Dans cet article de blog, nous examinerons les concepts de base de la « courbe contrainte-déformation technique », la différence entre la contrainte-déformation normale et la contrainte-déformation réelle, ainsi que les propriétés des matériaux qui peuvent être déterminées à partir de cette courbe.
Le choix des matériaux pour la fabrication de produits en milieu industriel exige des connaissances en ingénierie. Que se passerait-il, par exemple, si un support conçu pour maintenir un objet se cassait trop facilement, ou si un ressort ne reprenait pas sa forme initiale après avoir été étiré, faute d'une force de rappel suffisante, et restait déformé de façon permanente ? Dans de tels cas, il est impératif d'analyser immédiatement la cause du problème et de trouver un matériau plus adapté. On peut éviter ce genre de désagréments en sélectionnant les matériaux en se basant sur une compréhension mécanique de leurs propriétés.
L'aspect fondamental de la compréhension mécanique d'un matériau réside dans la détermination de sa résistance aux forces. Pour vérifier la durabilité d'un matériau, après sa fabrication, on réalise des expériences en lui appliquant une force afin de déterminer sa limite de résistance, puis on représente les résultats sur un graphique. La représentation la plus simple est celle d'une courbe contrainte-déformation.
Que sont la contrainte et la déformation ? La contrainte désigne la force appliquée par unité de surface lorsqu'une force est appliquée à un matériau, tandis que la déformation désigne le rapport entre la longueur allongée et la longueur initiale lorsque le matériau se déforme sous l'effet de cette force. Sur une courbe contrainte-déformation, l'axe des abscisses représente la déformation et l'axe des ordonnées la contrainte. Ce graphique permet de déterminer la déformation d'un matériau en fonction de la force appliquée par unité de surface. Même pour un même matériau, utilisé à diverses fins et dans des dimensions différentes, la courbe contrainte-déformation permet de tracer des graphiques différents selon la taille de l'échantillon utilisé lors des expériences, en représentant le degré de déformation en fonction de la force par unité de surface.
Il existe deux types de courbes contrainte-déformation : les courbes contrainte-déformation conventionnelles et les courbes contrainte-déformation réelles. Ces courbes servent à calculer la contrainte et la déformation afin d'analyser les données recueillies lors de l'application d'une force à un matériau pour induire sa déformation. Cependant, lors de la déformation du matériau, la section transversale sur laquelle la force est appliquée (base de la contrainte) et la longueur initiale (base de la déformation) varient continuellement. Le calcul des courbes contrainte-déformation réelles implique le calcul continu de ces valeurs tout en mesurant avec précision la section transversale et la longueur initiales, qui varient constamment. Toutefois, la réalisation d'une expérience permettant de déterminer en continu ces valeurs variables est extrêmement difficile. Par conséquent, dans de nombreux cas, ces variations sont négligées et la contrainte et la déformation sont calculées à partir de la section transversale et de la longueur initiales ; on parle alors de courbe contrainte-déformation conventionnelle.
Le graphique suivant illustre la forme typique d'une courbe contrainte-déformation conventionnelle. La partie linéaire bleue initiale représente la zone de déformation élastique. La déformation élastique désigne une déformation au cours de laquelle le matériau retrouve son état initial après la suppression de la force appliquée. Dans cette zone, la déformation se produit lors de l'application d'une force, mais comme les liaisons entre les atomes ou les molécules du matériau restent intactes, celui-ci retrouve son état initial une fois la force supprimée. La partie courbe qui suit la ligne droite bleue représente la zone de déformation plastique. La déformation plastique désigne une déformation au cours de laquelle, sous l'effet d'une force et d'une déformation significative, les liaisons existantes entre les atomes sont rompues et de nouvelles liaisons se forment, de sorte que même après la suppression de la force, le matériau ne retrouve pas son état initial. Si une force est appliquée jusqu'à ce point, les déformations élastique et plastique se produisent simultanément, et si la force est ensuite supprimée, le matériau ne retrouvera son état initial que dans la limite de la déformation élastique.
La courbe présente une augmentation, puis une diminution après un certain point. Ce point, où la contrainte est maximale, correspond à la contrainte de rupture. Au-delà de ce point, le matériau subit une déformation irréversible et finit par se rompre au point marqué d'un « X ». (Imaginez que vous étirez un morceau de caramel mou : le centre s'amincit avant de se casser.) Autrement dit, la contrainte de rupture représente la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter. De plus, en traçant une perpendiculaire depuis le point marqué d'un « X » jusqu'à l'axe des abscisses et en intégrant l'aire sous la courbe, on peut déterminer la force que le matériau peut supporter avant de se rompre. C'est ce qu'on appelle la ténacité. De plus, en examinant la courbe contrainte-déformation standard, vous pouvez identifier les régions de déformation uniforme et de déformation non uniforme (la région où la déformation se produit dans l'ensemble du matériau et la région où la déformation se produit dans des zones spécifiques soumises à une contrainte plus élevée en raison d'entailles ou d'autres défauts), et obtenir des données telles que la contrainte de plasticité décalée, qui marque la limite entre la déformation élastique et la déformation plastique.
Comprendre la courbe contrainte-déformation permet d'appréhender d'un coup d'œil les propriétés fondamentales d'un matériau et, par conséquent, de minimiser les tâtonnements lors du choix et de la fabrication du matériau le plus adapté au produit. Par exemple, le cuivre se déforme facilement, même sous de faibles contraintes, mais ne se rompt pas facilement ; il est donc utilisé pour des pièces telles que les câbles qui nécessitent une déformation importante sans que la résistance soit un facteur limitant. À l'inverse, le fer présente une vitesse de déformation inférieure à celle du cuivre et ne se rompt pas facilement ; il est donc utilisé comme structure pour les ouvrages exigeant un support robuste. Lors de la recherche sur la création d'un matériau en fonction de ses propriétés requises, l'utilisation de ces données est extrêmement utile car elle permet d'identifier rapidement et facilement les points faibles du matériau créé et les aspects à améliorer.
