Discipline qui étudie la déformation et l’écoulement de la matière, et qui prolonge et complète différentes branches de la mécanique : élasticité, plasticité, hydraulique...

Le développement des techniques modernes nécessite une connaissance aussi exacte que possible du comportement, dans les conditions mêmes de fabrication, d’emploi ou de transport, des matériaux industriels : métaux, bétons, sols, verres, matières plastiques, caoutchoucs, produits pétroliers, peintures, mastics, encres, colles, etc.

Généralités

En raison de la variété et de la nouveauté de problèmes de caractère aussi interdisciplinaire, la recherche rhéologique demande une étroite coopération entre techniciens et scientifiques étudiant parallèlement, soit sous l’angle expérimental les relations existant entre les contraintes et les déformations, soit du point de vue théorique la forme mathématique des lois de comportement, ou encore les rapports avec la structure des corps à diverses échelles macroscopiques, colloïdales ou moléculaires. Il s’agit donc d’un sujet extrêmement vaste, dont on ne peut donner un aperçu qu’en passant en revue les méthodes et les modèles servant à classer différents types de comportement.

Entre les deux cas limites correspondant à des notions aussi idéales que le solide absolument indéformable et le liquide parfaitement fluide, la rhéologie distingue tout un éventail de comportements possibles.

À cet égard, les situations les plus simples sont celles du solide élastique et du liquide visqueux, familiers en mécanique classique. On sait que, dans le premier cas, les contraintes sont fonction des valeurs instantanées de déformations limitées et spontanément réversibles sans qu’entrent en ligne de compte la durée des sollicitations ou la vitesse des déformations. Dans le cas du liquide visqueux, le temps n’intervient pas non plus dans le comportement, puisque la vitesse de cisaillement conditionne alors les valeurs de contraintes qui provoquent, si faibles soient-elles, un écoulement irréversible et illimité.

En réalité, la distinction entre solide élastique et liquide visqueux n’est souvent pas aussi nette, la réponse aux sollicitations d’une même substance pouvant passer progressivement par des étapes intermédiaires, selon les conditions thermiques et mécaniques subies. C’est ainsi que les verres minéraux, qui semblent solides et cassants pour des essais rapides, coulent à la longue sous l’effet d’une force extérieure, voire de leur propre poids ou même d’un gradient de température, tandis que des solutions concentrées de caoutchouc gardent plus ou moins longtemps une certaine mémoire de leurs formes antérieures. L’acier lui-même présente, dans certains cas, un caractère visqueux, et les roches peuvent aussi subir de grandes déformations plastiques sans se rompre lorsqu’elles sont soumises à de hautes pressions.

Les contrôles de routine pratiqués dans l’industrie, comme l’essai de dureté par la mesure de l’empreinte laissée par une bille ou de l’enfoncement d’un poinçon, l’essai de plasticité par l’écrasement entre deux plateaux, l’essai de résilience par une hauteur de rebondissement, l’essai de viscosité par le déplacement d’une bille dans un tube, permettent de comparer la qualité des échantillons suivant des critères conventionnels.

Mais ces procédés empiriques ne permettent pas de caractériser les propriétés rhéologiques intrinsèques des matériaux, car leurs résultats sont généralement affectés par des effets secondaires perturbateurs, tels que frottements de surface, accélérations locales, variations de la température dans le temps ou dans l’espace. Un petit nombre d’essais fondamentaux, par contre, permet d’éviter ces complications et de comparer le comportement réel des corps à celui de modèles mécaniques plus simples. Le plus courant est l’essai à vitesse de déformation constante avec mesure de la réaction d’une éprouvette travaillant soit en extension ou en compression uniaxiale, soit en cisaillement simple par glissement des différentes couches de l’échantillon les unes par rapport aux autres. Les essais statiques sont préférables pour mettre en évidence des réactions dont on désire suivre l’évolution longtemps après un échelon de déformation initiale rapide. On cherche alors à maintenir soit la contrainte constante (essai de fluage ou de retard), soit la déformation (essai de relaxation) en déterminant à chaque instant, selon le cas, les variations de dimension ou la force exercée sur les éprouvettes.

Si on s’intéresse surtout à la réponse alors sensiblement linéaire des échantillons à des sollicitations rapides de faibles amplitudes, de l’ordre du pour-cent, on soumet l’éprouvette à un essai harmonique ; comme les déformations varient de façon sinusoïdale en fonction du temps, on peut alors déterminer, par analogie avec la capacité et la perte des diélectriques, les deux composantes en quadrature et en phase d’un module d’élasticité ou, inversement, d’une complaisance dynamique. Pour des corps très déformables, la réaction des échantillons à un cisaillement indéfini à gradient de vitesse constant caractérise la viscosité.