Grande Encyclopédie Larousse 1971-1976Éd. 1971-1976
P

plasticité

Propriété que possède un corps de conserver définitivement des modifications dimensionnelles après la suppression de la contrainte qui les a provoquées.



Introduction

Lorsqu’on déforme progressivement un matériau métallique à une température donnée, son comportement rhéologique présente des phases successives : tout d’abord, sous l’effet de contraintes faibles, le matériau se déforme par élasticité, c’est-à-dire qu’il reprend sa dimension d’origine dès la cessation de la contrainte ; à partir d’une certaine contrainte σE, différente suivant la nature et l’état physicochimique du matériau, dite « limite d’élasticité », le matériau se déforme par plasticité, c’est-à-dire qu’il conserve une déformation permanente après cessation de la contrainte. L’aboutissement limite de la plasticité sous l’action de contraintes croissantes est la rupture du matériau pour la contrainte σR (rupture ductile ou rupture fragile). Pour de nombreux matériaux, des phénomènes complexes s’ajoutent à ce comportement élémentaire plasto-élastique, tels que la déformation visco-élastique, pour laquelle le matériau ne retrouve son état original qu’après un certain temps (comportement visqueux).


Utilisation de la plasticité pour la mise en forme des matériaux

Bien que les matériaux métalliques aient été travaillés par déformation plastique depuis les époques les plus reculées, c’est seulement vers 1870 que furent établis les éléments théoriques de la plasticité, étudiée sous un aspect mécanique par Adhémar Barré, comte de Saint-Venant (1797-1886), Henri Tresca (1814-1885), Maurice Levy (1838-1910) et Huber von Misès. La connaissance à la fois théorique et pratique de la plasticité des métaux et des alliages présente un intérêt sous deux angles opposés, mais tout aussi importants :
— le fonctionnement d’organes mécaniques et la sollicitation des pièces hors du domaine des déformations plastiques ou des phénomènes connexes tels que le fluage et la fatigue ;
— le formage des matériaux, à température ambiante ou à chaud, dans le domaine des déformations plastiques, qui est à la base des procédés très divers du travail mécanique par laminage, forgeage, matriçage, estampage, étirage, tréfilage, filage à la presse, emboutissage, fluotournage, etc.

La construction mécanique et plus particulièrement la construction automobile utilisent depuis longtemps ces techniques de fabrication de pièces et les développent au détriment des techniques d’usinage par enlèvement de matière en raison de plusieurs avantages :
— économie de matière première ;
— gain de temps de fabrication à l’aide de machines à grandes cadences (3 000 pièces à l’heure sur une machine à quatre postes pour la fabrication de pièces de 250 mm de long et 20 mm de diamètre) ;
— précision de certaines dimensions avec une tolérance de ± 0,02 à ± 0,05 mm ;
— bonnes caractéristiques mécaniques provenant de structures convenablement orientées par la déformation (effet de fibrage) ;
— amélioration de la tenue mécanique des couches superficielles particulièrement à la fatigue (grenaillage, galetage).

Par suite du prix élevé des outillages, ces techniques sont d’autant mieux adaptées pour la fabrication en grandes séries de pièces telles que rivets, vis (roulage des filetages), soupapes, poussoirs, arbres, vilebrequins, pignons, engrenages, etc.


Mécanisme de la plasticité

En raison de l’importance des applications de la plasticité des métaux, de nombreuses études physiques, physico-chimiques et métallographiques ont été entreprises pour la connaissance de ce phénomène d’abord à l’échelle du cristal, puis à l’échelle des agrégats polycristallins, qui forment les structures des métaux et des alliages tels qu’ils sont effectivement utilisés.

La déformation des cristaux métalliques s’effectue dans le domaine de la plasticité — c’est-à-dire sous l’effet d’une contrainte supérieure à la limite d’élasticité — par le glissement relatif de deux parties du cristal le long d’un plan de glissement correspondant à un plan cristallographique bien défini. La déformation plastique peut également s’effectuer — mais beaucoup plus rarement suivant la nature du métal, la température et la vitesse de sollicitation — par deux autres processus : le maclage des cristaux et la migration intercristalline. Les glissements élémentaires des plans atomiques se propagent par des déformations multiples de la distance entre atomes et par couches successives formant des paquets visibles à la surface des cristaux sous forme de traces ou de bandes de glissement. La contrainte tangentielle permettant ce glissement dans le cristal, ou contrainte critique de cisaillement, est en pratique de l’ordre de quelques centaines de grammes par millimètre carré pour la plupart des métaux, alors que la valeur théorique calculée est de 100 à 1 000 fois supérieure. Ce désaccord notable s’explique par l’existence de perturbations ou de défauts de la structure atomique ; certains atomes, ne respectant pas les positions théoriques dans le réseau, créent des défauts linéaires, ou dislocations. Plusieurs types de dislocations ont été mis en évidence et observés par microscopie électronique. La théorie des dislocations montre que le déplacement d’une dislocation dans son plan de glissement ne nécessite qu’une contrainte faible par rapport à celle qui est nécessaire pour le cisaillement de deux plans d’un cristal sans imperfection. Ainsi, les interactions et les déplacements des dislocations sous des contraintes limitées dans le réseau atomique du cristal aboutissent à des déformations équivalant aux glissements de plans et sont en majeure partie responsables de la plasticité de l’état métallique. Dans le développement de leurs déplacements, les dislocations sont gênées par divers obstacles, tels que les joints de grains (cas réel des agrégats polycristallins), des atomes d’impuretés ou de précipités, des atomes d’additions formant des solutions solides ou des dislocations elles-mêmes. Si la propagation des dislocations est bloquée, il se produit par un mécanisme complexe une consolidation ou une résistance du métal à sa déformation. Ce phénomène, appelé écrouissage, se manifeste par l’augmentation des caractéristiques mécaniques de résistance à la déformation (résistance à la rupture par traction, limite d’élasticité, dureté) et par l’abaissement, en contrepartie, des caractéristiques de capacité de déformation (allongement et striction à la rupture par traction). Cette perte de plasticité du métal écroui nécessite un recuit pour retrouver une structure relativement parfaite des cristaux avec un minimum de dislocations, afin de poursuivre la déformation. À chaud, la déformation du métal, ou corroyage, est beaucoup plus aisée, car, suivant la température, le phénomène d’écrouissage peut difficilement apparaître par suite d’une recristallisation partielle immédiate. Le travail des métaux à chaud permet des déformations beaucoup plus importantes qu’à température ambiante. Pour certains métaux, tels que le plomb et l’étain, dont la température de recristallisation est inférieure à 0 °C, la déformation à température ambiante peut être importante sans écrouissage.