Comprendre et mesurer les matériaux

La compréhension des propriétés physiques des matériaux est cruciale dans de nombreuses industries, car elle permet le développement et l'amélioration de matériaux adaptés à des applications spécifiques :

Aérospatiale : Dans l'industrie aérospatiale, les matériaux doivent être en mesure de résister à des conditions extrêmes, telles que des températures élevées, des contraintes élevées et des environnements corrosifs. Les matériaux à rapport résistance/poids élevé, tels que le titane et les composites en fibre de carbone, sont souvent utilisés dans la construction d'avions et de vaisseaux spatiaux.
Automobile : Dans l'industrie automobile, les matériaux doivent être en mesure de résister à une large gamme de conditions, notamment des contraintes élevées, des températures élevées et une exposition à des produits chimiques et à des environnements corrosifs. Les matériaux à rapport résistance/poids élevé, tels que l'aluminium et l'acier à haute résistance, sont souvent utilisés dans la construction de véhicules pour améliorer l'efficacité énergétique et réduire les émissions.
Construction : Dans l'industrie de la construction, les matériaux doivent être en mesure de résister à une large gamme de conditions, notamment des contraintes élevées, des températures élevées et une exposition à des produits chimiques et à des environnements corrosifs. Les matériaux à haute résistance et durabilité, tels que le béton, l'acier et la brique, sont souvent utilisés dans la construction de bâtiments et d'autres structures.
Électronique : Dans l'industrie électronique, les matériaux doivent être en mesure de conduire l'électricité et de résister à une large gamme de conditions, notamment des températures élevées et une exposition à des produits chimiques. Les matériaux à haute conductivité électrique, tels que le cuivre et l'or, sont souvent utilisés dans la construction de dispositifs électroniques.

Mesurer les matériaux

Dans le langage courant, on dit qu'un matériaux ou objet est "solide" ou "fragile". Cependant, le verre est par exemple très dur, mais se casse, le plastique est presque incassable mais plus "mou". Dans une approche technique et scientifique, on a besoin de précision, mettons donc cela au clair avec les diférentes "dimensions" de la solidité.

Essai de Traction (tensile strength) : Dans un essai de traction, un échantillon est tiré jusqu'à ce qu'il se brise pour déterminer sa résistance à la traction, son allongement et d'autres propriétés. L'échantillon est étiré et la force nécessaire pour l'étirer est mesurée. Cet essai fournit des informations sur la résistance, la ductilité et la rigidité d'un matériau.
Essai de Compression (compressive strength): Les essais de compression déterminent la réponse d'un matériau à un chargement de type écrasement ou support. L'échantillon est comprimé et la force nécessaire pour le comprimer est mesurée. Cet essai est utilisé pour les matériaux plus résistants à la compression qu'à la traction, comme le béton.
Essais de Cisaillement et de Flexion (flexural or bending) : Les essais de cisaillement indiquent la réponse à la déformation d'un matériau soumis à des forces appliquées de manière tangentielle. Les essais de flexion mesurent la résistance à la traction de matériaux fragiles comme le verre et les céramiques en appliquant une force de flexion créant des contraintes de traction sur un côté de l'échantillon.
Essai d'Impact : Les essais d'impact mesurent la résistance d'un matériau à la rupture dans des conditions de chargement à grande vitesse. L'échantillon est soumis à une charge d'impact et l'énergie absorbée est mesurée. Cet essai est utilisé pour évaluer la ténacité et la ductilité d'un matériau.
Essai de Fatigue : Les essais de fatigue mesurent la résistance d'un matériau à la rupture dans des conditions de chargement cyclique. L'échantillon est soumis à des cycles de charge récurrents et le nombre de cycles jusqu'à la rupture est mesuré. Cet essai est utilisé pour évaluer la durabilité d'un matériau et prédire sa durée de vie en service.
Essai de Dureté : Les essais de dureté mesurent la résistance d'un matériau à l'indentation ou à la pénétration. Un indenteur dur est pressé dans la surface du matériau et la taille ou la profondeur de l'indentation est mesurée. Cet essai fournit des informations sur la résistance et la résistance à l'usure d'un matériau.

