Qu'est-ce qui fait qu'un matériau convient à une application technique spécifique ? La réponse réside dans la compréhension de ses propriétés. Cet article traite de 11 propriétés essentielles des matériaux, telles que la résistance mécanique, la résilience et la conductivité thermique, et donne un aperçu de leurs définitions, de leur signification et de leurs implications pratiques. À la fin de l'article, vous comprendrez comment ces propriétés influencent les performances des matériaux et leur rôle essentiel dans la conception et la fabrication.
L'engouement : La craquelure est un type de défaut qui se produit dans le processus de déformation des matériaux polymères. Elle apparaît sous la forme d'une couleur argentée en raison de sa faible densité et de sa forte réflectivité à la lumière. Les craquelures apparaissent dans les parties faibles ou défectueuses des matériaux polymères.
La superplasticité : Dans certaines conditions, le matériau présente un très grand allongement (environ 1000%) sans collet ni rupture, ce que l'on appelle la superplasticité. La proportion de déformation générée par le glissement des joints de grains, εg, par rapport à la déformation totale, εt, se situe généralement entre 50% et 70%, ce qui indique que le glissement des joints de grains joue un rôle majeur dans la déformation superplastique.
Fracture fragile : Avant la rupture du matériau, il n'y a pas de déformation plastique macroscopique évidente, ni de signes avant-coureurs. Ce processus est souvent soudain et rapide, ce qui le rend très dangereux.
Rupture ductile : Le processus de rupture qui présente une déformation plastique macroscopique évidente avant et pendant la rupture. Dans une fracture ductile, le processus de propagation des fissures est généralement lent et consomme une grande quantité d'énergie de déformation plastique.
Fracture de clivage : La fracture fragile le long d'un plan cristallin spécifique, causée par la destruction des liaisons entre les atomes sous l'effet d'une contrainte normale, est appelée fracture de clivage. L'étape de clivage, la configuration de la rivière et la configuration de la langue sont les caractéristiques microscopiques de base de la fracture de clivage.
Rupture par cisaillement : La rupture par cisaillement est la rupture causée par le glissement et la séparation du matériau le long du plan de glissement sous l'effet d'une contrainte de cisaillement. La rupture par agrégation de micropores est un mode courant de rupture ductile dans les matériaux. La surface de rupture est généralement gris foncé et fibreuse en macro, tandis que la surface de microfissure présente un motif caractéristique de nombreuses "fossettes" réparties sur la surface.
Type de contrainte, degré de déformation plastique, présence ou absence de présage et vitesse de propagation des fissures.
Si le matériau ne subit aucune déformation plastique ou une déformation plastique très faible avant la rupture, et que la rupture fragile se produit sans collet, la contrainte critique, σc, est égale à la contrainte de rupture, σb.
Cependant, si le collet se produit avant la rupture, σc et σb ne sont pas égaux.
La formule de Griffith n'est appropriée que pour les solides fragiles contenant des microfissures, tels que le verre, les matériaux cristallins inorganiques et l'acier à très haute résistance.
Pour de nombreux matériaux structurels d'ingénierie, tels que l'acier de construction et les matériaux polymères, la pointe de la fissure subit une déformation plastique importante, qui consomme une grande quantité d'énergie de déformation plastique.
La formule de Griffith doit donc être modifiée pour tenir compte de ce phénomène.
Le rapport entre la contrainte de cisaillement maximale, τmax, et la contrainte normale maximale, σmax, est appelé coefficient de souplesse de l'état de contrainte, noté α.
Plus α est grand, plus la composante maximale de la contrainte de cisaillement est importante, ce qui indique un état de contrainte plus souple et une plus grande facilité de déformation plastique dans le matériau.
Inversement, plus α est petit, plus l'état de contrainte devient dur, conduisant à une fracture plus fragile.
Lorsqu'une éprouvette présente une entaille, sa limite d'élasticité est plus élevée que celle d'une éprouvette soumise à une tension uniaxiale en raison de la présence d'une contrainte triaxiale, ce qui est appelé le phénomène de "renforcement de l'entaille".
Toutefois, ce "renforcement par entaille" ne peut être considéré comme une méthode de renforcement des matériaux, car il résulte uniquement de la déformation plastique du matériau sous l'effet d'une contrainte tridimensionnelle.
Dans ce cas, la valeur de σs propre au matériau reste inchangée.
