Qu'est-ce que la ductilité?

La ductilité est un concept fondamental de la science des matériaux qui explique pourquoi certains matériaux (comme les métaux) peuvent se fléchir ou s'étendre considérablement sous le stress, tandis que d'autres (comme le verre) se font soudainement casser. Dans cet article, nous expliquerons ce qu'est la ductilité, comment elle est mesurée, pourquoi elle est importante et quels facteurs l'influencent.

Définition de la ductilité

La ductilité est la capacité d'un matériau à subir une déformation plastique en tension avant la fracture. En termes simples, un matériau ductile peut être étiré loin sans claquer - pensez que le cuivre est entraîné dans le fil. En revanche, les matériaux fragiles comme le verre ont tendance à se fissurer ou à se briser après très peu de déformation. Dans la science des matériaux, la déformation plastique est un changement permanent de forme. Cela diffère de la déformation élastique, qui est récupérable lorsque la charge est supprimée. La ductilité est étroitement liée à la plasticité mais plus spécifique: la plasticité est la capacité générale de déformation permanente sous n'importe quel mode (tension, compression ou cisaillement), tandis que la ductilité fait référence à cette capacité de tension.

D'un point de vue atomique, la ductilité élevée de nombreux métaux provient de la liaison métallique non directionnelle et de la disponibilité de systèmes de glissement qui permettent aux dislocations de se déplacer. Avec la contrainte appliquée, la glissement de dislocation permet aux cristaux métalliques de s'adapter à la tension plastique, de sorte que les métaux se plient ou s'étirent souvent plutôt que de fracture. En revanche, la céramique et le verre ont des liaisons ioniques ou covalentes directionnelles et un glissement très limité, donc sous la tension, ils ont tendance à se fissurer avant un flux plastique appréciable. Cependant, tous les métaux ne sont pas ductiles à température ambiante (par exemple, certains métaux BCC, des aciers à carbone élevé et des verres métalliques peuvent être relativement cassants) et des virages en verre chauffé principalement par un débit visqueux au-dessus de sa température de transition en verre - pas par ductilité de style métallique.

Mesures de la ductilité

Les tests de traction sont le moyen le plus courant de quantifier la ductilité: un échantillon est chargé en tension uniaxiale à la fracture, et la ductilité est signalée comme un pourcentage d'allongement à la rupture et en pourcentage de réduction de la superficie.

• Pourcentage d'allongement à la pause (un%)

Le pourcentage d'augmentation de la longueur de la jauge à la fracture: un% = (LF - L0) / L0 × 100%, où L0 est la longueur de jauge d'origine et LF est la longueur finale à la pause. Un% plus élevé indique une ductilité de traction plus élevée.

• Pourcentage de réduction de la superficie (RA%)

Le pourcentage de diminution de la section transversale à l'emplacement de la fracture: PR% = (A0 - AF) / A0 × 100%, où A0 est la zone d'origine et AF est la zone minimale à la pause. Le grand% de PR reflète le rétrécissement prononcé et la forte ductilité post-détresse. (Moins sensible à la longueur de la jauge; pas idéal pour une feuille très mince.)

Les deux mesures sont généralement rapportées dans le cadre d'un test de traction. Par exemple, un échantillon en acier peut être décrit comme ayant, disons, à 20% d'allongement et une réduction de 60% de la zone à la rupture - indiquant un comportement ductile. En revanche, une céramique fragile pourrait ne montrer qu'un allongement à 1% et essentiellement 0% de réduction de la zone (elle se casse presque sans éclaircissement). Plus l'allongement et la réduction de la zone sont grands, plus le matériau ductile est durable.

Une autre façon de visualiser la ductilité est sur une courbe de contrainte-déformation, qui est un graphique obtenu à partir du test de traction. Le stress (force par unité de zone) est tracé contre la déformation (déformation relative). Les points clés de cette courbe comprennent:

• Module de Young (E):la pente de la région élastique linéaire; une mesure de la rigidité.
• Force d'élasticité (σᵧ):Le début de la déformation plastique (souvent défini par la méthode de décalage de 0,2% lorsqu'il n'existe pas de point d'écoulement net).
• Force de traction ultime (UTS):la contrainte d'ingénierie maximale. Au-delà de l'UTS, les cols d'échantillons; La fracture se produit plus tard, généralement à une contrainte d'ingénierie inférieure.
• Point de fracture:où le spécimen se casse enfin.

