Dureté ? Rigidité ? Résistance ? Résilience ? Quelle différence ?

g0b
Compagnon
20 Janvier 2014
1 278
  • Auteur de la discussion
  • #1
J'ai l'impression qu'il y a pas mal de malentendus sur la question. Je vais essayer de faire un rapide tour des différentes caractéristiques des
matériaux afin de mieux décoder les fiches qui donnent leurs caractéristiques, et accessoirement éviter de dire des bêtises...

Intuitivement, du verre et de l'acier c'est "dur", mais on sent bien que c'est très différent comme matériaux...
Pareil pour le plastique et le bois : c'est "mou" mais ça se comporte très différemment face aux efforts...

Bref, on sent bien qu'il faut plus qu'une notion (la dureté) pour définir un matériau.

Petite définition préliminaire : quand on soumet un matériau ("classique": métal, plastique...) à un effort, au début on est dans le domaine élastique (si on relâche l'effort, le matériau reprend sa forme initiale, comme un... élastique), ensuite, on arrive à un point (la limite élastique (Re)), au delà, on rentre dans le domaine plastique ( si on relâche l'effort, le matériau va conserver une partie de la déformation, et ne revient pas à son état initial (c'est plié quoi...) et ultimement, si on continue à bourriner, ça va casser (on a atteint la résistance à la rupture (Rm))

Mettons la dureté de coté pour commencer, et concentrons nous sur deux autres notions : la résistance et la rigidité.

- La résistance, c'est la contrainte maximale en dessous de laquelle un matériau ne va pas se déformer de façon permanente (ou pire casser)
- La rigidité (c'est une notion qui n'existe que dans le domaine élastique ci dessus), c'est l'amplitude de la déformation (réversible donc) pour un effort donné.

CE N'EST PAS DU TOUT LA MEME CHOSE !

Un acier doux a moins de résistance qu'un acier trempé (il va casser au delà d'une certaine contrainte, alors que l'acier trempé soumis à la même contrainte, non), mais un acier doux et un acier trempé ont la MEME rigidité (à effort égal, ils se déformeront EXACTEMENT pareil)

Sauf cas particulier, les matériaux "standard" ont grosso modo une déformation proportionnelle à l'effort que l'on applique (dans le domaine élastique).
Le coefficient de proportionnalité entre l'effort et la déformation, c'est le Module de Young. Or le module de Young est à peu de choses près identique pour tous les aciers.
Idem pour les alliages d'aluminium : ils ont grosso modo tous le même module de Young (3x plus faible que celui de l'acier.)

Ce qui veut dire que :
- à effort égal une pièce en alu va se déformer 3x plus que la même pièce en acier.
- C'est idiot de prendre du 7075 pour faire un bâti de fraiseuse CN, le même bâti en AU4G beaucoup moins cher aura la même rigidité (si on veut pinailler, le 2017 a même un module de Young légèrement plus élevé que le 7075 : il est donc plus rigide tout en étant moins résistant !).

La dureté maintenant...
C'est l'effort au delà duquel la pénétration dans la surface va laisser une trace.
Alors en fait, c'est un peu la même chose que la résistance quand on y réfléchit. Localement, on exerce un effort , et si on dépasse la limite élastique, la déformation devient permanente, on a une trace. Donc en fait, c'est le même mécanisme. Donc un matériau "résistant" est forcément "dur". D'ailleurs, il existe des tables d'équivalence entre les duretés et les résistances pour les aciers, mais c'est à utiliser avec discernement, car il y a la...

...résilience

La résilience, c'est la résistance au choc. autrement dit, c'est l'inverse de ce qu'on entend plus couramment par la "fragilité". Ca correspond à l'énergie au dessus de laquelle une éprouvette normalisée va casser. En général, plus un matériau est résistant/dur, plus il sera fragile. C'est pour ça que l'équivalence dureté/résistance a ses limites : au delà d'une certaine résistance, c'est trop fragile pour supporter certains types d'efforts (et les traitements thermiques sur les aciers ne donnent pas un matériau homogène, donc on peut avoir une dureté importante en surface, mais une résistance beaucoup plus faible à coeur)

Quelques autres caractéristiques...
L'allongement à la rupture (noté A%) comme son nom l'indique, c'est le pourcentage dont s'est allongé une éprouvette lors de la rupture (on met bout à bout les deux morceaux, et on mesure l'allongement par rapport à la longueur d'origine). Ca donne une indication dur la ductilité du matériau. C'est relativement corrélé à la résilience.