Les propriétés des matériaux sont généralement décrites à l'aide des unités suivantes :

Longueur : mètre (m) et unités dérivées comme centimètre (cm), millimètre (mm), micromètre (μm), nanomètre (nm), etc.
Masse : kilogramme (kg) et unités dérivées comme gramme (g), milligramme (mg), etc.
Volume : mètre cube (m³), litre (L), millilitre (mL), centimètre cube (cm³), etc.
Densité : kilogramme par mètre cube (kg/m³), gramme par centimètre cube (g/cm³), etc.
Température : kelvin (K) et Celsius (°C)
Temps : seconde (s) et unités dérivées comme minute (min), heure (h), etc.
Force : newton (N)
Contrainte : pascal (Pa = N/m²) ou unités dérivées comme kilopascal (kPa), mégapascal (MPa), etc.
Énergie : le Joule (J) est l'unité SI d'énergie et est utilisée pour quantifier la quantité d'énergie absorbée par un matériau
Déformation : unité sans dimension (m/m) ou pourcentage (%)
Dureté : Vickers (HV), Brinell (HB), Rockwell (HR), Shore (HS), etc. selon la méthode d'essai
Conductivité électrique : siemens par mètre (S/m) ou unités dérivées comme microsiemens par centimètre (μS/cm) ou souvent exprimé par son inverse, la résistence ohm-metre (Ω⋅m).

Ces essais et unités fournissent une compréhension globale des caractéristiques mécaniques d'un matériau et aident les ingénieurs à sélectionner les matériaux les plus appropriés pour leurs applications.

Élasticité / Plasticité

La déformation élastique et la déformation plastique sont deux types de déformation qui peuvent se produire dans les matériaux lorsqu'ils sont soumis à des forces ou des contraintes externes.

La déformation élastique est un changement temporaire et réversible de la forme ou de la taille d'un matériau. Lorsqu'un matériau est soumis à une force ou à une contrainte qui se trouve dans sa limite élastique, il se déformera élastiquement. Cela signifie que le matériau reviendra à sa forme ou à sa taille d'origine une fois la force ou la contrainte retirée. La déformation élastique est généralement caractérisée par une relation linéaire entre la contrainte appliquée et la déformation résultante, comme décrit par la loi de Hooke.
La déformation plastique, en revanche, est un changement permanent et irréversible de la forme ou de la taille d'un matériau. Lorsqu'un matériau est soumis à une force ou à une contrainte qui dépasse sa limite d'élasticité, il se déformera plastiquement. Cela signifie que le matériau ne reviendra pas à sa forme ou à sa taille d'origine une fois la force ou la contrainte retirée. La déformation plastique est généralement caractérisée par une relation non linéaire entre la contrainte appliquée et la déformation résultante.

La Limite d'élasticité (Yield strength) définit la quantité de contrainte qu'un matériau peut supporter avant de commencer à se déformer plastiquement (c'est-à-dire de manière permanente). Elle est généralement mesurée en unités de force par unité de surface, telles que les psi ou les MPa.

Solidité / Ductilité

La fragilité et la ductilité sont deux propriétés importantes qui décrivent la réponse d'un matériau à la déformation ou au stress.

La fragilité (brittleness) est la tendance d'un matériau à se fracturer ou à se casser sans subir de déformation plastique significative. Les matériaux fragiles sont généralement durs et rigides, mais ils manquent de la capacité d'absorber de l'énergie et de se déformer plastiquement avant la rupture (verre, céramique, fonte).

La ductilité, en revanche, est la capacité d'un matériau à subir une déformation plastique significative avant la rupture. Les matériaux ductiles sont généralement plus mous et plus malléables que les matériaux fragiles, et ils sont capables d'absorber plus d'énergie et de se déformer plastiquement avant la rupture. Cela peut les rendre plus résistants aux chocs et au chargement dynamique (cuivre, aluminium, plastiques).

Déterminer les propriété mécanique

On va pouvoir qualifier les propriétés mécanique d'un matériau au travers de son comportement (plasticité, élasticité) sous différentes contrainte :

compression,
élongation,
flexion,
torsion,

scisaillement (shear),

impact.