La courbe du matériau ductile montre une longue région en plastique après avoir cédé, indiquant qu'elle peut maintenir une grande déformation avant la fracture. En revanche, la courbe du matériau fragile se termine près du point de vue, avec peu ou pas de région plastique. En résumé, sur un graphique de contrainte d'ingénierie-contrainte (pour une longueur de jauge indiquée), la ductilité se reflète par la déformation totale à la fracture - longue pour les matériaux ductiles, abrégées pour les cassures cassantes. Cependant, la déformation de fracture apparente dépend de la longueur de la jauge choisie, et une fois que le rétrécissement commence, la déformation se localise, de sorte que la courbe d'ingénierie n'est pas une mesure directe de la ductilité post-necking. Pour cette raison, les spécifications signalent généralement un pourcentage d'allongement à la rupture (un%) ainsi qu'une réduction en pourcentage de la superficie (RA%).

Quelle est la différence entre la ductilité et la malléabilité?

La ductilité est la capacité d'un matériau à s'étendre en tension sans se casser; Nous le quantifions avec un pourcentage d'allongement ou de réduction de la superficie d'un test de traction. Si un métal peut être entraîné dans du fil, il est ductile. La malléabilité est la capacité d'un matériau à se déformer en compression - à être martelée, roulée ou pressée dans la feuille - sans fissurer; Nous le jugeons avec des tests de pliage / aplatissement / coupe ou par la réduction de l'épaisseur qu'il peut tolérer.

En pratique: l'or, le cuivre et l'aluminium sont à la fois très ductils et malléables (parfaits pour le fil et la feuille). Le plomb est très malléable mais seulement modérément ductile (facile à rouler en feuille, plus pauvre que le fil fin). Le magnésium est limité dans la malléabilité à température ambiante, tandis que le zinc devient plus malléable lorsqu'il est réchauffé. Pour la fabrication, choisissez des alliages ductiles pour le dessin, les étirements profonds et les fonctionnalités dominées par la traction; Choisissez des alliages malléables pour le roulement, l'estampage et le forgement où la compression domine. La température et la structure cristalline décalent les deux propriétés. Règle rapide: ductilité = tension / fil; Malléabilité = compression / feuille.

Pourquoi la ductilité compte

La ductilité est le cheval de bataille silencieux derrière la fabrication et la sécurité en cours. Dans l'usine, il permet de rouler les métaux en feuille, dessinés dans du fil et forgé sans se fissurer. Dans le domaine, il permet aux composants d'absorber l'énergie, de redistribuer les contraintes et de fournir un avertissement avant l'échec.

Matériaux ductibles pour la fabrication

Une ductilité élevée signifie généralement qu'un matériau est réalisable: il peut être forgé, roulé, dessiné ou extrudé en différentes formes sans se fissurer. La faible ductilité (fragilité) signifie que le matériau est difficile à déformer et est mieux adapté à des processus tels que la coulée ou l'usinage (où le matériau n'est pas obligé de changer de forme plastiquement).

Forger et rouler:Ces processus déforment le métal solide en forme - en martelant (forgeant) ou en passant entre les rouleaux (roulement). Les métaux ductils tolèrent les grandes souches en plastique impliquées. En pratique, les dalles / fleurs en acier sont roulées à chaud dans des formes de feuille, de plaque et de structure telles que les poutres en I, et l'aluminium est facilement forgé dans des composants - le métal s'écoule sous des charges de compression. En revanche, les alliages fragiles comme la fonte ont tendance à se fissurer sous une forte déformation, ils sont donc généralement façonnés par le moulage à une forme quasi-réseau.

