Le comportement mécanique des solides
Les sollicitations mécaniques des solides
La mécanique des solides sépare trois sollicitations élémentaires, à partir desquelles on définira des grandeurs mécaniques spécifiques :
La tension/compression uni axiale. La sollicitation se fait le long d'une direction.
Le cisaillement (torsion).
La compression uniforme. Effet d'une pression uniforme sur toute la surface du matériau.
Effets d'une sollicitation mécanique
Sous l'effet d'une sollicitation mécanique croissante, trois phénomènes sont susceptibles de se succéder.
1. La déformation élastique.
Tous les matériaux sont concernés ! La déformation élastique est universelle, même si elle est d'ampleur très variable. Sous l'effet d'une contrainte extérieure, le matériau se déforme sous charge, mais revient à sa forme initiale si la charge disparaît.
L'origine de ce phénomène est la modification de la distance entre atomes impliqués dans une liaison chimique.
Les liaisons ioniques et covalentes sont très rigides. Les matériaux qui possèdent ce type de liaisons (les céramiques par exemple) ont un comportement élastique très « raide ».
Les métaux possèdent des liaisons moins rigides et se déformeront plus facilement.
Le comportement des polymères est du aux liaisons faibles qui s'exercent entres chaînes. Il sera caractérisé par une grande déformation élastique sous faible charge.
2. La déformation plastique.
Ce phénomène n'est pas fréquent et concerne les seuls métaux et alliages.
Rappelons que ces matériaux sont tous cristallisés. La déformation plastique, ou ductilité, est la conséquence du mouvement de défauts à l'intérieur de l'édifice cristallin. On démontre que, dans le cas des métaux, ces défauts sont très nombreux, très mobiles et se multiplient sous l'effet d'une contrainte extérieure.
Même s'il s'agit de phénomènes physiques très ténus, actifs au niveau de quelques atomes, le résultat macroscopique est spectaculaire. On observe le changement de forme définitif, à volume constant, de la pièce métallique.
On dit alors que la pièce déformée plastiquement, ou écrouie, et qu'elle a été déformée par écrouissage (quel que soit le type de sollicitation).
La déformation plastique s'accompagne d'un effet secondaire très important : le durcissement par écrouissage.
Tous les essais mécaniques le montrent : une pièce déformée plastiquement durcit. C'est-à-dire qu'il faut continuellement augmenter la contrainte extérieure pour poursuivre la déformation. Les applications de ce phénomène heureux sont très nombreuses, et c'est de cette façon qu'on améliore la résistance de nombreux matériaux bon marché.
3. La rupture.
Hélas, quand la sollicitation est suffisante, ce phénomène n'épargne aucun matériau, mais il existe deux modes de rupture bien différents.
La rupture fragile.
C'est le cas le plus répandu. Toutes les liaisons de la section sous contrainte se rompent presque simultanément et une fissure fatale se propage à très grande vitesse, sans avoir besoin d'une énergie extérieure et sans pouvoir être stoppée.
En fait, c'est la déformation élastique précédant la rupture qui a stocké suffisamment d'énergie pour assurer la propagation de la fissure.
Exemple :
les matériaux les plus fragiles sont les céramiques amorphes appelées verres, comme nos verres de silicates qui forment les vitrages, les verres à boire et bien d'autres objets, qui sont tous fragiles. De plus, ces matériaux sont très sensibles à l'effet d'entaille : au fond d'une rayure de surface, une contrainte extérieure, qu'on croyait sans danger, se trouve amplifiée et peut dépasser la valeur limite de rupture.
Aussi, le verre poli (sans fissure) est beaucoup moins fragile qu'un verre décoré ou dépoli.
La rupture ductile.
Mais il y a aussi le cas très différent des matériaux ductiles.
Après la période de déformation plastique, le matériau atteint un écrouissage limite et se déforme localement intensément, en général dans une région localisée dite de striction, qui finit par se déchirer. La progression de ce déchirement ne peut se faire que si la contrainte extérieure est présente, et si la contrainte diminue, la rupture s'arrête.
La rupture ductile absorbe beaucoup d'énergie car la surface nouvelle que crée le déchirement se forme après un intense écrouissage.
Les matériaux présentant une rupture ductile sont très recherchés car ils apportent une sûreté de comportement très importante en cas de surcharge et sont peu sensibles à l'effet d'entaille.
Remarque :
C'est la ténacité qui est la propriété mécanique correspondante. Tenace signifie : qui absorbe beaucoup d'énergie extérieure pour se déchirer, donc qui ne casse pas brutalement.
Exemple :
les métaux très peu alliés et très déformables constituent les records de ténacité. Cuivre, Nickel, certains aciers inoxydables (austénitiques,) mais aussi de nombreux aciers « doux » utilisés dans l'emboutissage de tôles minces (carrosserie).
De nombreux polymères très déformables sont également très tenaces : c'est le cas des polyéthylènes, polypropylènes, polyamides et quelques polyesters.
