La résistance des matériaux joue un rôle central dans la détermination de la manière dont un matériau se comportera sous différentes contraintes et conditions..
Que vous conceviez un bâtiment, une pièce de machine, ou une structure entière, il est crucial de savoir comment un matériau se comportera sous l’effet d’une force.
Différents types de tests de matériaux sont utilisés pour mesurer différents types de résistance, et chaque test sert un objectif unique.
Vous trouverez ci-dessous six tests courants de résistance des matériaux, mettant en avant leurs méthodologies, mesures clés, et applications.
1. Essais de traction
Les essais de traction sont l'une des méthodes les plus utilisées pour évaluer les propriétés mécaniques des matériaux., en particulier leur capacité à résister aux forces d'étirement ou de traction.
Ce test consiste à appliquer une charge de traction progressivement croissante à un échantillon de matériau. (généralement en forme d'haltère) jusqu'à ce qu'il casse.
En enregistrant la charge appliquée, module élastique, limite d'élasticité, résistance à la traction, ductilité, propriétés d'écrouissage, Module de Young, et le coefficient de Poisson peut être calculé.
L'essai est réalisé à l'aide d'une machine d'essai de traction, également connue sous le nom de machine d'essai universelle (UTM).
Paramètres clés mesurés:
- Limite d'élasticité: Le point de contrainte auquel un matériau commence à se déformer plastiquement (déformation permanente). Par exemple, pour acier à faible teneur en carbone, la limite d'élasticité est généralement d'environ 250 MPa.
- Résistance à la traction ultime (UTS): La contrainte maximale qu'un matériau peut supporter avant de se briser.
Acier, par exemple, pourrait avoir un UTS allant de 400 MPa à 700 MPa selon l'alliage. - Module élastique (Module de Young): Le rapport contrainte/déformation dans la région élastique, indiquant la rigidité du matériau. Pour l'acier, Le module de Young est généralement 200 GPa.
- Élongation: Le pourcentage d'augmentation de la longueur du matériau avant sa rupture. Matériaux à fort allongement, comme l'acier ductile, peut s'allonger de plus de 10% avant l'échec.
Les essais de traction sont essentiels pour les matériaux utilisés dans les composants structurels, comme les métaux, plastiques, et matériaux composites.
Il fournit des données précieuses sur le comportement des matériaux sous tension dans des applications réelles., des câbles des ponts aux composants des avions.
2. Tests de compression
Les tests de compression évaluent la capacité d'un matériau à résister aux forces de compression, c'est-à-dire aux forces qui poussent ou serrent le matériau..
Le test est particulièrement utile pour les matériaux fragiles, comme le béton, céramique, et quelques métaux.
Dans cet essai, un échantillon de matériau est placé dans une machine d'essai de compression, où une charge est appliquée jusqu'à ce que le matériau se déforme ou échoue.
Paramètres clés mesurés:
- Résistance à la compression: La charge de compression maximale qu'un matériau peut supporter avant que la rupture ne se produise.
Par exemple, le béton a généralement une résistance à la compression de 20-40 MPa, tandis que le béton à haute résistance peut dépasser 100 MPa. - Force d'écrasement: Le point auquel les matériaux fragiles se fracturent sous compression.
Ceci est pertinent pour les matériaux tels que la céramique ou les pièces moulées., qui peut se briser sous des forces de compression relativement faibles par rapport aux matériaux ductiles.
Les essais de compression sont particulièrement importants dans la construction et le génie civil, où les matériaux comme les colonnes en béton et en acier sont conçus pour supporter des charges importantes.
Ce test garantit que les matériaux peuvent supporter de lourdes charges structurelles sans rupture..
3. Tests de fatigue
Les tests de fatigue sont essentiels pour les matériaux soumis à des charges cycliques ou répétitives., comme ceux que l'on trouve dans les machines, composants automobiles, et avions.
Les matériaux peuvent souvent supporter des niveaux de contrainte élevés, mais peuvent se briser sous des cycles répétés de chargement et de déchargement..
Lors d'un test de fatigue, un matériau est soumis à des cycles répétés de contraintes jusqu'à ce qu'il finisse par échouer.
Le test simule des conditions réelles, où les pièces sont soumises à des fluctuations de charge au fil du temps, comme des pièces de moteur dans une voiture ou des aubes de turbine dans un moteur d'avion.
Paramètres clés mesurés:
- Résistance à la fatigue: La contrainte maximale qu'un matériau peut supporter pendant un nombre donné de cycles avant la rupture.