Dessin d'extrusion et de fil / bar:L'extrusion pousse le métal à travers une matrice pour fabriquer de longs produits de coupe de croisement constant; Le dessin de fil / bar tire le bouillon solide à travers une matrice pour réduire le diamètre. Les deux dépendent du débit plastique. Les alliages ductils tels que l'aluminium, le cuivre et l'acier à faible teneur en carbone peuvent être extrudés dans des tubes et des profils (par exemple, des cadres de fenêtre, des sections de casier thermique) et entraînés dans un fil électrique fin. Les matériaux sans ductilité suffisante à la température de traitement ont tendance à vérifier ou à se fissurer à la matrice, c'est pourquoi le verre ou la céramique ne sont pas extrudés / dessinés à l'état solide; Leurs fibres sont plutôt tirées de la fonte.

Dessin profond:Le dessin profond forme des tasses et des canettes axisymétriques en forçant une feuille dans un dé avec un coup de poing; La bride se nourrit vers l'intérieur tandis que les murs se rétrécissent légèrement. La ductilité adéquate empêche la division et les rides. Les corps de boissons en aluminium sont l'exemple classique.

Boule et estampage en feuille de métal:La flexion générale et l'estampage des panneaux et des enclos de carrosserie exigent la ductilité pour éviter la fissuration des bords et le peel orange lorsque la feuille est étirée dans la filière. Les grades en acier et en aluminium sont adaptés à la formabilité, donc des formes complexes (par exemple, un capot de voiture) peuvent être tamponnées sans défaillance.

Impression en métal 3D (AM):La ductilité compte toujours. Les pièces imprimées, en particulier à partir de la fusion du lit de poudre laser (LPBF) - peuvent montrer une ductilité réduite en raison de microstructures fines et texturées, des contraintes résiduelles et de la porosité. Soulagement du stress et pressage isostatique chaud (hanche), souvent suivi d'un traitement thermique léger, restaurer la ductilité et réduire le risque de fissuration; Les alliages tels que TI-6AL-4V et ALSI10mg peuvent ensuite fournir une ductilité en service utile.

Matériaux ductibles pour les applications du monde réel

La ductilité n'est pas seulement une métrique de laboratoire - elle affecte directement les performances des structures, des véhicules et des équipements du monde réel. Voici pourquoi cela compte dans l'ingénierie et la conception:

Prévenir une défaillance soudaine et améliorer la sécurité:Les matériaux ductiles échouent progressivement: ils donnent et absorbent l'énergie avant la fracture, offrant un avertissement visible et permettant aux charges de redistribuer. Dans les bâtiments, c'est pourquoi l'acier de structure est favorisé - un faisceau surchargé se pliera plutôt que de casser. Le béton armé suit la même logique: les barres d'armature en acier intégrées ajoutent de la ductilité afin que les membres puissent fléchir sous la demande sismique au lieu de se séparer.

Absorption d'énergie dans les impacts (applications sismiques et crash):Dans des charges dynamiques, la ductilité transforme l'énergie d'impact en travail plastique. Les cadres en acier dissipent les forces de tremblement de terre par le rendement et les zones de froissement automobiles en acier ou en aluminium se plient de manière contrôlée pour réduire la décélération de la cabine. Les structures corporelles modernes équilibrent la résistance à la ductilité (par exemple, les aciers DP / Trip) et les alliages aérospatiaux AL / Ti conservent suffisamment de ductilité pour les frappes d'oiseaux, la pressurisation et la tolérance au froid.

Résilience structurelle et redondance:Les systèmes ductils peuvent continuer à porter une charge après le rendement local en étalant les contraintes aux membres voisins, ce qui réduit les chances d'effondrement progressif. C’est pourquoi les ponts utilisent des aciers ductiles et pourquoi les pipelines et les câbles sont conçus pour se plier ou baisser le mouvement ou la surcharge au sol plutôt que la rupture.

Facteurs qui affectent la ductilité

La ductilité n'est pas fixée dans toutes les conditions. Voici les principaux facteurs qui l'affectent:

Température:La ductilité est très dépendante de la température. Des températures plus élevées augmentent la mobilité atomique et le mouvement de dislocation, permettant un débit plastique; Les températures plus basses restreignent les mouvements et favorisent la fissuration de type clivage. De nombreux métaux BCC (par exemple, certains aciers) ont une température de transition ductile à brittle (DBTT) - pour le faire, ils restent ductiles; En dessous, ils peuvent se fracturer soudainement. Un exemple classique est l'acier de structure: à des températures ambiantes, elle peut se plier, mais à des températures très basses, elle peut se fracturer. Les ingénieurs conservent donc des températures de service au-dessus du DBTT ou spécifient les grades à basse température. En revanche, la plupart des métaux FCC (par exemple, en aluminium, cuivre) n'ont pas de DBTT net et restent ductiles même lorsqu'ils sont froids.

