Résistance des métaux : un guide et un tableau détaillés

La résistance du métal est l'une des propriétés mécaniques les plus essentielles pour déterminer l'adéquation d'un métal à des applications données. Cela signifie dans quelle mesure un métal peut résister à des charges ou à des forces externes sans se déformer ni se casser. Les métaux à haute résistance sont inestimables dans la construction, les machines et l’aérospatiale, où ils soutiennent les structures et résistent à des conditions extrêmes.

Dans ce guide, nous distinguerons les types de résistance, discuterons des facteurs qui influencent la résistance du métal et de la manière dont ils peuvent être manipulés pour améliorer les performances d'un métal. De plus, nous vous fournirons un tableau de résistance du métal pour vous aider à choisir le matériau métallique que vous souhaitez de manière plus intuitive.

Types de résistances métalliques

Les matériaux présentent différents types de résistance selon la manière dont une charge est appliquée. Voici les types fondamentaux de conditions de chargement pour une tige :

• Chargement de traction : forces qui tirent ou étirent le matériau.
• Chargement de compression : forces qui poussent ou compriment le matériau.
• Charge de cisaillement : forces qui agissent parallèlement à la surface d'un matériau, provoquant le glissement de couches ou de plans du matériau les uns sur les autres.
• Chargement de flexion (flexion) : forces qui provoquent la flexion du matériau.
• Chargement de torsion : forces qui tordent le matériau.
• Chargement par impact : charges d'impact ou de choc soudaines et violentes.

Nous aborderons ensuite en détail plusieurs des types de force les plus courants.

1. Résistance à la traction

La résistance à la traction fait référence à la quantité maximale de contrainte de traction (traction ou étirement) qu'un matériau peut supporter avant de se rompre. Il mesure la charge qu’un matériau peut supporter avant sa rupture.

Cette courbe contrainte-déformation représente une performance de traction typique. Les points A, B et C représentent trois nœuds clés de la résistance à la traction, qui servent de points de référence indiquant des transformations significatives dans les propriétés du produit sous tension. Vérifions ces trois points un à un.

Contrainte d'élasticité (Point A) : Cela signifie la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter avant de subir une déformation plastique permanente. Au-delà de ce point, le matériau ne reprendra pas sa forme initiale une fois la contrainte supprimée.

Les fabricants utilisent la limite d'élasticité pour fixer des limites opérationnelles sûres afin de maintenir l'intégrité structurelle et la fonctionnalité des matériaux. Il est également utilisé comme critère pour définir la défaillance dans de nombreux codes d'ingénierie.

Résistance ultime (Point B) : Lorsque l'on parle de résistance à la traction en général, il s'agit généralement de la résistance ultime à la traction (UTS). Il représente la charge maximale qu'un matériau peut supporter avant de commencer à se rétrécir. Après ce point, la section transversale diminue, entraînant une diminution de la contrainte que le matériau peut supporter jusqu'à sa rupture.

Vous pouvez évaluer la résistance à la traction d’un métal à l’aide d’une machine d’essai de traction (également connue sous le nom de machine d’essai universelle ou UTM). Il comporte deux poignées qui maintiennent l’échantillon aux deux extrémités. Lors des tests, la machine applique une force de traction contrôlée à la pièce jusqu'à sa rupture. La force de traction (ou contrainte) appliquée et l’allongement sont mesurés tout au long de l’essai pour déterminer la limite d’élasticité et les résistances à la traction ultimes du métal.

Résistance à la rupture (Point C) : La contrainte à laquelle le matériau finit par se briser et se briser. Il est utilisé pour concevoir des composants capables de résister à des conditions extrêmes, garantissant ainsi la sécurité en évitant les pannes catastrophiques.

2. Résistance à la compression

Ce type de résistance mesure la capacité d'un matériau à résister aux forces qui le compriment ou le raccourcissent. C'est la charge de compression maximale qu'un matériau peut supporter sans rupture.