Pour chacun de ces tests, on mesure plusieurs grandeurs :

résistance ultime (ultimate strength) en traction, compression et flexion. On spécifie souvent l'UTS, l'ultimate tensile strength, qui est la valeur de contrainte la plus élevée avant la rupture du matériaux. Elle est calculée en divisant la force maximale appliquée pendant le test par la section transversale initiale de l'échantillon.
limite d'élasticité (yield or yield strength) définit la force à partir de laquelle le matériau passe d'une déformation élastique à une déformation plastique. Elle est calculée en déterminant le point sur la courbe contrainte-déformation où le comportement du matériau s'écarte de la linéarité.
alongement à la rupture (elongation at break) est exprimé en pourcent de la taille d'élongation après application de la charge.
module d'élasticité (Young's modulus, noté E) indique la rigidité du matériau en Pa (ou MPa). C'est le ratio entre l'application d'une force et la déformation élastique du matériau. Il est calculé en divisant la contrainte appliquée pendant le test par la déformation résultante, ou le changement de longueur par unité de longueur.

Dans certains matériaux, comme l'aluminium, il y a une apparition progressive de comportement non-linéaire, et il n'y a pas de point de rupture précis. Dans un tel cas, le point de rupture à l'offset (ou la contrainte d'essai) est pris comme étant la contrainte à laquelle se produit une déformation plastique de 0,2 %. On note donc la limite d'élasticité (Rp0,2).

Pour ceux qui ne saisissent pas le module de Young, deux vidéos YouTube élcairent bien le sujet :

une première assez courte qui illustre la comportement moléculaire,
une seconde qui détaille les calculs du module.

L'article anglais de Wikipedia sur la résistance des matériaux détaille bien les différents types de forces et de stress.

Résistance à l'impact

Un essai d'impact est un type d'essai mécanique utilisé pour déterminer la capacité d'un matériau à résister à des contraintes soudaines et élevées, telles que celles qui peuvent survenir lors d'un choc. L'essai consiste à soumettre un échantillon du matériau à un choc contrôlé, puis à mesurer la quantité d'énergie absorbée par le matériau avant qu'il ne se brise ou ne se rompe.

Il existe plusieurs types d'essais d'impact, notamment :

Essai d'impact Izod : Dans cet essai, un échantillon du matériau est serré dans un étau, et un pendule avec une quantité d'énergie fixe est balancé dans l'échantillon, créant une entaille. L'énergie nécessaire pour briser l'échantillon est alors mesurée.
Essai d'impact Charpy : Cet essai est similaire à l'essai d'impact Izod, mais l'échantillon n'est pas entaillé, et le pendule est autorisé à se balancer à travers l'échantillon. L'énergie absorbée par l'échantillon est mesurée lorsqu'il se brise.
Essai d'impact à poids tombant (drop weight) : Dans cet essai, un poids est laissé tomber sur un échantillon du matériau à partir d'une hauteur fixe, et la quantité d'énergie absorbée par le matériau avant qu'il ne se brise est mesurée.
Essai d'impact instrumenté : Cet essai utilise un équipement spécialisé pour mesurer la force, le déplacement et le temps pendant l'événement de choc, fournissant une analyse plus détaillée du comportement du matériau sous contrainte de choc.

Les résultats d'un essai d'impact sont toujours exprimés en Joules et permettent d'évaluer la résistance et la ténacité d'un matériau, ce qui est important dans les applications telles que l'ingénierie automobile et aérospatiale, où les matériaux doivent être capables de résister à des contraintes de choc élevées.

Traction (tensile strength)

Dans un test de traction, un échantillon du matériau est soumis à une charge de traction uniaxiale croissante jusqu'à ce qu'il se brise. La force appliquée et la déformation résultante sont enregistrées, et les données sont utilisées pour calculer la résistance à la traction ultime (UTS pour ultimate tensile strength), la limite d'élasticité et l'allongement du matériau.

Ce test, dont les résultats s'expriment en Pascal (Pa) établit différentes propriétés :

La résistance à la traction ultime (UTS ou Ultimate Tensile Strength) est la capacité du matériau à supporter des charges de traction et est une considération importante dans la conception de structures et de composants.
La limite d'élasticité (Yield strength) est une considération importante dans la conception de composants soumis à des charges cycliques.
L'allongement à la rupture d'un matériau est une mesure de sa ductilité est une considération importante dans la conception de composants soumis à des charges d'impact ou de choc.