Révisé :
En cas de tension unidirectionnelle, la composante normale de la contrainte est importante tandis que la composante de cisaillement est faible, ce qui entraîne un état de contrainte dure.
Ce test est généralement appliqué aux matériaux présentant une faible résistance à la déformation plastique et à la coupe, c'est-à-dire aux matériaux plastiques.
La compression unidirectionnelle a un coefficient de souplesse de l'état de contrainte de a=2, et est principalement utilisée pour tester les matériaux fragiles.
Les essais de flexion ne souffrent pas de la déflexion de l'échantillon qui se produit lors des essais de traction.
En flexion, la distribution des contraintes sur la section transversale atteint son maximum à la surface, ce qui en fait un moyen efficace de refléter les défauts de surface dans les matériaux.
Essai de torsion : Le coefficient de souplesse de l'état de contrainte en torsion est plus élevé que celui en tension, ce qui en fait une méthode efficace pour évaluer la résistance et la plasticité des matériaux qui sont fragiles en tension.
Dans l'essai de torsion, la distribution des contraintes sur la section de l'échantillon est la plus élevée à la surface, ce qui rend l'essai très sensible aux caractéristiques du matériau. durcissement de la surface et des défauts de surface.
L'essai de torsion produit une contrainte normale et une contrainte de cisaillement à peu près égales.
La surface de rupture dans l'essai de torsion est perpendiculaire à l'axe de l'échantillon et est souvent utilisée pour évaluer les matériaux plastiques.
Dans le cas d'une fracture normale, l'angle entre la surface de rupture et l'axe de l'échantillon est d'environ 45 degrés, ce qui est dû à la contrainte normale. Les matériaux fragiles présentent souvent ce type de surface de rupture.
Le principe de l'essai de dureté Vickers est similaire à celui de l'essai de dureté de l'acier. Dureté Brinell car les deux méthodes calculent les valeurs de dureté sur la base de la charge par unité de surface de l'indentation.
La principale différence entre les deux essais est le type de pénétrateur utilisé. Dans l'essai de dureté Vickers, on utilise un pénétrateur pyramidal en diamant avec un angle de 136 degrés entre les côtés opposés. En revanche, l'essai de dureté Brinell utilise une bille d'acier trempé ou une bille de verre. alliage dur comme pénétrateur.
Avantages de l'essai de dureté Brinell :
La grande surface d'indentation de l'essai de dureté Brinell permet de refléter la performance moyenne de chaque phase constitutive sur une grande surface, et les résultats de l'essai sont stables et hautement reproductibles.
Par conséquent, l'essai de dureté Brinell est particulièrement adapté à la mesure de la dureté de matériaux tels que fonte grise et les alliages pour roulements.
Inconvénients de l'essai de dureté Brinell :
Le grand diamètre d'indentation de l'essai de dureté Brinell le rend généralement inadapté à l'inspection directe des produits finis.
En outre, la nécessité de remplacer le diamètre du pénétrateur et la charge pour les matériaux de dureté variable, ainsi que l'inconvénient de mesurer le diamètre de l'indentation, sont des inconvénients supplémentaires de l'essai.
Avantages de l'essai de dureté Rockwell :
Fonctionnement simple et rapide ;
L'empreinte est faible et la pièce peut être inspectée directement ;
Inconvénients :
Mauvaise représentation due à une petite indentation ;
Les valeurs de dureté mesurées avec différentes échelles ne peuvent être ni directement comparées ni échangées.
L'essai de dureté Vickers présente de nombreux avantages :
Mesures précises et fiables ;
Vous pouvez sélectionner n'importe quelle charge.
En outre, la dureté Vickers ne présente pas le problème de l'impossibilité d'unifier la dureté des différentes échelles de dureté Rockwell, et l'épaisseur de l'éprouvette est plus fine que celle de la dureté Rockwell.
Inconvénients de l'essai de dureté Vickers :
Sa méthode de mesure est fastidieuse, son efficacité est faible, la zone d'empreinte est petite et sa représentativité est médiocre, de sorte qu'il n'est pas adapté à l'inspection de routine de la production de masse.
