Necking d'un matériau

Résistance à la traction ultime | Importance, tests et exemples

La résistance à la traction ultime (ou simplement la résistance à la traction en abrégé) est une propriété importante des matériaux pour déterminer leurs performances mécaniques. C’est la capacité d’un matériau à résister à la déchirure due à la tension. Ce paramètre s’applique à tous les types de matériaux tels que les fils, les cordes, les poutres métalliques, etc.

Qu’est-ce que la résistance à la traction?

Imaginez une bande de papier tirée à ses deux extrémités avec vos doigts. Vous appliquez une force de traction sur la bande. Lorsque cette force de traction franchit un certain seuil, le papier se déchire. La contrainte de traction à laquelle cela se produit est la résistance à la traction de ce matériau, dans ce cas le papier.

Lorsqu’une tension excessive est appliquée, les matériaux ductiles et cassants s’approchent d’un point de rupture. Au départ, une déformation uniforme sera observée. Tout au long du corps du matériau, sa longueur augmentera tandis que sa largeur diminuera au même rythme.

La résistance à la traction ultime est la quantité de contrainte qui pousse les matériaux de l’état de déformation plastique uniforme à la déformation concentrée locale. Le phénomène de striction commence à ce stade.

Processus de cou

La résistance à la traction ultime est une propriété intensive. En d’autres termes, cela ne dépend pas de la taille de l’échantillon. Le même matériau avec une section transversale variable aura la même valeur de résistance à la traction.

Étant donné que ce type de fracture dans un système peut provoquer une défaillance et éventuellement mettre la vie en danger, il est impératif que ce paramètre soit pris en compte lors de la sélection des matériaux appropriés pour une application.

Résistance ultime à la traction sur une courbe contrainte-déformation

graphe contrainte-déformation

Une courbe de contrainte-déformation peut être divisée en 4 régions principales:

  • Limite proportionnelle
  • Limite de rendement
  • Durcissement sous contrainte
  • Necking

Limite proportionnelle

Dans la limite proportionnelle, le matériau de l’échantillon agit comme un ressort et toute contrainte provoquée est complètement réversible. Sur la courbe contrainte-déformation, cette zone est appelée région de Hooke. La raison réside dans l’applicabilité de la loi de Hooke aux forces qui tombent dans la zone.

Limite de rendement

Dès que l’échantillon dépasse la limite proportionnelle, il entre dans la région limite de rendement. À ce stade, la déformation permanente s’installe. À partir de ce moment, peu importe si vous relâchez la force de traction ou appliquez une force dans la direction opposée, l’échantillon ne reviendra pas à ses dimensions d’origine.

Région de durcissement par contrainte

En augmentant davantage la contrainte de traction, l’éprouvette pénètre dans la région d’écrouissage. Il s’agit d’une section très unique car vous modifiez la structure cristalline du matériau. Le matériau est suffisamment sollicité pour que sa microstructure même soit modifiée.

Comme son nom l’indique, le matériau devient de plus en plus dur. Ce durcissement peut être très utile et n’est donc pas forcément une mauvaise chose (les procédés de durcissement à froid, de formage à froid utilisent en fait cette région pour conférer de la résistance à la pièce).

Région de Necking

Juste avant d’entrer dans la phase de striction, le matériau est le plus résistant qu’il soit. Nous l’avons durci à sa limite maximale. Lorsque nous entrons dans la phase de striction, le matériau commence à s’affaiblir. Elle se caractérise par une réduction locale de la section transversale.

Au-delà de ce point, le matériau ne fait que progresser vers l’échec. Il peut gérer moins de stress avec une tension croissante.

Nous pouvons en quelque sorte revenir à l’équation originale qui dit que la contrainte est égale à la force par unité de surface et en déduire que plus la surface est petite, plus la contrainte est élevée. Le matériau se déplace au-delà de ce point jusqu’à se rompre.

Résistance à la traction ultime sur la courbe

Le point qui sépare la région d’écrouissage et la région de rétrécissement est la résistance ultime de ce matériau. À ce stade, la quantité maximale d’écrouissage a eu lieu. Le matériau supporte la plus grande quantité de charge qu’il peut supporter en toute sécurité.

La résistance ultime est donc un point crucial à considérer sur la courbe contrainte-déformation. Il montre la quantité maximale de contraintes qu’un matériau peut supporter avant la rupture.

Pourquoi la résistance à la traction est-elle importante?

