métal (suite)

La plasticité d’un métal est sa faculté de pouvoir subir des déformations permanentes, sans atteindre la rupture, sous l’action d’un effort notable. Cette plasticité, qui permet la mise en forme du métal, se traduit d’une part par la malléabilité, ou facilité de réduction du métal en produits ou en feuilles minces par forgeage, martelage, laminage, emboutissage, d’autre part par la ductilité, ou faculté de transformation du métal en barres par filage, étirage ou en fils par tréfilage.

Élasticité et anélasticité des métaux

Les théories physiques de l’élasticité montrent qu’il y a proportionnalité entre la contrainte appliquée à un métal et la déformation qui en résulte, et cela quel que soit le mode d’application de l’effort (traction, flexion, torsion).

Cette relation, ou loi de Hooke, est caractérisée par le module d’élasticité, ou module de Young, en traction et par le module de Coulomb en torsion. La déformation élastique des métaux permet leur emploi dans de nombreuses applications mécaniques : ressorts, barres de flexion ou de torsion, pièces mécaniques soumises à des contraintes mécaniques ou thermiques, etc.

Cette élasticité n’est pas parfaite et varie suivant les métaux. L’anélasticité est due à l’existence d’un frottement interne dont les origines sont nombreuses, complexes et qui se manifeste surtout au cours d’un cycle important de déformations, comme un mouvement vibratoire. Cette propriété permet de choisir le métal ou l’alliage approprié à l’usage auquel on le destine, qu’il s’agisse de mise en vibrations (électro-acoustique), d’amortissement de vibrations (supports absorbants) ou de faible capacité d’amortissement des vibrations (cloches, cymbales, etc.).

Les méthodes de mesure utilisées dans ce domaine sont soit des méthodes statiques (traction, flexion, torsion), soit des méthodes dynamiques à fréquence plus ou moins élevée (pendule de torsion, flexion alternée, vitesse de transmission d’une vibration).

Plasticité des métaux

La déformation plastique des métaux polycristallins est en relation d’une part avec la déformation plastique du cristal constitutif et son orientation, d’autre part avec la présence des joints de cristaux. Le comportement plastique des métaux est dû à des imperfections cristallines dont la nature dépend de la répartition des atomes dans les cristaux et qui se présentent sous forme de défauts ponctuels en cas d’absence d’atomes (lacunes) ou d’introduction d’atomes étrangers, de lignes ou de plans de dislocation de rangées d’atomes, ou de surface aux joints de cristaux et aux interfaces de phases. Cette plasticité se manifeste sous des formes variées suivant les sollicitations que l’on fait subir au métal. De plus, il apparaît un phénomène particulier au cours de la déformation plastique ; c’est l’écrouissage. Lorsqu’un métal s’écrouit, ses caractéristiques mécaniques évoluent au cours même de la déformation plastique. Ainsi, si l’on arrête la déformation plastique par traction, on s’aperçoit qu’au cours de la traction suivante la limite d’élasticité du métal a augmenté : le métal s’est en quelque sorte consolidé avec une résistance accrue à la déformation (limite d’élasticité, charge de rupture, dureté), mais avec une moindre capacité de déformation (allongement, coefficient de striction). Aussi ne peut-on former des métaux par forgeage ou laminage à froid avec de fortes réductions de section sans effectuer un traitement thermique intermédiaire de recuit, qui fait disparaître cet écrouissage et restitue au métal une structure stable avec ses propriétés d’origine.

Des essais mécaniques permettent de mesurer ce comportement plastique : essais classiques de traction, de flexion, de compression, de torsion ou de cisaillement, d’emboutissage. Un essai particulier de dureté se pratique couramment pour le contrôle des pièces métalliques en raison de sa simplicité d’application. Ces essais, conduits généralement à température ambiante, peuvent l’être également à haute température. Toutefois, la traction et la torsion à chaud nécessitent un appareillage spécial, l’éprouvette étant placée dans un four à chauffage électrique. Pour la détermination de la dureté à chaud, il est nécessaire de protéger la surface de l’échantillon et le pénétrateur de mesure de toute oxydation en les plaçant dans une enceinte sous vide ou sous gaz protecteur.

Dans les essais de longue durée, on étudie l’évolution d’un seul des trois paramètres, déformation, contrainte et température, que l’on fait varier en fonction du temps, les deux autres étant maintenus constants.

• La variation de la déformation en fonction du temps, pour une contrainte et une température imposées, est l’essai de fluage ou de viscosité isotherme, que l’on réalise généralement par application d’un effort de traction ; on étudie la vitesse de déformation et le temps de rupture au cours d’essais conduits pendant des périodes de plusieurs centaines d’heures, jusqu’à 10 000 heures (14 mois).

• La variation de la contrainte en fonction du temps, pour une déformation et une température imposées, est l’essai de relaxation des contraintes.

• La variation de la température en fonction du temps, pour maintenir une contrainte et une déformation constantes, constitue l’essai d’autostabilisation thermique, peu pratiqué en raison de difficultés technologiques.

Ces essais à chaud en fonction du temps sont surtout utiles pour la détermination des caractéristiques mécaniques des pièces travaillant à des températures élevées (éléments de turbines, pièces d’aviation, organes de fours et d’appareils de chauffage).

Comportement au choc

L’étude de la rupture des pièces métalliques a montré que deux types principaux de ruptures se produisent : la rupture ductile par déformation des cristaux (cassure fibreuse ou à nerfs) et la rupture fragile sans déformation notable, par décohésion des cristaux (cassure à grains ou à facettes brillantes). Les essais dynamiques, en particulier par choc, ont pour objet de mettre en évidence la résistance du matériau à la rupture fragile à l’aide d’éprouvettes entaillées, l’effet d’entaille accentuant le phénomène de fragilité. L’essai de choc le plus courant s’effectue par flexion à l’aide d’un mouton pendule ; on laisse tomber d’une hauteur déterminée une masse avec un couteau sur une éprouvette entaillée de forme précise et l’on mesure le travail nécessaire à cette rupture.

On appelle résilience le coefficient K :

Un métal à faible résilience est fragile.