Lecture connexe : Dureté des métaux : Le guide définitif
Lorsque la température pendant l'essai descend en dessous d'une certaine température, tk (la température de transition ductile-fragile), les matériaux tels que les métaux et les alliages à cristaux hexagonaux bcc ou très serrés, en particulier les aciers de construction à moyenne et faible résistance couramment utilisés dans l'ingénierie, passent d'un état ductile à un état fragile, ce qui entraîne une diminution significative de l'énergie d'absorption de l'impact.
Cette transition se caractérise par un changement du mode de rupture, qui passe de l'agrégation de micropores au clivage transgranulaire, et par un changement de l'aspect de la rupture, qui passe de fibreux à cristallin, un phénomène connu sous le nom de fragilité à basse température.
À des températures inférieures à la température de transition entre ductilité et fragilité, la résistance à la rupture est inférieure à la résistance à l'éclatement. limite d'élasticitéce qui se traduit par un comportement fragile à basse température.
A. Influence de la structure cristalline : Les métaux cubiques centrés sur le corps et leurs alliages sont fragiles à basse température, tandis que les métaux cubiques centrés sur la face et leurs alliages ne sont généralement pas fragiles à basse température.
La fragilité à basse température des métaux BCC peut être étroitement liée au phénomène de déformation tardive.
B. L'influence de la composition chimique : la teneur en éléments solutés interstitiels augmente, l'énergie supérieure diminue et la température de transition ductile et fragile augmente.
C. Influence de la microstructure : l'affinage du grain et de la structure peut accroître la ténacité des matériaux.
D. Influence de la température : Il est relativement complexe et cassant (cassant bleu) à l'intérieur d'une certaine plage de température.
E. Effet du taux de chargement : Augmenter le taux de charge revient à abaisser la température, ce qui accroît la fragilité du matériau et augmente la température de transition entre la fragilité et la ductilité.
F. Influence de la forme et de la taille de l'échantillon : plus le rayon de courbure de l'encoche est faible, plus le tk est élevé.
Les joints de grains servent de résistance à la propagation des fissures.
La réduction du nombre de dislocations au niveau de l'empaquetage de la limite du pré-grain permet de réduire la concentration de contraintes.
Une augmentation de la surface totale des joints de grains réduit la concentration d'impuretés le long des joints de grains, réduisant ainsi la probabilité d'une rupture fragile intergranulaire.
Lorsque la contrainte de travail des grandes pièces n'est pas élevée, voire très inférieure à la limite d'élasticité, il se produit souvent une rupture fragile, appelée rupture fragile sous faible contrainte.
Le KIC (facteur d'intensité du champ de contrainte-déformation à la pointe de la fissure dans le corps de la fissure) est une mesure de la ténacité à la rupture en cas de déformation plane et représente la capacité d'un matériau à résister à la propagation instable d'une fissure dans des conditions de déformation plane.
JIc (l'énergie de déformation à la pointe de la fissure) est également connue sous le nom de ténacité à la rupture et représente la capacité d'un matériau à résister à l'amorçage et à la propagation d'une fissure.
GIc représente l'énergie consommée par unité de surface pour empêcher la propagation de fissures instables dans un matériau.
δC (déplacement de l'ouverture de la fissure), également connu sous le nom de ténacité du matériau, indique la capacité d'un matériau à empêcher l'expansion de la fissure de commencer.
Le KI et le KIC sont deux concepts distincts.
KI est un paramètre mécanique qui représente la force du champ de contrainte-déformation à la pointe de la fissure dans le corps de la fissure et qui dépend de la contrainte appliquée, de la taille de l'échantillon et du type de fissure, mais qui est indépendant du matériau.
D'autre part, le CCI est un indice de propriété mécanique du matériau qui dépend de facteurs internes tels que la composition et la structure, mais qui n'est pas affecté par des facteurs externes tels que la contrainte appliquée et la taille de l'échantillon.
La relation entre KI et KIC est similaire à celle entre σ et σs, où KI et σ sont des paramètres mécaniques, et KIC et σs sont des indices de propriétés mécaniques des matériaux.
(1) Ce type de rupture est une rupture soudaine et inattendue qui se produit sans déformation plastique perceptible avant le début de la crise. défaillance due à la fatigue et se caractérise par une rupture fragile.
(2) Défaillance par fatigue est un type de fracture différée à faible contrainte.
(3) La fatigue est très sensible aux défauts tels que les entailles, les fissures et les défauts structurels.
(4) Les formes de fatigue peuvent être classées de plusieurs manières.