En plus des notions de limite élastique (notée Re) et de limite de rupture (notée Rm), on voit parfois la notion de Rp0.2. En gros, ça correspond à la même notion que Re. C'est juste que pour certains matériaux, la transition entre le domaine élastique et le domaine plastique est un peu floue, donc on utilise le Rp0.2 qui est plus "objectif" à mesurer.

A noter que pour les calculs de résistance, on utilise le Re , pas le Rm !

Tout ceci représente un modèle des matériaux qui ne s'applique pas à tout le monde, d'une part, et qui est simplifié et ne prend pas en compte des notions comme le fluage (déformation permanente d'un matériaux soumis longtemps à un effort pourtant en dessous de sa limite élastique) par exemple.

Maintenant, on a tous les éléments en main pour décoder une fiche matériau :

Re faible, beaucoup plus petit que le Rm, A% important => matériau un peu "chewing-gum" peu fragile.
Re très important et très proche du Rm, A% faible => matériaux type "ressort".
Module Young petit => matériau souple
Module Young très petit => matériau genre "élastique"
Résilience faible => matériau genre "verre"
etc...
 
MegaHertz
Compagnon
31 Août 2017
912
Bonjour,

J'aime pas trop le terme de résistance tout court.

Résistance à la traction
Résistance à la compression (Pour le béton par exemple, traction et compression ne sont vraiment pas identiques)
Résistance au cisaillement

Pour la flexion je me souviens qu'on la déduit de la compression et traction.
Pour la résistance à la torsion je ne sais plus si on la déduit ou si on ne peut l'avoir que par test.

J'ai l'impression que la résistance dont tu parles est la résistance à la traction non ?
 
Dernière édition:
g0b
Compagnon
20 Janvier 2014
1 278
  • Auteur de la discussion
  • #3
J'ai l'impression que la résistance dont tu parles est la résistance à la traction non ?
Effectivement.
Mais pour les matériaux classiques (acier, alus) que l'on rencontre chez les usineurs, la résistance à la compression se déduit de la résistance à la traction, et la résistance au cisaillement se déduit des deux précédents. Donc en gros, c'est très lié, d'où l'utilisation d'un seul terme pour rester le plus simple possible.
 
dubleu
Compagnon
1 Février 2016
3 040
définition de la résistance oui et non trop limité comme explication



il te manque aussi la ténacité.................. pour moi la résistance à la casse sous divers contrainte genre axe de galet et autres en tp ou agricole ou tous matériel qui demande une sécurité avant la rupture
ça dois résisté sans cassé même au prix d'une usure anormal ou que ça plie sans ce rompre le sujet et très présent
 
yvon29
Compagnon
31 Juillet 2012
3 122
FR-77250 Fontainebleau
Bonjour
Merci pour cette vulgarisation

Quelques remarques :

La résistance, c'est la contrainte maximale en dessous de laquelle un matériau ne va pas se déformer de façon permanente
Ou plutôt : s'endommager...



rentre dans le domaine plastique
Et cet endommagement commence dès ce moment-là : il commence à y avoir des glissements de rangées d'atomes.... et à partir d'un certain chargement, ça « se voit »...
Mais attention, cette plastification qui est à l'origine toujours LOCALE , sur soit :
- sur un défaut métallurgique
- sur une zone de concentration des contraintes ( angle vif... à éviter !)
- ou encore sur un défaut de surface : rayure, choc....

on utilise le Rp0.2 qui est plus "objectif" à mesurer.
Tout à fait, 02 correspond à 0,2% de déformation plastique, donc l'éprouvette lors de l'essai de traction lisse se sera déformée des 0,2 mm pour 100 mm de long.

le fluage (déformation permanente d'un matériaux soumis longtemps à un effort pourtant en dessous de sa limite élastique)
Plutôt à chaud ( et même très chaud...)
Exemples: barreaux de grilles de foyer de cuisinière ou de poêle qu'on retrouve complètement tordus

À froid: le béton, et moins chaud les tuiles ( mais là ce ne sont plus des métaux...)

Module Young très petit => matériau genre "élastique"
Tu devrais corriger par : caoutchouc....


Résistance au cisaillement
Là ça se complique parce que le cisaillement est le résultat d'un état bi-axial des contraintes....


Petite vulgarisation : le module d'Young c'est la contrainte permettant de faire doubler la longueur d'une pièce .
Acier : 200 000 MPa
Alu 80 000
Titane 100 000 ( il y a de plus en plus d'utilisateurs, même en hobby...)
 