Test de compression

Le test de compression est une autre méthode couramment utilisée pour mesurer la résistance et la rigidité des matériaux. Dans un test de compression, un échantillon du matériau est soumis à une charge de compression uniaxiale croissante jusqu'à ce qu'il se brise. La force appliquée et la déformation résultante sont enregistrées, et les données sont utilisées pour calculer la résistance à la compression, la limite d'élasticité et le module d'élasticité du matériau.

La résistance à la compression est une considération importante dans la conception de structures et de composants soumis à des charges de compression, telles que des colonnes, des fondations et des ponts.
La limite d'élasticité est une considération importante dans la conception de composants soumis à des charges cycliques.
Le module d'élasticité est une considération importante dans la conception de structures et de composants soumis à la flexion, à la torsion ou à d'autres types de déformation.

Une considération importante dans les tests de compression est la possibilité de flambement, ou d'instabilité latérale, dans l'échantillon de test. Le flambement peut se produire lorsqu'une colonne ou une poutre mince est soumise à une charge de compression, ce qui l'amène à se plier ou à se déformer sur le côté.

Pour éviter le flambement dans les tests de compression, l'échantillon de test doit être aussi court et rigide que possible, et la charge doit être appliquée aussi près que possible du centre de gravité de l'échantillon.

Test de flexion

Les essais de flexion (bending test ou flexural test), également appelés essais de pliage, sont une méthode utilisée pour mesurer la résistance et la rigidité des matériaux soumis à des charges de flexion.

Dans un essai de flexion, un échantillon du matériau est soumis à une charge croissante qui est appliquée perpendiculairement à son axe longitudinal, ce qui le fait plier. La force appliquée et la déformation résultante sont enregistrées, et les données sont utilisées pour calculer la résistance à la flexion, la limite d'élasticité et le module d'élasticité du matériau.

La résistance à la flexion est une considération importante dans la conception de structures et de composants soumis à des charges de flexion, telles que des poutres, des supports et des plaques.
La limite d'élasticité est une considération importante dans la conception de composants soumis à des charges cycliques.
Le module de Young est une considération importante dans la conception de structures et de composants soumis à la flexion, à la torsion ou à d'autres types de déformation.

Une considération importante dans les essais de flexion est le type de charge et les conditions de support utilisés dans le test. Les types de charge les plus courants sont la flexion à trois points et la flexion à quatre points, qui diffèrent par le nombre de points d'application de la charge. Les conditions de support peuvent également varier, certains tests utilisant des supports simples et d'autres des dispositifs plus complexes. Le choix de la charge et des conditions de support dépend de l'application spécifique et des propriétés les plus importantes pour l'utilisation prévue du matériau.

Les essais de flexion sont un outil précieux pour comprendre le comportement mécanique des matériaux et pour sélectionner des matériaux pour des applications spécifiques. L'utilisation de méthodes d'essai standardisées et d'unités de mesure assure la fiabilité et la comparabilité des résultats des essais de flexion.

Test de dureté

Les essais de dureté sont une méthode utilisée pour mesurer la résistance d'un matériau à la déformation ou à la pénétration. C'est une considération importante dans la conception de composants et de systèmes qui sont soumis à l'usure, aux chocs ou à d'autres types de chargement.

Il existe plusieurs types d'essais de dureté, chacun utilisant une méthode différente pour appliquer une charge au matériau et mesurer sa réponse. Voici quelques-uns des types d'essais de dureté les plus courants :

Essai de dureté Brinell : Dans ce test, une bille en acier trempé ou en carbure est pressée dans la surface du matériau avec une force connue. Le diamètre de l'indentation résultante est mesuré, et le nombre de dureté Brinell (BHN) est calculé en divisant la force appliquée par la surface de l'indentation.
Essai de dureté Vickers : Dans ce test, un indenteur en pyramide de diamant est pressé dans la surface du matériau avec une force connue. La taille de l'indentation résultante est mesurée, et le nombre de dureté Vickers (VHN) est calculé en divisant la force appliquée par la surface de l'indentation.
Essai de dureté Rockwell : Dans ce test, un indenteur en diamant ou en acier est utilisé pour appliquer une charge au matériau en deux étapes. La première étape applique une charge mineure pour établir un datum zéro, et la deuxième étape applique une charge majeure pour créer une indentation. La profondeur de l'indentation est mesurée, et le nombre de dureté Rockwell (RHN) est calculé en fonction de la différence entre le datum zéro et la profondeur finale.
Essai de dureté Shore duromètre : Dans ce test, un indenteur à ressort est utilisé pour mesurer la résistance du matériau à la déformation. L'indenteur est pressé dans la surface du matériau, et la force nécessaire pour enfoncer l'indenteur d'une distance connue est mesurée. Le nombre de dureté Shore duromètre est calculé en fonction de la force nécessaire pour enfoncer l'indenteur.