Selon l'état de contrainte, les formes de fatigue comprennent la fatigue de flexion, la fatigue de torsion, la fatigue de tension et de compression, la fatigue de contact et la fatigue composite.
Sur la base du niveau de contrainte et de la durée de vie de la fracture, la fatigue peut être classée en deux catégories : la fatigue à cycle élevé et la fatigue à cycle faible.
Source de fatigue, zone de croissance des fissures de fatigue et zone de rupture transitoire.
σ-1 (résistance à la fatigue) représente la résistance à la fatigue à l'infini des échantillons lisses, qui convient à la conception et à la vérification traditionnelles de la résistance à la fatigue ;
ΔKth (valeur seuil de la croissance des fissures de fatigue) représente la performance de fatigue à durée de vie infinie de l'échantillon fissuré, qui convient à la conception et à la vérification de la résistance à la fatigue des pièces fissurées.
L'usure par adhérence, l'usure par abrasion, l'usure par corrosion et l'usure par piqûre (fatigue de contact).
Usure par adhérence : La surface d'usure est caractérisée par des croûtes de différentes tailles sur la surface des pièces.
Usure abrasive : rainure formée par une éraflure ou un sillon évident sur une surface de frottement.
Contact fatigue : la surface de contact présente de nombreuses piqûres (pockmarks), dont certaines sont profondes, et des lignes de croissance des fissures de fatigue sont visibles au fond.
C'est exact. Parce que l'usure est inversement proportionnelle à la dureté.
La contrainte résiduelle de compression de la couche superficielle est augmentée tandis que la couche superficielle est réduite. la résistance et la dureté sont augmentées.
Température spécifique approximative : T/Tm
Fluage : il s'agit de la déformation plastique progressive d'un matériau sous l'influence d'une température et d'une charge constantes sur une période de temps prolongée.
Résistance à l'endurance : Ce terme désigne la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter sans subir de rupture par fluage, à une température spécifique et dans un délai déterminé.
Limite de fluage : elle représente la résistance d'un matériau à la déformation par fluage à haute température.
Stabilité à la relaxation : Le terme utilisé pour décrire la capacité d'un matériau à résister à la relaxation des contraintes est appelé stabilité à la relaxation.
Les principaux mécanismes de déformation par fluage dans les matériaux sont le glissement des dislocations, la diffusion atomique et le glissement des joints de grains.
Pour les matériaux polymères, l'étirement de la chaîne moléculaire sous l'effet d'une force extérieure est également un facteur contribuant au fluage.
La rupture intercristalline est une forme courante de rupture par fluage, en particulier à des températures élevées et à des niveaux de contrainte faibles. En effet, la résistance des grains polycristallins et des joints de grains diminue avec la température, mais cette dernière diminue plus rapidement, ce qui entraîne une résistance des joints de grains inférieure à celle des grains à haute température.
Il existe deux modèles pour expliquer la rupture des joints de grains : le modèle du glissement des joints de grains et de la concentration des contraintes, et le modèle de l'agrégation des vides.
Le mécanisme de déformation plastique des métaux est basé sur le glissement et le jumelage.
Le mécanisme de déformation par fluage des métaux est principalement régi par le glissement des dislocations, le fluage par diffusion et le glissement des joints de grains.
À haute température, la température élevée permet l'activation thermique des atomes et des vides, ce qui permet aux dislocations de se déplacer et de continuer à provoquer une déformation par fluage.
Sous l'influence d'une force extérieure, un champ de contrainte inégal est généré dans le cristal, entraînant des différences d'énergie potentielle entre les atomes et les espaces vides. Il en résulte une diffusion directionnelle d'une énergie potentielle élevée vers une énergie potentielle faible.
Pour les matériaux solides, la capacité thermique n'est pas influencée de manière significative par la structure du matériau.
Lors d'une transition de phase du premier ordre, la courbe de capacité thermique change brusquement et prend une valeur infinie.
Dans une transformation de phase du deuxième ordre, le changement se produit progressivement sur une plage de température spécifique et aboutit à une capacité thermique maximale finie.
Les matériaux amorphes ont une faible conductivité thermique car leur structure ordonnée à courte portée peut être considérée comme un cristal avec des grains extrêmement petits.
En raison de la petite taille des grains et des nombreux joints de grains, les phonons sont facilement dispersés, ce qui réduit considérablement la conductivité thermique.