Dernière édition:
g0b
Compagnon
20 Janvier 2014
1 278
  • Auteur de la discussion
  • #6
@dubleu : on peut raisonnablement partir du principe qu'une grande résilience = bonne ténacité.
@yvon29 : il manque un zéro au module de Young de l'alu et du titane. Pour le fluage, ca peut avoir lieu à température ordinaire (plastiques, téflon en particulier, bois). Pour le reste, oui, mais je voulais faire simple au risque de faire des approximations :)
 
Dernière édition:
lion10
Compagnon
7 Mai 2010
4 389
Bonjour

Vulgarisation intéressante. Pourriez vous décrire un peu plus le phénomène de fluage et expliquer la différence s'il y en a une avec la résistance à la fatigue. Il ne s'agit pas de choc dans ces notions me semble-t-il ou alors de petites valeurs, n'est ce pas ?
Tout comme vous avez présenté le module de Young permettant de distinguer l'aluminium de l'acier, peut être pouvez en déduire des lignes directrices pour choisir un matériau pour qu'il résiste au fluage et à la résistance à la fatigue.
A noter que vous n'avez pas distingué l'acier du fer à ferrer les ânes ni de l'inox dans votre premier message.

Vous parlez aussi de concentration de contraintes par exemple dans le cas d'un pliage, sans doute aussi aux abords d'un trou dans la matière, peut on en déduire des règles simples d'écartement d'un trou de fixation du bord de la matière par exemple. J'oublie forcément d'autres cas qu'il vous faudrait à mon sens aussi vulgariser.

cdlt lion10
 
Dernière édition:
g0b
Compagnon
20 Janvier 2014
1 278
  • Auteur de la discussion
  • #9
Le fluage et la fatigue sont deux phénomènes très différents.

Le fluage, c'est une déformation due au glissement des grains les uns par rapport aux autres . Pour les métaux, il ne se produit qu'à assez haute température quand l'alliage commence à avoir un comportement de moins en moins solide et de plus en plus viscoélastique. A température ambiante, on peut considérer que ça ne se produit pas (je crois que pour les alliages, on commence à s'en préoccuper à partir d'une température de fonctionnement de 20% de la température de fusion.). Pour les plastiques, ca se produit à température ambiante (par glissement des chaines de polymères les unes par rapport aux autres)

La fatigue, c'est un phénomène qui se produit à température ambiante quand un matériaux est soumis à un très grand nombre de cycles qui font varier la contrainte (en dessous de Re toujours). Elle correspond à une progression de microfissures dans la structure du matériau qui finissent par ne plus être micro... A force de subir l'alternance d'effort toujours dans les mêmes conditions, il se forme des zones de dislocations privilégiées ou le glissement entre les grains se fait de plus en plus facilement, avec de plus en plus d'amplitude en agrandissant les fissures.

Donc pour résumer, et pour ce qui est des alliages métalliques , le fluage on peut le mettre de côté, mais la fatigue, ce n'est pas anecdotique du tout. Si on veut s'en prémunir, une règle simple consiste à ne pas dépasser une sollicitation cyclique de 0.5*Rm pour un acier, et 0.3*Rm pour un alu (ce qui est plus restrictif que de rester en dessous de Re ou Rp0.2).
 
joumpy
Compagnon
8 Octobre 2009
1 488
38: Grenoble
Le fluage est très lié à la température puisque ce sont des mouvements de grains es uns par rapport aux autres.
A prendre en compte à partir de 0.7xTf.... MAIS température de fusion en Kelvin!
Mauvais exemple, les vieux tuyaux en plomb d'écoulement des eaux pluviales. Ils n'ont pas été changé car pas de l'eau pour la consommation. Entre 2 fixations, ça fait le ventre parce que le plomb fond à 327°C soit 273+327= 600K et 0.7Tf=420K = 147°C. Mais alors pourquoi ça flue? Parce que ce plomb n'est pas pur mais contient de l'étain, du bismuth, bref des éléments d'addition destinés à baisser le point de fusion (fabrication plus facile), mais aussi parce que ces tuyaux sont là depuis....la fin de la guerre pour les plus déformés!

Pour nous, ça parait inutile comme donnée, mais pour un constructeur de réacteur, c'est le nerf de la guerre. Plus la température de travail du réacteur est élevée, meilleur est le rendement et ce qui limite depuis le début le rendement des réacteurs, c'est le fluage des aubes soumises à la température de combustion.

