câbles de suspension des ponts, ce qui peut garantir la stabilité et la sécurité à long terme des ponts ;

Fabrication automobile

L'industrie automobile est également un domaine d'application pour les matériaux à haute résistance à la traction. Lors de la conduite, le châssis et le cadre sont soumis à des impacts dus au sol et à des contraintes de traction périodiques ; lors d'une accélération ou d'un freinage brusque à grande vitesse, les éléments structurels subissent des contraintes de traction dues aux charges dynamiques.

Par conséquent, nous utiliserons des aciers à ultra-haute résistance tels que l'AHSS pour produire les châssis automobiles, les montants B et les traverses de seuil de porte, et de l'aluminium 7075 pour produire les supports de moteur et les systèmes de suspension, ce qui permettra d'assurer la fermeté et la stabilité de la structure de la carrosserie et de prolonger la durée de vie de la voiture.

Avantages et inconvénients des matériaux à haute résistance à la traction

Après avoir expliqué dans la section précédente les applications des métaux à haute résistance à la traction, nous pouvons clairement constater que ces métaux présentent les avantages suivants :

1. Capacité de charge élevée

L'alliage de tungstène est un métal doté d'une résistance à la traction ultra-élevée et d'une densité élevée, et est souvent utilisé dans des environnements à fortes contraintes tels que les outils haute performance, les balles perforantes et les composants de moteurs d'avion ;

2. Bonne durabilité

L'alliage de titane Ti-6Al-4V est reconnu comme un métal présentant un excellent rapport résistance/poids, une résistance à la corrosion et une résistance à la traction extrêmement élevées, et est largement utilisé dans les implants aérospatiaux et biomédicaux et d'autres applications ;

3. Bonne résistance aux chocs

Le 17-4PH est un matériau en acier inoxydable à haute résistance à la traction, qui peut supporter des charges d'impact élevées sans se rompre, et est utilisé dans les domaines militaires, les structures porteuses, les équipements industriels et d'autres applications ;

4. Haute efficacité d'utilisation des matériaux

L'acier AISI 4140 possède une résistance à la traction élevée. À poids égal, il offre une rigidité supérieure aux métaux ordinaires. De ce fait, les cadres de motos et de voitures de course hautes performances fabriqués avec cet acier peuvent adopter des conceptions structurelles plus légères et plus compactes. La réduction de la masse du cadre, et par conséquent de celle du véhicule, permet d'améliorer le rendement énergétique, de diminuer les contraintes exercées par le cadre sur les systèmes de suspension et de freinage, et d'optimiser la durée de vie et les performances du véhicule.

Mais d'un autre côté, il faut aussi considérer l'autre facette des matériaux métalliques à haute résistance à la traction.

1. Grande capacité de charge, mais cela signifie aussi que le matériau est fragile.

Bien que l'alliage de tungstène possède une résistance à la traction extrêmement élevée, sa ténacité est faible et il est sujet à une rupture fragile, il ne convient donc pas aux structures élastiques ;

2. Bonne durabilité, mais difficile à transformer et coût de transformation élevé

L'alliage de titane possède une dureté et une résistance à la traction élevées, ce qui nécessite une technologie de traitement spéciale, et son coût et sa difficulté de traitement sont beaucoup plus élevés que ceux de l'acier ;

3. Bonne résistance aux chocs, mais densité et poids élevés

Bien que l'acier inoxydable 17-4PH possède une résistance élevée et une excellente ténacité à l'impact, sa densité est beaucoup plus élevée que celle de l'alliage de titane et il ne convient pas aux applications nécessitant une légèreté ;

4. Forte efficacité d'utilisation des matériaux, mais coûts de soudage et de formage élevés

Bien que l'acier au chrome-molybdène possède une résistance supérieure permettant de réduire la consommation de matériaux et la fréquence d'entretien du cadre, sa dureté accrue et la difficulté plus importante des opérations initiales de soudage et de pliage entraînent directement des coûts de production plus élevés.

Résumé

En résumé, la résistance à la traction est un paramètre clé en science des matériaux, indiquant la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter avant rupture. Cette propriété est également un indicateur de référence important pour HYT dans le choix des matériaux pour les projets de ses clients. Si votre projet rencontre également des difficultés dans le choix des matériaux, veuillez contacter directement l'équipe technique de HYT. Les techniciens de HYT vous proposeront la solution la plus économique et la mieux adaptée à vos besoins.

Résistance à la traction et résistance ultime à la traction des matériaux courants

Les valeurs suivantes sont extraites de Wikipédia et sont données à titre indicatif uniquement.

Matériaux ductiles

Matériaux fragiles

Référence

Résistance à la traction ultime – Wiki