Lors de la sélection et de la conception des matériaux, des questions telles que “Ce matériau est-il suffisamment résistant ? ”Cette structure va-t-elle se plier ? “Le changement de cet acier sera-t-il efficace ?”... reposent toutes sur l'évaluation de plusieurs indicateurs de performance fondamentaux.

Aujourd'hui, du point de vue de la mécanique des matériaux, nous passerons systématiquement en revue huit paramètres de performance courants, dont la rigidité, la résistance, la dureté, la ténacité et l'élasticité, afin de vous aider à mieux comprendre la sélection et la conception des matériaux !

Rigidité - Résistance à la déformation élastique

• Définition : La capacité de résistance à la déformation élastique décrit la facilité avec laquelle un matériau ou une structure se déplace sous l'effet d'une certaine charge.
• Formule : k = F / δ
• Rigidité : Déterminée par le module d'élasticité E (E = σ/ε)
• Rigidité structurelle : Déterminée en fonction de E, des caractéristiques géométriques et des conditions aux limites.

Rigidité directionnelle :

• Rigidité axiale (par exemple, ressort de traction)
• la rigidité en flexion (par exemple, une poutre)
• la rigidité en torsion (par exemple, l'arbre d'entraînement)

▶ Exemple : Une barre d'acier est plus résistante à la compression et à la déformation qu'une tige de plastique de même longueur et de même diamètre, et présente donc une plus grande rigidité ; les modules élastiques des deux matériaux diffèrent sensiblement.

Solidité - Résistance ultime à la rupture.

Définition : Contrainte maximale qu'un matériau peut supporter avant de se rompre. Les formes les plus courantes sont les suivantes :

• Limite d'élasticité (σ_y) : Point de départ de la déformation plastique
• Résistance à la traction (σ_u) : La contrainte de traction maximale qu'un matériau peut supporter.
• Résistance à la compression : La résistance ultime à la rupture par compression (par exemple, le béton).

▶ Exemples : Un élastique peut être étiré très longtemps sans se rompre facilement ; un fil d'acier est difficile à étirer mais se rompt brutalement lorsque la contrainte atteint sa limite.

Résistance ≠ rigidité. Les matériaux à haute résistance ne sont pas nécessairement très rigides ; la clé réside dans le module !

Dureté - Résistance à la déformation plastique localisée

Définition : Se réfère à la capacité d'un matériau à résister à l'indentation ou à la rayure. Il s'agit d'une propriété mécanique locale.

Méthodes d'essai courantes :

• Dureté Brinell (HB) : Applicable aux métaux tendres
• Dureté Rockwell (HRC) : Applicable aux produits en acier
• Dureté Vickers (HV) : Applicable aux microrégions ou aux films minces

▶ Idée reçue : Une grande dureté n'est pas synonyme de grande résistance. Les céramiques sont dures mais cassantes et ont une faible résistance aux chocs.

Déflexion - Déformation latérale d'une structure sous l'effet d'une charge.

Définition : Déplacement élastique maximal d'un élément de structure (tel qu'une poutre ou une dalle) sous l'effet d'une charge latérale.

Calcul commun (pour des poutres simplement soutenues avec une charge centrale) : δ = (F-L³)/(48-E-I)

• E : Module d'élasticité
• I : Moment d'inertie de la section
• L : Span

Contrôle standard :

• Dalles de construction : δ ≤ L/360
• Structures de pont : δ ≤ L/80

▶ Exemples : Le contrôle du balancement des bâtiments sous l'effet du vent et les essais de déflexion à mi-portée des ponts sont des scénarios typiques de contrôle de la déflexion.

Elasticité - Capacité de déformation récupérable

Définition : Capacité d'un matériau à reprendre sa forme initiale après chargement et déchargement.

Loi de Hooke : σ = E⋅ε

• σ : Contrainte
• ε : Déformation
• E : Module d'élasticité, reflétant la résistance du matériau à la déformation.

Exemple : Pincer une corde de guitare et la voir reprendre rapidement sa forme initiale après déformation - comportement élastique typique.

Ténacité - Capacité d'absorption d'énergie + Résistance à la fissuration

Définition : La quantité d'énergie qu'un matériau peut absorber avant de se briser ou de se détruire. Elle mesure la capacité du matériau à résister aux déformations élastiques et plastiques.

Indicateurs communs :

• Résistance aux chocs AKV (unité : J)
• Résistance à la rupture KIC (unité : MPa-√m)

Exemple : Le verre de sécurité et le polycarbonate ne se brisent pas instantanément en cas d'impact comme le verre ordinaire. Au contraire, les fissures se propagent lentement, ce qui démontre une excellente ténacité.

Rigidité - Décrit qualitativement le sentiment de “dureté”.”

Définition : Indicateur non quantitatif utilisé pour décrire un état caractérisé par une déformation globale minimale et une sensation de dureté.

Exemple : “Forte rigidité” est souvent un jugement perceptuel, alors qu'une “grande rigidité” peut être calculée à l'aide d'une formule. Dans l'ingénierie pratique, le concept de “rigidité” devrait être prioritaire.

Plasticité-Déformabilité + Formabilité

Définition : Capacité d'un matériau à subir une déformation permanente sans se rompre, même lorsque la contrainte dépasse sa limite d'élasticité.

Propriétés principales :

• Ductilité : par exemple, allongement après rupture.
• Forgeabilité : capacité à maintenir la plasticité après avoir subi une contrainte de compression.

▶ Exemple : Le cuivre pur et l'acier à faible teneur en carbone présentent une bonne plasticité et une excellente aptitude au formage, ce qui les rend adaptés à des procédés tels que le forgeage et le laminage.

En matière de sélection des matériaux d'ingénierie et de conception structurelle, il n'existe pas de “matériau universel”, mais seulement une “combinaison optimale de propriétés”. Pour parvenir à la stabilité structurelle, à un coût raisonnable et à la fabricabilité, il faut trouver un équilibre entre des propriétés clés telles que la rigidité, la résistance, la dureté, la ténacité, l'élasticité et la plasticité. La compréhension de l'importance et des scénarios applicables à chaque propriété est la base d'une sélection éclairée des matériaux et de l'optimisation de la conception.