Le choix de l'essai de dureté dépend de l'application spécifique et des propriétés qui sont les plus importantes pour l'utilisation prévue du matériau. Par exemple, l'essai de dureté Brinell est couramment utilisé pour les grandes sections épaisses de métal, tandis que l'essai de dureté Vickers est souvent utilisé pour les sections plus petites et plus minces. L'essai de dureté Rockwell est couramment utilisé pour les métaux traités thermiquement et l'acier trempé, tandis que l'essai de dureté Shore duromètre est souvent utilisé pour les élastomères et autres matériaux souples.

Propriétés thermiques

Les propriétés thermiques sont un aspect important de la caractérisation des matériaux, car elles peuvent avoir une grande influence sur les performances et le comportement d'un matériau dans une application donnée. Voici quelques-unes des propriétés thermiques les plus couramment utilisées :

Conductivité thermique : il s'agit d'une mesure de la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Les matériaux à haute conductivité thermique, tels que les métaux, sont bons pour transférer la chaleur, tandis que les matériaux à faible conductivité thermique, tels que les isolants, ne le sont pas. La conductivité thermique est généralement mesurée en unités de watts par mètre-kelvin (W/m-K).
Capacité thermique massique : il s'agit d'une mesure de la capacité d'un matériau à stocker la chaleur. Les matériaux à capacité thermique massique élevée, tels que l'eau, peuvent absorber et libérer beaucoup d'énergie thermique sans subir une grande variation de température. Les matériaux à faible capacité thermique massique, tels que les métaux, subiront une variation de température plus importante avec la même quantité d'énergie thermique. La capacité thermique massique est généralement mesurée en unités de joules par kilogramme-kelvin (J/kg-K).
Dilatation thermique (thermal expansion) : il s'agit d'une mesure de la façon dont la taille et la forme d'un matériau changent en réponse aux changements de température. Les matériaux à dilatation thermique élevée, tels que la plupart des métaux, s'étendront et se contracteront davantage avec les changements de température que les matériaux à faible dilatation thermique, tels que les céramiques. La dilatation thermique est généralement mesurée en unités d'inverse de température, telles que par degré Celsius (1/°C) ou par kelvin (1/K).
Point de fusion : il s'agit de la température à laquelle un matériau solide passe à l'état liquide. Le point de fusion est une considération importante dans les applications où un matériau peut être exposé à des températures élevées, telles que dans les composants de moteur ou les ustensiles de cuisine.
Température de transition vitreuse : il s'agit de la température à laquelle un matériau amorphe (non cristallin) passe d'un état dur et vitreux à un état souple et caoutchouteux. La température de transition vitreuse est une considération importante dans les applications où la flexibilité ou la rigidité d'un matériau peut être affectée par la température, telles que dans les polymères ou les élastomères.
Résistance au choc thermique : il s'agit d'une mesure de la capacité d'un matériau à résister à des changements rapides et extrêmes de température sans se fissurer ni se casser. Les matériaux ayant une résistance élevée au choc thermique, tels que certains céramiques, sont souvent utilisés dans les applications qui impliquent des changements soudains de température.

Tg vs HDT

La température de transition vitreuse (Tg glass transition temp) est la température à laquelle un matériau amorphe (non cristallin) passe d'un état dur et cassant à un état souple et élastique. Cette transition est due à la mobilité accrue des chaînes moléculaires du matériau à des températures plus élevées. Tg est une considération importante dans la sélection de matériaux pour les applications qui nécessitent de la flexibilité ou de l'élasticité.