Il est impératif de connaître la résistance à la traction d’un métal particulier ou de tout matériau pour s’assurer qu’il s’agit du bon choix pour une application. Cela garantit une durée de vie sans incident.

Les résultats du choix de matériaux avec une résistance à la traction inférieure à ce que demande l’application peuvent être désastreux.

Les ingénieurs se tournent vers limite d’élasticité dans la phase de conception pour vous assurer que le stress n’atteint jamais plus que cela. Sinon, la structure subit des déformations permanentes. Mais résistance ultime à la traction nous indique la valeur nécessaire pour une panne et une rupture complètes.

Ainsi, une construction de toit qui subit plus de contraintes en raison d’une charge de neige plus élevée que la normale peut plier la structure. Dans le même temps, le dépassement de la valeur de résistance à la traction signifie que le toit peut tomber.

Résistance à la traction vs limite d’élasticité

Les ingénieurs utilisent limite d’élasticité lors de la conception des produits. Le maintien de la charge dans cette zone garantit que le produit est à l’abri des pannes. Cela signifie que la charge maximale doit rester inférieure à la limite d’élasticité à tout moment.

Une façon courante de le faire est de déterminer d’abord la charge maximale. En tenant compte des spécificités du matériau choisi, les calculs donnent la réponse pour la section transversale nécessaire. La géométrie joue un rôle important dans les charges élevées qu’une pièce peut supporter.

Par mesure de précaution supplémentaire, un facteur de sécurité est ajouté. Le facteur de sécurité se situe généralement entre 1,5 et 2. La façon la plus simple de l’utiliser consiste simplement à multiplier la valeur de charge maximale par le facteur. L’ajout du facteur de sécurité garantit que des charges inattendues et des imperfections de matériau n’entraîneront pas de pièces cassées.

Concevoir pour une résistance à la traction ultime signifie que votre pièce se déformera de façon permanente une fois soumise à la charge pour laquelle elle a été conçue. La structure cristalline du matériau peut changer et il perdra probablement une propriété importante. Cela signifie que le produit n’a plus les mêmes caractéristiques qui ont pu être la raison même de sa sélection.

Un point important à noter ici est que certains outils comme les couteaux et les clés sont durcis sous contrainte afin qu’ils puissent être plus forts et plus proches de leur valeur de résistance à la traction ultime avant qu’ils ne puissent potentiellement se fracturer.

Essais de traction

Miniature vidéo

Essai de traction

Machine d’essai de traction ultime au travail.

La résistance à la traction est mesurée en allongeant un spécimen dans une machine d’essai universelle (UTM). Un UTM est une machine d’essai de traction.

L’échantillon est maintenu aux extrémités opposées à l’aide de pinces. L’une des extrémités est stationnaire tout en tirant sur l’autre avec une surveillance en temps réel des forces. Une augmentation constante de la force a lieu jusqu’à atteindre un point où l’échantillon se brise. L’enregistrement des données d’essai de traction est constant tout au long du processus.

Ce testeur de traction comprend des fonctionnalités telles que la commande d’automatisation servo (électrohydraulique), l’acquisition de données, la mesure automatique, l’affichage à l’écran et le calcul des résultats de test.

La force maximale appliquée est ensuite divisée par la surface de la section transversale pour obtenir la contrainte maximale à laquelle elle a été soumise. Cette contrainte maximale est la valeur de la résistance à la traction ultime.

L’unité SI de résistance ultime à la traction est N / m2 ou Pascal avec de grands nombres exprimés en mégapascals.

Exemples de résistance à la traction du matériau

Tableau de résistance à la traction des matériaux

La résistance à la traction des matériaux varie considérablement. Les ingénieurs en mécanique utilisent principalement des métaux car ils offrent un bon rapport qualité-prix et d’autres propriétés intéressantes en plus d’une résistance à la traction relativement élevée. Mais il est évident que la gamme des différents types de métaux à elle seule est énorme.

Dans le même temps, nous pouvons voir que les non-métaux comme les fibres de carbone dépassent de loin les métaux en termes de valeurs de résistance à la traction ultime. Même les cheveux humains peuvent supporter la moitié de la charge des aciers de construction avant de finir par se briser.

Donc, que ce soit un garçon de 5e année qui veut savoir à quel point il peut tirer la queue de cheval d’une fille avant d’attirer l’attention se transforme en la rendant chauve, ou un ingénieur qui a besoin de savoir combien le câble d’ascenseur peut réellement prendre avant de se casser, la réponse réside ici – avec une résistance à la traction ultime.

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