Composition et alliage:Les éléments présents et les phases qu'ils forment influencent fortement la ductilité. Les métaux purs tels que l'or, le cuivre et l'aluminium sont généralement très ductiles. L'ajout de solutés ou la création de deuxièmes phases dures augmente la résistance mais réduit souvent la ductilité en entravant le mouvement de dislocation. Dans les aciers en carbone, les grades à faible teneur en carbone restent formables, tandis que les aciers à haute teneur en carbone et en outil sont beaucoup moins ductiles à moins d'être trempés. Les traces d'impuretés adoptent également de l'acier: le soufre peut provoquer une achats chauds et le phosphore peut provoquer un fracassement froid. Le traitement thermique ajuste l'équilibre: la martensite éteinte est forte mais a une faible ductilité jusqu'à température, tandis que le recuit restaure la ductilité. Des lunettes métalliques illustrent la limite; Ils sont très forts mais généralement cassants car le glissement de cristal est absent.

Structure cristalline et systèmes de glissement:La ductilité reflète comment les dislocations se déplacent facilement. Les métaux FCC tels que l'aluminium, le cuivre, le nickel et l'or ont de nombreux systèmes de glissement actifs et restent ductiles même à basse température, sans transition ductile à brittle nette. Les métaux BCC tels que les aciers ferritiques, le chrome et le tungstène nécessitent une activation thermique pour le glissement et montrent souvent une transition ductile à brutt, de sorte que la ductilité tombe dans le froid. Les métaux HCP tels que le magnésium, le zinc et le titane à température ambiante ont moins de systèmes de glissement; Sans jumelage ou température élevée, ils se déforment mal et peuvent se fissurer. En général, les systèmes de glissement plus disponibles signifient une ductilité inhérente plus élevée et de meilleures performances à basse température.

Résilience structurelle et redondance:Les systèmes ductils peuvent continuer à porter une charge après le rendement local en étalant les contraintes aux membres voisins, ce qui réduit les chances d'effondrement progressif. C’est pourquoi les ponts utilisent des aciers ductiles et pourquoi les pipelines et les câbles sont conçus pour se plier ou baisser le mouvement ou la surcharge au sol plutôt que la rupture.

Ductilité dans les matériaux avancés d'aujourd'hui

Les matériaux avancés sont confrontés à un compromis classique de résistance-ductrance: à mesure que nous générons une résistance plus élevée - le raffinement des grains VIA ou le durcissement microstructural - la plupart des alliages perdent la ductilité et deviennent sujets à une fracture soudaine. Les chercheurs abordent cela avec trois stratégies principales. Premièrement, les architectures hétérogènes et nano-lamellaires associent des régions ultra-fortes avec des régions plus conformes, émoussant les fissures tout en préservant la force; Certains systèmes dépassent désormais 2 GPa en résistance à la traction avec une allongement d'environ 15 à 16%. Deuxièmement, les alliages Trip / Twip (Transformation / Twinning induits de plasticité) Transformation de phase de harnais ou jumelage pendant la déformation pour absorber l'énergie, offrant une forte résistance avec un allongement substantiel - idéal pour les structures automobiles en état de crash. Troisièmement, les alliages à forte entropie (par exemple, Crmnfeconi) maintiennent une ténacité exceptionnelle aux températures cryogéniques, ce qui remet en question la notion que «le froid signifie cassant». Les réseaux architectés et les composites de matrice métallique ajoutent un levier de conception, en utilisant la géométrie et les renforts pour régler davantage l'équilibre. Pourquoi cela compte: surmonter ce compromis permet de manière plus légère et plus sûre de voitures et d'avions, des bâtiments plus résilients et des matériaux qui se forment, soulevant et machine de manière fiable. En bref, l'avenir de la ductilité concerne la structure - de l'échelle nanométrique à l'échelle de pièce.

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