Vous pouvez évaluer la résistance à la compression à l'aide d'une machine d'essai de compression. Il utilise généralement des plaques qui appliquent une pression sur la pièce à partir des deux extrémités, appliquant une force de compression contrôlée jusqu'à ce que le métal se déforme ou se brise. Le point où la déformation commence à se produire indique la résistance à la compression de ce métal.

3. Résistance aux chocs

La résistance aux chocs mesure la capacité d'un matériau à résister à la fracture ou à la déformation lorsqu'il est soumis à des impacts ou des chocs soudains et rapides. Il représente la capacité du matériau à absorber et à résister à l’énergie cinétique des objets impactant.

Il est généralement mesuré à l'aide d'une machine d'essai d'impact, telle que les testeurs Charpy ou Izod. Ces machines frappent une éprouvette entaillée avec un marteau pendulaire et enregistrent l'énergie absorbée par l'éprouvette lors de la fracture.

Pourquoi devons-nous en apprendre davantage sur la résistance des métaux ?

Comprendre la résistance des métaux est un aspect crucial pour comprendre les performances des matériaux. Cela nous permet de prendre des décisions éclairées concernant la sélection des bons matériaux pour diverses applications.

Sécurité et durabilité

La résistance des métaux revêt une importance primordiale pour garantir la sécurité et la durabilité des structures et des composants, en particulier dans les applications cruciales telles que les machines, les ponts et les bâtiments. L'acquisition de connaissances à ce sujet permet d'éviter les pannes pouvant entraîner des accidents, des blessures ou des décès, et garantit une durée de vie prolongée des produits, réduisant ainsi la fréquence des réparations et des remplacements.

Améliorer les performances

L'apprentissage de la résistance des métaux permet d'optimiser les performances dans diverses applications. Par exemple, dans les industries automobile et aérospatiale, l’utilisation de métaux présentant la résistance appropriée peut améliorer le rendement énergétique, réduire le poids et améliorer les performances globales.

Rentabilité

En comprenant la résistance des différents métaux, les fabricants peuvent prendre des décisions rentables. Choisir le bon métal pour la bonne application peut minimiser le gaspillage de matériaux, réduire les coûts de production et prolonger la durée de vie des produits, conduisant ainsi à des économies à long terme.

Conception innovante

L’apprentissage de la résistance des métaux ouvre des possibilités de solutions de conception et d’ingénierie innovantes. Il permet de créer des structures et des produits plus légers, plus solides et plus efficaces, repoussant les limites de ce qui est techniquement possible.

Les métaux les plus résistants utilisés dans la fabrication des métaux

Ensuite, nous présenterons certains métaux largement utilisés dans la pratique en raison de leur haute résistance.

Titane

Le titane est un métal naturel, réputé pour son rapport résistance/poids élevé. Outre sa légèreté et sa résistance à la traction exceptionnelle, le titane est également très résistant à la corrosion, ce qui en fait un excellent choix pour l'aérospatiale, les implants médicaux et les pièces automobiles hautes performances.

Il est souvent utilisé sous forme d’alliage pour améliorer encore ses propriétés. Un exemple courant est l’alliage de titane Ti-6Al-4V, qui comprend de l’aluminium et du vanadium et est largement utilisé dans l’industrie aérospatiale.

Tungstène

Parmi les métaux naturels, le tungstène est considéré comme le plus résistant en raison de sa résistance à la traction la plus élevée, atteignant jusqu'à 1 725 MPa. Associé à son point de fusion le plus élevé, le tungstène est incroyablement précieux dans les applications qui exigent une durabilité et une résistance à la chaleur extrêmes. Cependant, il est souvent fragile. Pour compenser cette propriété, le tungstène est généralement allié à d'autres éléments tels que le carbone. Le carbure de tungstène est largement utilisé dans les outils de coupe, les équipements miniers et les surfaces résistantes à l'usure en raison de sa dureté et de sa durabilité exceptionnelles.