Par exemple, les composants en acier des pièces automobiles peuvent avoir une résistance à la fatigue d'environ 250 MPa. - Courbe SN (Stress contre. Nombre de cycles): Cette courbe représente la relation entre la contrainte appliquée et le nombre de cycles qu'un matériau peut supporter avant rupture..
Les matériaux comme les alliages de titane sont connus pour avoir une résistance élevée à la fatigue, ce qui les rend adaptés aux applications aérospatiales.
Les tests de fatigue sont essentiels dans les industries où les composants sont soumis à des contraintes cycliques, y compris l'automobile, aérospatial, et fabrication, où les pièces doivent supporter des millions de cycles de chargement sans défaillance.
4. Test de torsion
Les tests de torsion mesurent la capacité d’un matériau à résister aux forces de torsion ou de rotation. Le matériau est fixé à une extrémité, et un couple est appliqué à l'autre extrémité, le faisant se tordre.
Ce test donne un aperçu de la résistance au cisaillement du matériau, caractéristiques de déformation plastique, et réponse aux contraintes de rotation.
Paramètres clés mesurés:
- Résistance au cisaillement: La capacité du matériau à résister aux forces de cisaillement. Par exemple, l'acier a généralement une résistance au cisaillement d'environ 300 MPa, tandis que les matériaux plus mous comme l'aluminium peuvent avoir une résistance au cisaillement inférieure.
- Module de torsion: La résistance du matériau à la torsion, ce qui aide à déterminer la rigidité globale des matériaux utilisés dans les composants rotatifs comme les arbres.
- Déformation plastique: Le degré de torsion ou de déformation permanente avant la rupture du matériau.
Les matériaux ductiles subiront une torsion importante avant rupture, tandis que les matériaux fragiles échouent rapidement après de petites déformations.
Les tests de torsion sont cruciaux pour évaluer les matériaux utilisés dans les composants tels que les arbres, boulons, et les tuyaux qui subissent des forces de rotation dans les machines, automobile, et applications aérospatiales.
5. Test de rupture de Nick
Le test de rupture est un test d'impact spécialisé principalement utilisé pour évaluer la résistance des joints soudés..
Une petite encoche est créée dans la zone soudée, puis l'échantillon est frappé avec une force d'impact.
La fracture se produit généralement au niveau du joint soudé et la façon dont les fractures du matériau peuvent indiquer la qualité de la soudure..
Paramètres clés mesurés:
- Résistance de soudure: Ceci mesure la capacité du joint soudé à résister à la rupture sous impact.. Les soudures solides présenteront une rupture minimale et une absorption d'énergie maximale.
- Résistance aux chocs: La capacité du matériau à absorber de l’énergie avant de tomber en panne. Les matériaux à haute ténacité résisteront à la rupture fragile même dans des conditions difficiles.
Ce test est essentiel pour les industries qui comptent sur le soudage pour l'intégrité structurelle, comme la construction navale, construction, et fabrication de pipelines.
6. Test de fluage
Les tests de fluage évaluent la façon dont un matériau se déforme sous une charge constante sur une période prolongée, surtout à haute température.
Pour les matériaux exposés à des contraintes à long terme, comme dans les centrales électriques ou les moteurs aérospatiaux, comprendre le comportement de fluage est crucial.
Pendant l'essai, un matériau est soumis à une contrainte constante à une température élevée, et la quantité de déformation (ramper) se mesure au fil du temps.
Paramètres clés mesurés:
- Taux de fluage: La vitesse à laquelle le matériau se déforme sous contrainte au fil du temps. Les matériaux tels que les superalliages utilisés dans les moteurs à réaction ont souvent des taux de fluage très faibles pour garantir leurs performances à haute température..
- Résistance au fluage: La capacité du matériau à résister à la déformation sous des contraintes soutenues à haute température.
- Transformation Temps-Température (TTT) Courbe: Cette courbe montre comment la température et le temps affectent la vitesse de fluage du matériau..
Les tests de fluage sont particulièrement importants dans les applications à haute température telles que les turbines, moteurs, et réacteurs, où les matériaux doivent résister à des contraintes thermiques et mécaniques prolongées sans rupture.
Conclusion
Ces six tests de résistance - traction, compressif, fatigue, torsion, pause pseudo, et fluage - fournissent des informations cruciales sur la façon dont les matériaux se comporteront sous différents types de contraintes.
Chaque test répond à un objectif unique, qu'il s'agisse d'évaluer la résistance d'un matériau à la traction, compression, stress cyclique, forces de torsion, ou déformation à haute température.
En comprenant les forces et les faiblesses des matériaux à travers ces tests, les ingénieurs peuvent prendre des décisions plus éclairées lors de la sélection de matériaux pour des applications spécifiques.
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