Déformation
Lorsque le stress est présent, la déformation est également un facteur à considérer. Les deux types de déformation seront abordés dans cet article.
Définition de la Déformation
Dans l'utilisation du métal à des fins d'ingénierie mécanique, un état de stress donné existe généralement dans un volume significatif du matériau. La réaction de la structure atomique se manifeste à une échelle macroscopique. Par conséquent, chaque fois qu'un stress (aussi minime soit-il) est appliqué à un métal, un changement dimensionnel proportionnel ou une distorsion doit se produire.
Un tel changement dimensionnel proportionnel (intensité ou degré de la distorsion) est appelé déformation et est mesuré comme l'allongement total par unité de longueur de matériau dû à un stress appliqué. L'équation ci-dessous illustre cette proportion ou distorsion.
où :
ε = déformation (in./in.)
δ = allongement total (in.)
L = longueur originale (in.)
Notez que les unités métriques SI équivalentes aux pouces sont le millimètre, le centimètre et le mètre.
Types de Déformation
La déformation peut être de deux types : déformation élastique et déformation plastique.
Déformation Élastique
La déformation élastique est un changement dimensionnel temporaire qui persiste uniquement tant que le stress initial est appliqué et disparaît immédiatement lorsque le stress est supprimé. La déformation élastique est également appelée déformation réversible. Les stress appliqués déplacent les atomes d'un cristal de leur position d'équilibre. Tous les atomes sont déplacés de la même quantité tout en conservant leur géométrie relative. Lorsque les stress sont supprimés, tous les atomes retournent à leur position d'origine et aucune déformation permanente ne se produit.
Déformation Plastique
La déformation plastique (ou déformation irréversible) est un changement dimensionnel qui ne disparaît pas lorsque le stress initial est supprimé. Elle est généralement accompagnée de déformation élastique.
Le phénomène de déformation élastique et de déformation plastique dans un matériau est appelé élasticité et plasticité, respectivement.
À température ambiante, la plupart des métaux présentent une certaine élasticité, qui se manifeste dès qu'un stress, même minime, est appliqué. Habituellement, ils possèdent également une certaine plasticité, mais cela peut ne pas devenir apparent tant que le stress n'a pas été considérablement augmenté. L'ampleur de la déformation plastique, lorsqu'elle apparaît, est susceptible d'être beaucoup plus grande que celle de la déformation élastique pour un incrément de stress donné. Les métaux ont tendance à présenter moins d'élasticité et plus de plasticité à des températures élevées. Quelques métaux purs non alliés (notamment l'aluminium, le cuivre et l'or) montrent peu, voire aucune, élasticité lorsqu'ils sont soumis à un stress dans l'état recuit (chauffé puis refroidi lentement pour éviter la fragilité) à température ambiante, mais présentent une plasticité marquée. Certains métaux non alliés et de nombreux alliages ont une élasticité marquée à température ambiante, mais pas de plasticité.
L'état de stress juste avant que la déformation plastique ne commence à apparaître est connu sous le nom de limite proportionnelle, ou limite élastique, et est défini par le niveau de stress et la valeur correspondante de la déformation élastique. La limite proportionnelle est exprimée en livres par pouce carré en unités impériales, ou en Newton par mètre carré en unités métriques. Pour les intensités de charge au-delà de la limite proportionnelle, la déformation se compose à la fois de déformations élastiques et plastiques.
Comme mentionné précédemment dans cet article, la déformation mesure le changement dimensionnel proportionnel sans charge appliquée. De telles valeurs de déformation sont facilement déterminées et cessent seulement d'être suffisamment précises lorsque la déformation plastique devient dominante.
Lorsque le métal subit une déformation, son volume reste constant. Par conséquent, si le volume reste constant alors que la dimension change sur un axe, alors les dimensions d'au moins un autre axe doivent également changer. Si une dimension augmente, une autre doit diminuer. Par exemple, une forme peut passer de courte et large à longue et mince, mais le volume reste le même. Il existe quelques exceptions. Par exemple, le durcissement par déformation implique l'absorption d'énergie de déformation dans la structure du matériau, ce qui entraîne une augmentation d'une dimension sans diminution compensatoire dans d'autres dimensions. Cela provoque une diminution de la densité du matériau et une augmentation du volume.
Si une charge de traction est appliquée à un matériau, le matériau s'allongera sur l'axe de la charge (perpendiculaire au plan de stress de traction), comme illustré dans l'image ci-dessous (Tension). Inversement, si la charge est compressive, la dimension axiale diminuera, comme illustré dans l'image ci-dessous (Compression). Si le volume est constant, une contraction ou une expansion latérale correspondante doit se produire. Ce changement latéral aura une relation fixe avec la déformation axiale. La relation, ou le rapport, de la déformation latérale à la déformation axiale est appelée coefficient de Poisson du nom de son découvreur. Il est généralement symbolisé par la lettre ν.
Changement de Forme du Cylindre Sous Stress
Déformation des Structures Cubiques
La capacité d'un matériau à se déformer plastiquement à de faibles stress appliqués dépend de sa structure cristalline. Il est plus facile pour les plans d'atomes de glisser les uns par rapport aux autres si ces plans sont étroitement empilés. Par conséquent, les structures cristallines avec des plans étroitement empilés permettent plus de déformation plastique que celles qui ne le sont pas. De plus, les structures cristallines cubiques permettent un glissement plus facile que les structures non cubiques ; cela est dû à leur symétrie qui offre des plans étroitement empilés dans plusieurs directions. La plupart des métaux sont constitués de cristaux cubiques centrés sur le corps (BCC), cubiques centrés sur les faces (FCC), ou hexagonaux compacts (HCP). Une structure cristalline cubique centrée sur les faces se déformera plus facilement sous charge avant de se rompre qu'une structure cubique centrée sur le corps.
Le réseau BCC, bien que cubique, n'est pas étroitement empilé et forme des métaux solides. Le fer α (une forme de fer appelée fer 'alpha') et le tungstène ont la forme BCC. Le réseau FCC est à la fois cubique et étroitement empilé et forme des matériaux plus ductiles. L'argent, l'or et le plomb ont une structure FCC. Enfin, les réseaux HCP sont étroitement empilés, mais pas cubiques. Les métaux HCP comme le cobalt et le zinc ne sont pas aussi ductiles que les métaux FCC.
Résumé
Les informations importantes de ce chapitre sont résumées ci-dessous.
Résumé de la Déformation
- La déformation est le changement dimensionnel proportionnel, ou l'intensité ou le degré de distorsion, dans un matériau sous stress.
- La déformation plastique est le changement dimensionnel qui ne disparaît pas lorsque le stress initial est supprimé.
- La limite proportionnelle est la quantité de stress juste avant le point (seuil) auquel la déformation plastique commence à apparaître, ou le niveau de stress et la valeur correspondante de la déformation élastique.
- Il existe deux types de déformation :
La déformation élastique est un changement dimensionnel transitoire qui n'existe que tant que le stress initial est appliqué et disparaît immédiatement à la suppression du stress.
La déformation plastique (déformation plastique) est un changement dimensionnel qui ne disparaît pas lorsque le stress initial est supprimé.