Chrome

Avec une dureté de 8,5 sur l'échelle de Mohs, le chrome est considéré comme l'un des métaux les plus durs sur Terre et figure dans la liste des métaux les plus résistants. Cependant, le chrome n’est pas couramment utilisé sous sa forme pure en raison de sa fragilité. Il est souvent utilisé dans le chromage pour fournir une surface dure et résistante à la corrosion sur les métaux et les plastiques. De plus, le chrome est également utilisé dans les alliages haute performance pour améliorer la résistance, la résistance à l’usure et la résistance à la corrosion. L’acier inoxydable est un exemple typique d’un tel alliage et l’un des matériaux les plus largement utilisés dans diverses industries.

Acier

L'acier, fabriqué en alliant le fer avec du carbone et certains autres éléments, est le matériau d'ingénierie et de construction le plus important. La résistance de l'acier varie en fonction de ses composants d'alliage. Voici quelques types courants d’aciers les plus résistants :

L'acier inoxydable est un alliage de fer, de chrome et souvent de manganèse. Il est connu pour son excellente résistance à la corrosion, avec une limite d'élasticité d'environ 1 560 MPa et une résistance à la traction maximale allant jusqu'à 1 600 MPa. Cela le rend idéal pour les ustensiles de cuisine, les instruments médicaux et les matériaux de construction, car il est durable et résiste à la rouille.

L'acier faiblement allié à haute résistance (HSLA) est un autre type. C’est un alliage de fer avec de petites quantités de cuivre, de nickel, de vanadium, de titane et de niobium. Le HSLA est léger mais très solide et résistant, grâce aux techniques de microalliage et de traitement thermique. Il est largement utilisé dans la construction automobile, la construction de structures, la construction de ponts et de pipelines, où une résistance élevée et un faible poids sont cruciaux.

L'acier Maraging est un alliage de fer avec du nickel, du cobalt, du molybdène et du titane, et sa teneur en carbone est très faible. Cet acier est connu pour sa résistance et sa ténacité ultra élevées, obtenues grâce à un traitement thermique de vieillissement. Il est utilisé dans des applications hautes performances telles que l'aérospatiale, l'outillage, les trains d'atterrissage d'avions, les carters de moteurs de fusée et les engrenages hautes performances.

L'acier à outils est composé d'éléments comme le tungstène, le molybdène, le chrome et le vanadium. Il est incroyablement dur et résistant à l’abrasion, et peut conserver un bord tranchant à des températures élevées. L'acier à outils est essentiel pour fabriquer des outils de coupe, des matrices et des moules, en particulier là où une résistance à l'usure et une ténacité élevées sont nécessaires.

L'Inconel est une famille de superalliages à base de nickel-chrome connu pour sa haute résistance et son excellente résistance à l'oxydation et à la corrosion, même à haute température. L'Inconel est particulièrement utile dans les industries de transformation aérospatiale, marine et chimique, où les matériaux doivent supporter de fortes contraintes mécaniques et thermiques sans se dégrader.

Comment améliorer la résistance du métal ?

Après avoir compris les métaux les plus résistants couramment utilisés dans la fabrication métallique, nous pouvons comprendre que l’alliage (en particulier l’ajout de nouveaux éléments) est une méthode clé pour améliorer la résistance. Au-delà de l'alliage, d'autres méthodes pratiques sont souvent utilisées pour améliorer encore la résistance des métaux afin de répondre aux exigences toujours croissantes des applications modernes.

Renforcement du durcissement en solution

Bien qu'il s'agisse techniquement d'une forme d'alliage, elle se concentre sur la façon dont les éléments ajoutés sont intégrés dans la structure cristalline du métal pour améliorer sa résistance. Ce processus consiste à ajouter des atomes d'un élément d'alliage au réseau cristallin du métal de base pour former une solution solide. Les atomes incorporés créent des distorsions du réseau qui entravent le mouvement des dislocations, augmentant ainsi la résistance du métal.

