MÉTALLOGRAPHIEEssais mécaniques

Les propriétés mécaniques des métaux et alliages sont d'un intérêt considérable puisqu'elles conditionnent non seulement tous les problèmes de mise en forme des matériaux mais aussi leur comportement en service dans des applications extrêmement diversifiées. Pour un problème déterminé, le choix d'un matériau dépendra de propriétés mécaniques telles que résistance, dureté ou ductilité, et il est donc nécessaire de les mesurer avec un certain nombre d'expériences que l'on appelle les essais mécaniques.

Ces essais ont plusieurs objectifs :

– Ils permettent, tout d'abord, d'étudier les lois physiques qui régissent le comportement mécanique des matériaux et constituent à ce titre un outil de recherche très efficace.

– Ils conduisent à des expériences où l'on reproduit le mieux possible les conditions d'emploi prévues d'un matériau particulier, sous une forme simplifiée et normalisée, ce qui permet de déterminer ainsi la plupart des propriétés mécaniques ; les résultats obtenus aidant par ailleurs à la mise au point de matériaux nouveaux et d'applications plus vastes.

– Ils servent, d'autre part, à dresser des tables de valeurs des différentes caractéristiques mécaniques destinées à la fois à l'ingénieur qui réalise un projet et au chercheur penché sur une étude particulière.

– Ils déterminent, enfin, si un alliage est conforme aux propriétés requises. Ce type d'essai est fréquemment utilisé dans l'industrie : c'est l'essai de contrôle dont l'objectif est d'obtenir avec rapidité des renseignements courants sur la qualité des produits, la précision étant reléguée au second plan. L'analyse des résultats est alors pour une grande part un problème de statistique.

Les essais mécaniques peuvent se diviser en deux grands groupes :

– Le premier correspond aux essais qui ne dépendent pas du temps de façon fondamentale : l'essai de traction ou de compression détermine l'aptitude à la déformation d'un matériau soumis à un effort variable ; l'essai de dureté fournit des renseignements sur la résistance à la pénétration d'une pièce dure soumise à un effort constant et l'essai de résilience caractérise sa résistance au choc.

– Dans le second groupe, qui rassemble les essais où le temps est un facteur principal, l'essai de fatigue étudie le comportement du métal vis-à-vis de sollicitations alternées bien inférieures à sa charge de rupture, l'essai de fluage mesure la déformation, en fonction du temps, du métal sous charge constante à température élevée, et le frottement intérieur met en évidence la dissipation d'énergie par un corps en vibration.

Tous ces essais, qui mettent en œuvre des techniques particulières, sont en relation étroite avec la structure des matériaux et permettent de prévoir leur comportement dans des conditions réelles d'utilisation.

Essais indépendants du temps

Traction

L'essai de traction est, depuis bien des années, le procédé expérimental le plus largement utilisé dans l'étude du comportement mécanique. Il permet l'étude détaillée des propriétés mécaniques de base, et il est à l'origine de la plupart des connaissances actuelles. En outre, son interprétation est simple lorsqu'il est complété par des observations micrographiques, optiques et électroniques, qui renseignent sur les modes de déformation mis en jeu.

Principe

L'essai de traction consiste à appliquer à un échantillon cylindrique ou prismatique, de forme et de dimensions standardisées, un effort de traction F et à mesurer l'allongement correspondant Δl, ou bien à imposer un allongement constant Δl et à mesurer l'effort de traction F. En portant ces deux valeurs sur un diagramme, on obtient la courbe expérimentale de traction du matériau étudié. Cependant, afin d'éliminer l'influence de la géométrie des échantillons sur les résultats et de pouvoir interpréter ceux-ci, on porte en général sur le diagramme non pas F et Δl, mais la contrainte σ et la déformation ε. La contrainte appliquée σ est l'effort de traction F divisé par la section initiale de l'éprouvette S₀ : σ = F/S₀ ; la déformation ε est le rapport entre l'allongement Δl et la longueur initiale de l'échantillon l₀ : ε = Δl/l₀. Une courbe de traction σ, ε se compose de deux parties. La première rectiligne OA correspond au domaine élastique : la contrainte varie linéairement avec la déformation suivant la loi de Hooke : σ = kε, le coefficient de proport [...]

Courbe de traction : schéma

Schéma d'une courbe de traction 

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Courbe de traction : schéma
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Traction d'un acier doux et d'un alliage Al-Mg
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Caractéristiques mécaniques de divers matériaux
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Résistances à la traction et à la compression de quelques matériaux
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