Types de contraintes de charge

Courbe contrainte-déformation | Comment lire le graphique?

La courbe contrainte-déformation est l’un des premiers graphiques de résistance des matériaux que nous rencontrons lorsque nous commençons le voyage pour étudier les matériaux.

Bien que ce ne soit pas si difficile, cela peut sembler un peu intimidant au premier abord. Dans cet article, nous allons découvrir la courbe de contrainte et de déformation pour mieux la comprendre.

Mais avant d’y arriver, nous essaierons d’expliquer quelques concepts clés pour une meilleure compréhension.

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Un métal en service ou en cours de fabrication est soumis à différentes forces. Selon l’ampleur de ces forces, le métal peut ou non changer de forme.

L’acte d’appliquer la force est appelé chargement. Il existe cinq façons différentes d’appliquer ces forces sur une pièce métallique.

Les cinq formes de chargement sont:

  1. Compression
  2. Tension
  3. Tondre
  4. Torsion
  5. Pliant

Les métaux sont de nature élastique dans une certaine mesure. Lorsqu’il est soumis à une charge, le métal subit une déformation mais il peut être trop petit pour être discerné sans outils spéciaux.

Lorsque cette force appliquée est supprimée, le métal retrouve ses dimensions d’origine (sauf si la force dépasse un certain point). Tout comme un ballon, par exemple, retrouve sa forme d’origine après une force est supprimée après l’application.

Qu’est-ce que le stress?

La contrainte est définie comme le rapport de la force appliquée sur la surface en coupe transversale du matériau auquel elle est appliquée.

La formule de calcul de la contrainte matérielle:

σ = F / A, où

F est la force (N)

A est l’aire (m2)

σ est la contrainte (N / m2 ou Pa)

Par exemple, une force de 1 N appliquée sur une section transversale de 1 m2, sera calculé comme une contrainte de 1 N / m2 ou 1 Pa. L’unité peut être affichée en N / m2 ou Pa, les deux représentant la pression.

Le stress peut être compris comme force interne induit dans le métal en réponse à une force appliquée extérieurement. Il tentera de résister à tout changement de dimension provoqué par la force extérieure.

Lorsque la section transversale change, la même force induira des contraintes plus ou moins importantes dans le métal. Une plus petite section transversale se traduira par une plus grande valeur de contrainte et vice versa.

Qu’est-ce que la souche?

La déformation est définie comme le rapport du changement de dimension à la dimension initiale du métal. Il n’a pas d’unité.

Il existe trois types de déformation: normale, volumétrique et de cisaillement.

La déformation normale (ou déformation longitudinale) concerne le changement dans une seule dimension, disons la longueur par exemple.

La formule de calcul de la déformation est la suivante:

ε = (l-l0) / l0, où

l0 est la longueur de départ ou initiale (mm)

l est étiré longueur (mm)

Par exemple, si une certaine force change la longueur d’un métal de 100 mm à 101 mm, la déformation normale sera (101-100) / 100 ou 0,01.

La déformation normale peut être positive ou négative selon les directions de la force externe et donc avoir un effet sur la longueur d’origine.

Par souci de simplicité, nous ne parlerons que de la souche normale dans notre article. Ainsi, chaque fois que nous utiliserons le mot souche, il fera référence à une souche normale. Une fois que nous comprenons la tension normale, il est facile d’étendre la même compréhension aux deux autres.

Stress et la fatigue

Chaque fois qu’une charge agit sur un corps, elle produit une contrainte ainsi qu’une tension dans le matériau.

Prenons l’exemple d’un ballon de football. Lorsque vous essayez de le presser, il offre une résistance. La résistance offerte est la contrainte induite tandis que le changement de dimension représente la déformation.

La souche cause du stress. Lors de l’application d’une force entraînant une déformation, un matériau essaie de conserver sa structure corporelle en créant des contraintes internes.

Comment est tracée une courbe contrainte-déformation?

La méthode la plus courante pour tracer une courbe de contrainte et de déformation consiste à soumettre une tige de l’éprouvette à un essai de traction.

Cela se fait à l’aide d’une machine d’essai universelle. Il a deux griffes qui maintiennent les deux extrémités de la tige et la tirent à un rythme uniforme.

La force appliquée et la déformation produite sont enregistrées jusqu’à ce qu’une fracture se produise. Les deux paramètres sont ensuite tracés sur un graphique X-Y pour obtenir le graphique familier.

Courbe contrainte-déformation

graphique contrainte-déformation

La courbe contrainte-déformation est un graphique qui montre le changement de contrainte à mesure que la déformation augmente. Il s’agit d’un graphique de référence largement utilisé pour les métaux dans la science des matériaux et la fabrication.

Il existe différentes sections sur la courbe de contrainte et de déformation qui décrivent le comportement différent d’un matériau ductile en fonction de la quantité de contrainte induite.

Vignette vidéo

Essai de traction

Essai de traction pour l’aluminium pour déterminer la courbe contrainte-déformation

Les courbes de contrainte et de déformation pour les matériaux cassants, durs (mais non ductiles) et plastiques sont différentes. La courbe de ces matériaux est plus simple et s’apprend très facilement. Nous nous concentrerons sur la courbe contrainte-déformation des matériaux ductiles. Mais avant d’approfondir cela, examinons un autre concept important: la loi de Hooke.

La loi de Hooke

Ce principe de la physique parle d’élasticité et comment la force requise pour étendre ou comprimer un objet élastique d’une certaine distance est proportionnelle à cette distance. Plus de force produit plus de distance.