Sous l'action d'un champ magnétique, le mouvement orbital des électrons dans la matière produit le diamagnétisme.
Détermination de la courbe de solubilité maximale dans le diagramme de phase de l'alliage :
En utilisant la règle selon laquelle les solutions solides monophasées présentent un paramagnétisme plus élevé que les structures mixtes biphasées et la relation linéaire entre le paramagnétisme du mélange et la composition de l'alliage, la solubilité maximale d'un alliage à une température spécifique et la courbe de solubilité de l'alliage peuvent être déterminées.
Enquête sur la décomposition des Alliages d'aluminium:
La transition ordre-désordre, la transition isomérique et la température de recristallisation ont été étudiées pour mieux comprendre la décomposition des alliages d'aluminium.
Pour qu'un métal présente un ferromagnétisme, il faut non seulement que ses atomes aient des moments magnétiques de spin non nuls, mais aussi que ces moments s'alignent spontanément et génèrent une magnétisation spontanée.
Les matériaux magnétiques doux ont une boucle d'hystérésis étroite et sont caractérisés par une conductivité magnétique élevée et un faible Hc. En revanche, les matériaux magnétiques durs ont une boucle d'hystérésis épaisse, un Hc, un Br et un (BH)m élevés.
Dans un métal, le champ électrique créé par les ions positifs est uniforme et il n'y a pas d'interaction entre les électrons de valence et les ions. Ce champ est considéré comme une propriété de l'ensemble du métal et permet la libre circulation des électrons dans tout le métal.
Selon la théorie quantique des électrons libres, les électrons internes de chaque atome du métal conservent l'état énergétique d'un seul atome, tandis que les électrons de valence ont des états énergétiques différents en raison de la quantification et possèdent des niveaux d'énergie distincts.
La théorie des bandes d'énergie reconnaît également que les électrons de valence dans les métaux sont partagés et quantifiés en énergie, mais elle suggère que le champ potentiel créé par les ions dans les métaux n'est pas uniforme, mais change périodiquement.
L'augmentation de la température intensifie la vibration ionique et augmente l'amplitude de la vibration thermique, ce qui entraîne une augmentation du désordre atomique, une réduction du mouvement des électrons et une augmentation de la probabilité de diffusion. Ces facteurs entraînent une augmentation de la résistivité.
Dans les semi-conducteurs, la conduction est principalement assurée par les électrons et les trous. Une augmentation de la température accroît l'énergie cinétique des électrons, ce qui entraîne une augmentation du nombre d'électrons et de trous libres dans le cristal, et donc une augmentation de la conductivité et une diminution de la résistance.
(1) Température de transition critique Tc
(2) Champ magnétique critique Hc
(3) Densité de courant critique Jc
La modification de la microstructure des métaux et des alliages est étudiée en mesurant la variation de la résistivité.
(1) Mesurer la courbe de solubilité de la solution solide
(2) Mesurer la température de transformation de l'alliage à mémoire de forme.
Effet thermique, effet photosensible, effet sensible à la pression (sensible à la tension et sensible à la pression), effet magnétique sensible (effet Hall et effet de magnétorésistance), etc.
Les pannes électriques, les pannes thermiques et les pannes chimiques.
Propriétés optiques linéaires : Lorsque la lumière d'une seule fréquence est incidente sur un milieu transparent qui n'absorbe pas la lumière, sa fréquence ne change pas. Lorsque de la lumière de fréquences différentes arrive en même temps sur le support, il n'y a pas d'interaction entre les ondes lumineuses et aucune nouvelle fréquence n'est produite.
Lorsque deux faisceaux de lumière se croisent, s'il s'agit de lumière cohérente, il y a interférence. S'il s'agit de lumière incohérente, seule l'intensité de la lumière se combine, selon le principe de superposition linéaire.
Les autres propriétés optiques comprennent la réfraction, la dispersion, la réflexion, l'absorption et la diffusion.
Il n'est pas pratique d'utiliser les métaux pour l'optique à lumière visible car ils absorbent fortement la lumière visible. En effet, les électrons de valence des métaux occupent une bande incomplète et, après avoir absorbé des photons, se trouvent dans un état excité. Ils peuvent transférer de l'énergie par collision et produire de la chaleur, mais ne passent pas dans la bande de conduction.
La lumière incidente est forte ;
Exigences de symétrie des cristaux ;
Correspondance des phases.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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