La température de fléchissement sous charge (HDT heat deflection temp), en revanche, est une mesure de la capacité d'un matériau à résister à une certaine charge ou déformation à des températures élevées. HDT est généralement déterminé en soumettant un échantillon du matériau à une charge ou un stress spécifique tout en augmentant progressivement la température.

La température à laquelle l'échantillon se déforme ou se déforme d'un certain montant est enregistrée comme la HDT. HDT est une considération importante dans la sélection de matériaux pour les applications qui impliquent des températures élevées et un stress mécanique, comme dans les industries automobile ou aérospatiale.

En résumé, Tg est une mesure de la transition d'un matériau d'un état dur et cassant à un état souple et élastique, tandis que HDT est une mesure de la capacité d'un matériau à résister à une certaine charge ou déformation à des températures élevées.

Autres propriétés importantes

Voici quelques propriétés supplémentaires des matériaux qui sont importantes à prendre en compte, ainsi qu'une brève explication de chacune d'entre elles :

Conductivité thermique : Il s'agit d'une mesure de la capacité d'un matériau à conduire la chaleur, mesuré en watts par mètre-kelvin (W/m-K). Les matériaux à haute conductivité thermique, tels que les métaux, sont bons pour transférer la chaleur, tandis que les matériaux à faible conductivité thermique, tels que les plastiques et les isolants, sont bons pour empêcher le transfert de chaleur applications telles que l'aérospatiale et l'ingénierie automobile, où des tolérances précises sont requises.
Conductivité électrique : Il s'agit d'une mesure de la capacité d'un matériau à conduire l'électricité, mesuré en siemens par mètre (S/m). Les matériaux à haute conductivité électrique, tels que les métaux, sont bons pour transporter le courant électrique, tandis que les matériaux à faible conductivité électrique, tels que les plastiques et les isolants, sont bons pour empêcher le courant électrique de circuler.
Densité : Il s'agit d'une mesure de la masse d'un matériau par unité de volume, mesuré en grammes par centimètre cube (g/cm3). Les matériaux à haute densité, tels que les métaux, sont plus lourds et plus compacts, tandis que les matériaux à faible densité, tels que les plastiques et les mousses, sont plus légers et moins compacts.
Résistance à l'usure : la capacité d'un matériau à résister à l'usure et à l'abrasion peut être une considération importante dans les applications telles que les roulements, les engrenages et les outils de coupe.
Résistance à la corrosion : Il s'agit d'une mesure de la capacité d'un matériau à résister à la corrosion, qui est la dégradation d'un matériau due à des réactions chimiques ou électrochimiques. Les matériaux à haute résistance à la corrosion, tels que l'acier inoxydable et l'aluminium, sont capables de résister à l'exposition à des environnements corrosifs sans se dégrader, tandis que les matériaux à faible résistance à la corrosion, tels que l'acier au carbone, ne le sont pas.

Résistance à l'usure

La résistance à l'usure fait référence à la capacité d'un matériau à résister aux forces mécaniques qui peuvent causer des dommages de surface, tels que des rayures, de l'abrasion ou de l'érosion. L'usure peut être causée par une variété de facteurs, notamment la friction, l'impact et la contamination par des particules. Les matériaux à haute résistance à l'usure sont souvent utilisés dans les applications où il y a beaucoup de contact ou de mouvement entre les surfaces, comme les roulements, les engrenages et les outils de coupe.

Il existe plusieurs façons de mesurer la résistance à l'usure, notamment :

Résistance à l'abrasion : il s'agit d'une mesure de la capacité d'un matériau à résister aux dommages de surface causés par le frottement ou le grattage d'une surface dure et rugueuse. Elle est généralement mesurée à l'aide d'un test normalisé, tel que le test d'abrasion Taber.
Résistance à l'érosion : il s'agit d'une mesure de la capacité d'un matériau à résister aux dommages de surface causés par l'impact de particules ou de fluides. Elle est généralement mesurée à l'aide d'un test normalisé, tel que le test d'érosion ASTM G73.
Résistance aux rayures : il s'agit d'une mesure de la capacité d'un matériau à résister aux dommages de surface causés par le glissement ou le grattage d'un objet tranchant. Elle est généralement mesurée à l'aide d'un test normalisé, tel que le test de rayure ASTM D7027.