Formule de la loi de Hooke pour calculer la force dans les ressorts:

formule de loi de hooke

Dans le cas des métaux, la loi de Hooke stipule que pour la plupart des métaux, de plus grands changements de longueur créeront des forces internes plus importantes. Cela signifie que la contrainte est directement proportionnelle à la déformation. En effet, les métaux présentent une élasticité jusqu’à une certaine limite.

En termes simples, si la charge de traction / compression est doublée, l’augmentation / la diminution de la longueur doublera également tant que le métal se trouvera dans la limite proportionnelle.

Limite proportionnelle

Presque tous les métaux se comportent comme un objet élastique sur une plage spécifique. Cette plage varie pour différents métaux et est affectée par des facteurs tels que les propriétés mécaniques, l’exposition atmosphérique (corrosion), la taille des grains, le traitement thermique et la température de travail.

Lorsque la machine d’essai commence à tirer sur l’éprouvette, elle subit une contrainte de traction. Initialement, le matériel suit la loi de Hooke.

La déformation sera proportionnelle à la contrainte. Cela signifie que le rapport contrainte / déformation sera une constante. En science des matériaux, cette constante est connue sous le nom de module d’élasticité de Young et est l’une des propriétés mécaniques les plus importantes à prendre en compte lors du choix du bon matériau pour une application.

Il n’y a pas non plus de déformation permanente. Le métal se comportera comme un ressort et retrouvera sa dimension d’origine lors de la suppression de la charge.

Le point jusqu’à lequel ce comportement proportionnel est observé est connu sous le nom de limite proportionnelle. Avec une contrainte croissante, la déformation augmente linéairement. Dans le schéma ci-dessus, cette règle s’applique jusqu’au donne la force indicateur.

Module d’élasticité de Young

Il est défini comme rapport de la contrainte longitudinale à la déformation dans la limite proportionnelle d’un matériau. Également connu sous le nom de module de résilience, il est analogue à la rigidité d’un ressort. C’est aussi pourquoi la loi de Hooke comprend une constante de ressort.

Disons que nous avons 2 matériaux de même longueur et de même section. Pour changer les dimensions dans une mesure égale, le matériau avec une valeur de module d’Young plus élevée nécessite une force plus importante.

Elastic Point & Yield Point

Comme l’éprouvette est soumise à des quantités croissantes de force de traction, les contraintes augmentent au-delà de la limite proportionnelle.

La relation contrainte-déformation s’écarte de la loi de Hooke. La déformation augmente à un rythme plus rapide que la contrainte, ce qui se manifeste par un léger aplatissement de la courbe dans le graphique des contraintes et des déformations.

Il s’agit de la partie du graphique où la première courbe commence mais n’a pas encore tourné vers le bas. Bien que la proportionnalité de la contrainte à la déformation soit perdue, la propriété d’élasticité ne l’est pas, et lors de la suppression de la charge, le métal reprendra ses dimensions d’origine.

Le changement de dimension dans la limite élastique est donc temporaire et réversible. La limite élastique d’un matériau vérifie sa stabilité sous contrainte.

C’est la raison pour laquelle les calculs techniques utilisent la limite d’élasticité d’un matériau pour déterminer sa capacité à résister à une charge. Si la charge est supérieure à la limite d’élasticité, le résultat sera une déformation plastique indésirable.

Comportement plastique

Lorsque l’éprouvette est tirée plus loin sur la machine d’essai, la propriété d’élasticité est perdue. Cela s’aligne avec le début de la région de durcissement par déformation dans le graphique contrainte-déformation.

La limite d’élasticité est l’endroit où la déformation plastique du matériau est observée pour la première fois. Si le matériau est desserré de la machine d’essai au-delà de ce point, il ne reviendra pas à sa longueur d’origine.

On dit que l’écrouissage se produit lorsque le nombre de dislocations dans le matériau devient trop élevé et qu’elles commencent à entraver le mouvement de l’autre. Le matériau se réarrange constamment et a tendance à durcir.

Necking

La déformation plastique continue de se produire avec une contrainte croissante. En temps voulu, un rétrécissement de la section transversale sera observé en un point de la tige. Ce phénomène est connu sous le nom de rétrécissement. La contrainte est si élevée qu’elle conduit à la formation d’un col au point le plus faible de la tige. Vous pouvez voir cela se produire dans la vidéo ci-dessus.

La courbe contrainte-déformation a également montré la région où se produit le rétrécissement. Son point de départ nous donne également la résistance ultime à la traction d’un matériau.

La résistance à la traction ultime indique la quantité maximale de contraintes qu’un matériau peut supporter. Atteindre cette valeur pousse le matériau vers la rupture et la rupture.

Fracture

Fracture d'essai de traction

Une fois dans la zone de rétrécissement, nous pouvons voir que la charge n’a pas à augmenter pour une déformation plastique supplémentaire.

Une fracture se produit au niveau du cou, généralement avec une forme de coupe et de cône à chaque extrémité de la tige. Ce point est connu sous le nom de point de rupture ou de rupture et est noté E sur le graphique des contraintes et déformations.

Pourquoi la courbe contrainte-contrainte est-elle importante?

La courbe contrainte-déformation fournit aux ingénieurs d’études une longue liste de paramètres importants nécessaires à la conception d’applications. Un graphique contrainte-déformation nous donne de nombreuses propriétés mécaniques telles que la résistance, la ténacité, l’élasticité, la limite élastique, l’énergie de déformation, la résilience et l’allongement pendant la charge.

Il aide également à la fabrication. Que vous souhaitiez effectuer une extrusion, un laminage, un pliage ou une autre opération, les valeurs issues de ce graphique vous aideront à déterminer les forces nécessaires pour induire une déformation plastique.

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