Accident sur A380: fuite d'huile sur un réacteur pendant le vol. Le réacteur augmente de puissance grâce à la combustion de l'huile hydraulique, la température monte et ça finit par péter les aubes qui volent dans tous les sens et perforent l'aile (pas la carlingue, chance!).
L'avion finit par atterrir sans encombre et tout finit bien pour les passagers. Après enquête, tuyaux ou attache du tuyau, je ne sais plus, défaillant et interdiction de vol pour tous les moteurs de cette référence tant que le tuyau n'est pas changé. C'est pourtant pas énorme de l'huile de graissage de roulement par rapport à une consommation de kérosène...
 
joumpy
Compagnon
8 Octobre 2009
1 488
38: Grenoble
La fatigue est très utile parfois... :wink:
Vous êtes au jardin, vous attachez les nouvelles branches de votre vigne avec du fil de fer et... Merdouille, la tenaille est restée à la maison!
Avec les dents: aucune chance.
En tirant dessus: aïe les doigts, non ça marche pas non plus.
Mais en pliant un coup dans un sens un coup dans l'autre un grand nombre de fois: victoire!
Chaque déformation crée des mouvements dans la matière dont il reste des traces (les dislocations). A force, ces traces s'enchevêtrent jusqu'à se bloquer les unes les autres et le mouvement suivant casse le fil.

Un autre mauvais exemple pour la fatigue: les ressorts des amortisseurs de voiture. A force de se comprimer et se relâcher sur chaque bosse, ces ressorts finissent par péter.... Euuhh, vous en avez déjà vu beaucoup péter vous? C'est parce que le métal utilisé est prévu pour, mais aussi parce qu'on a trouver le moyen d'empêcher les micro-fissures de la surface de se propager à l'intérieur du ressort grâce à du grenaillage de pré-contrainte. Sans ce traitement, ce serait changement tous les 50.000 kms!
 
yvon29
Compagnon
31 Juillet 2012
3 122
FR-77250 Fontainebleau
Bonjour

Après enquête, tuyaux ou attache du tuyau, je ne sais plus, défaillant et interdiction de vol pour tous les moteurs de cette référence
Les fixations des « cana » sur un turboreacteur c'est difficile à calculer, et aussi à vérifier par essais....

Une cana peut vibrer et battre contre sa voisine ou le carter dans certaines configurations qu'on ne rencontre pas souvent....

on commence à se préoccuper ( du fluage ) à partir d'une température de fonctionnement de 20% de la température de fusion.).
Tu veux sûrement dire T° >= 80% Tf...

En fait les courbes de fluage donnent ma déformation à température donnée fonction du temps....

en pliant ( un fil de fer ) un coup dans un sens un coup dans l'autre un grand nombre de fois
Ça casse rapidement parce que dès le début on plastifie la matière: ici on plie le fil n fois à plus de 90°....
Je ne pense pas qu'on puisse parler de fatigue dans ce cas particulier.



qu'on a trouver le moyen d'empêcher les micro-fissures de la surface de se propager à l'intérieur du ressort grâce à du grenaillage de pré-contrainte
Tout à fait.
Regardez une clef plate de bonne qualité , l'intérieur de la fourche est grenaillé : ça se voit à l'allure de l'état de surface.

Le grenaillage créée une contrainte de compression qui se retranche à la contrainte de traction de travail.... c'est tout bénef.
Par contre c'est souvent difficile d'aller atteindre les zones confinées par exemple les raccordements de surfaces, les trous, rn là où se trouve justement ma contrainte maxi ( cf le fond de la clef plate...)
 
joumpy
Compagnon
8 Octobre 2009
1 488
38: Grenoble
Les plastiques et les verres caractérisés par une température de transition vitreuse.
Cette famille de matériaux ne doit pas être vu comme un solide, mais comme un liquide qui s'écoule lentement. La vitesse d'écoulement étant surtout liée à cette fameuse température. La plage de température pour laquelle les propriétés d'écoulement évolue est très large à l'opposé des métaux qui fondent (=deviennent liquide) à une température précise.

Tout le monde a déjà fait de la brasure à l'étain: on chauffe, rien, on chauffe, toujours rien, on chauffe encore un poil et pouf l'étain coule comme de l'eau entre les pièces à souder.
Un souffleur de verre, à l'opposé, prélève du verre fondu avec sa canne puis travaille le gob (si si!) pour lui donner la forme voulue en appuyant plus ou moins dessus. Au début, c'est une lumière vive, puis ça vire au rouge, puis plus rien: plusieurs centaines de degré d'écart et ça se déforme toujours, juste moins vite. Le verrier fait donc les grosses mises en forme rapidos et les détails à la fin.

La cote d'une pièce en plastique n'est donc qu'une affaire de temps et de température. Pour contrer cela, on utilise des plastiques chargés par des fibres non déformables.
 
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