Propriétés mécaniques des métaux : ce qu’elles sont

Introduction

Les propriétés mécaniques des métaux sont essentielles pour comprendre leur comportement sous différentes sollicitations, telles que la traction, la compression, la flexion ou la torsion, dans divers domaines de la métallurgie.

Définition des propriétés mécaniques des métaux

Les propriétés mécaniques des métaux sont les caractéristiques qui définissent leur comportement face aux sollicitations mécaniques, telles que la traction, la compression, la flexion ou la torsion.​ Elles sont étroitement liées à la structure cristalline et à la composition chimique des métaux.​ Les propriétés mécaniques comprennent la résistance, la ductilité, la fragilité, l’élasticité, la plasticité, la fatigue et la corrosion.​ Ces propriétés varient en fonction de la nature du métal, de son traitement thermique et de son historique de sollicitations.​ La compréhension de ces propriétés est essentielle pour la conception et la mise en œuvre de pièces et de structures métalliques dans différents domaines tels que l’aéronautique, l’automobile, la construction navale, etc.​

I.​ Résistance mécanique

La résistance mécanique des métaux définit leur capacité à résister aux forces extérieures sans se déformer ou se briser, garantissant ainsi leur intégrité structurale.

Résistance à la traction

La résistance à la traction est la propriété d’un matériau à résister à une force qui tend à l’allonger ou à le étirer. Cette propriété est mesurée par la limite d’élasticité à la traction, qui correspond à la contrainte maximale que le matériau peut supporter sans se déformer de manière permanente.​ La résistance à la traction est influencée par la structure cristalline du métal, sa composition chimique et les traitements thermomécaniques qu’il a subis.​ Les métaux ayant une haute résistance à la traction sont utilisés dans des applications où la sécurité et la fiabilité sont critiques, telles que les structures aéronautiques, les équipements de levage et les pièces mécaniques soumises à des charges élevées.​

Résistance à la compression

La résistance à la compression est la propriété d’un matériau à résister à une force qui tend à le comprimer ou à le réduire en volume.​ Cette propriété est mesurée par la limite d’élasticité à la compression, qui correspond à la contrainte maximale que le matériau peut supporter sans se déformer de manière permanente.​ La résistance à la compression est influencée par la structure cristalline du métal, sa composition chimique et les traitements thermomécaniques qu’il a subis.​ Les métaux ayant une haute résistance à la compression sont utilisés dans des applications où la stabilité et la rigidité sont essentielles, telles que les fondations, les piliers et les éléments de structure.​

II.​ Déformation des métaux

La déformation des métaux décrit les changements de forme et de volume qu’ils subissent sous l’effet de forces extérieures, révélant leurs propriétés mécaniques intrinsèques.​

Ductilité ⁚ la capacité à se déformer sans se briser

La ductilité est une propriété mécanique fondamentale des métaux, qui mesure leur capacité à se déformer plastiquement sans se briser.​ Elle est généralement évaluée par la mesure de l’allongement à la rupture, qui correspond à la variation de longueur relative du métal lorsqu’il est soumis à une traction jusqu’à la rupture.​

Cette propriété est essentielle dans de nombreux domaines de la métallurgie, tels que la construction de machines, la fabrication de pièces mécaniques ou la production de matériaux composites.​ Les métaux ductiles, comme l’aluminium ou le cuivre, peuvent être façonnés en forme complexe sans se briser, tandis que les métaux fragiles, comme le verre ou la céramique, se cassent facilement sous l’effet d’une contrainte.​

Fragilité ⁚ la tendance à se briser sous l’effet d’une contrainte

La fragilité est une propriété mécanique opposée à la ductilité, qui caractérise la tendance d’un métal à se briser sous l’effet d’une contrainte, même faible.​ Les métaux fragiles, tels que le fer ou le zinc, présentent une faible résistance à la traction et se cassent facilement lorsqu’ils sont soumis à une sollicitation mécanique.​

Cette propriété est influencée par la structure cristalline du métal, ainsi que par la présence d’impuretés ou de défauts dans la matière.​ La fragilité peut être améliorée par des traitements thermiques ou mécaniques appropriés, tels que le recuit ou la traction, qui permettent de modifier la structure du métal et d’améliorer ses propriétés mécaniques.​

III. Élasticité et plasticité

Ces deux propriétés mécaniques fondamentales définissent le comportement des métaux sous sollicitations mécaniques, notamment en termes de déformation et de récupération de forme.​

Élasticité ⁚ la propriété de revenir à sa forme initiale après déformation

L’élasticité est une propriété mécanique fondamentale qui décrit la capacité d’un métal à récupérer sa forme initiale après avoir été soumis à une déformation élastique.​ Cette propriété est caractérisée par la limite élastique, qui correspond à la contrainte maximale que peut supporter un métal sans se déformer de manière permanente.​ L’élasticité est une propriété essentielle pour les métaux utilisés dans des applications où la résistance à la déformation est critique, tels que les ressorts, les amortisseurs et les éléments de fixation.​ Les métaux à haute élasticité, tels que l’acier inoxydable et le titane, sont particulièrement prisés pour leurs propriétés mécaniques exceptionnelles.​

Plasticité ⁚ la capacité à se déformer définitivement sans se briser

La plasticité est une propriété mécanique qui décrit la capacité d’un métal à se déformer définitivement sans se briser ou se rompre.​ Cette propriété est caractérisée par la capacité du métal à absorber l’énergie de déformation sans perdre sa cohésion.​ La plasticité est une propriété essentielle pour les métaux utilisés dans des applications où la résistance à la déformation plastique est critique, tels que les pièces moulées, les forgés et les profilés.​ Les métaux à haute plasticité, tels que l’aluminium et le cuivre, sont particulièrement adaptés pour les applications nécessitant une grande ductilité et une faible fragilité.​

IV. Fatigue et corrosion

La fatigue et la corrosion sont deux phénomènes qui affectent la durée de vie des métaux, compromettant leur intégrité structurelle et leur résistance mécanique dans des conditions d’utilisation spécifiques.​

Fatigue ⁚ la perte de résistance mécanique due à des sollicitations répétées

La fatigue est un phénomène complexe qui apparaît lorsque des métaux sont soumis à des sollicitations répétées, telles que des charges cycliques, des vibrations ou des chocs.​ Cette sollicitation répétée entraîne une perte progressive de la résistance mécanique du matériau, même si les contraintes appliquées restent inférieures à la limite d’élasticité.​

Cette perte de résistance est due à la formation de micro-fissures et de défauts au niveau des grains, qui se propagent avec le temps et finissent par entraîner la rupture du matériau.​ La fatigue est un phénomène très courant dans de nombreux domaines, tels que l’aéronautique, l’automobile, les équipements mécaniques, etc.

Corrosion ⁚ la dégradation des métaux sous l’effet de l’environnement

La corrosion est un processus chimique qui entraîne la dégradation des métaux sous l’effet de l’environnement, notamment en présence d’humidité, d’oxygène, de sel, d’acide ou de bases.​ Cette réaction chimique peut entraîner la formation de produits de corrosion, tels que des oxydes, des hydroxydes ou des carbonates, qui peuvent altérer la surface du matériau.

La corrosion peut prendre différentes formes, telles que la rouille, la scaling, la pitting ou la crevice corrosion.​ Elle peut avoir des conséquences graves sur la résistance mécanique des métaux, en réduisant leur ductilité, leur résistance à la traction et leur durée de vie. Il est donc essentiel de prendre des mesures de protection contre la corrosion, telles que la passivation, la peinture ou la mise en place de revêtements protecteurs.​