Traitement thermique

Le traitement thermique est un processus contrôlé utilisé pour améliorer les performances d'un métal en modifiant sa structure. Voici quelques méthodes courantes de traitement thermique pour améliorer la résistance du métal :

• Trempe et revenu

La trempe consiste à chauffer le métal à une température élevée, puis à le refroidir rapidement dans un milieu tel que l'eau, l'huile ou l'air. Ce refroidissement rapide emprisonne les atomes de carbone dans la structure cristalline, formant une phase martensitique dure. Cette augmentation de la dureté s'accompagne généralement d'une augmentation de la résistance à la traction. Mais ce refroidissement extrême peut également introduire des contraintes internes et une fragilité.

Le revenu est souvent appliqué après la trempe pour soulager ces contraintes et restaurer une partie de la ductilité perdue lors de la trempe. Bien qu'il diminue légèrement la dureté, il améliore la ténacité et crée une microstructure plus stable, améliorant ainsi la capacité du métal à résister aux chocs et aux contraintes.

• Normalisation

La normalisation consiste à chauffer le métal au-dessus de sa température critique, puis à le refroidir à l'air. Ce processus produit une structure plus uniforme et plus fine, améliorant ainsi la résistance du métal.

• Durcissement par précipitation (vieillissement)

Il s'agit de chauffer le métal à une température modérée et de maintenir cette température pendant une période prolongée pour permettre à de fins précipités de se former dans la structure cristalline du métal. Ces précipités augmentent la limite d'élasticité et la dureté du matériau en empêchant le mouvement des dislocations.

Travail à froid

Le travail à froid, également connu sous le nom d'écrouissage, consiste à déformer plastiquement le métal à température ambiante par des processus tels que le laminage, l'étirage ou l'extrusion. Cette déformation augmente la densité des dislocations au sein de la structure cristalline, gênant leur mouvement et renforçant ainsi le matériau.

Tableau de résistance des métaux

Le tableau de résistance des métaux fournit un critère fiable pour choisir des matériaux bien adaptés à des applications spécifiques. Il fournit une évaluation complète des performances d'un métal dans diverses conditions de charge. Vous pouvez l'utiliser pour comparer rapidement les propriétés de différents métaux.

Types de métaux	Résistance à la traction (PSI)	Limite d'élasticité (PSI)	Dureté Rockwell (Échelle B)	Densité (Kg/m³)
Acier inoxydable 304	90 000	40 000	88	8000
Aluminium 6061-T6	45 000	40 000	60	2720
Aluminium 5052-H32	33 000	28 000	-	2680
Aluminium 3003	22 000	21 000	20 à 25	2730
Acier A36	58-80 000	36 000	-	7800
Acier de qualité 50	65 000	50 000	-	7800
Laiton jaune	-	40 000	55	8470
Laiton rouge	-	49 000	65	8746
Cuivre	-	28 000	10	8940
Bronze phosphoreux	-	55 000	78	8900
Aluminium Bronze	-	27 000	77	7700-8700
Titane	63 000	37 000	80	4500

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Résistance vs ductilité vs ténacité

Enfin, examinons rapidement certaines propriétés des matériaux importantes mais faciles à confondre à travers la courbe contrainte-déformation présentée ci-dessous.

• Force ultime :The maximum stress reached during the tensile test.
• Limite d'élasticité : The stress at which a material begins to deform plastically.
• Ductilité: A measure of the ability of a material to deform plastically (strain) before fracturing.
• Dureté: A measure of the ability of a material to absorb energy up until fracture. It can be thought of as the area under the stress-strain curve. For a material to have high toughness, it should have a good balance of both high strength and high ductility. Low strength and brittle materials tend to have low toughness.
• Résilience:A measure of the ability of a material to absorb energy while deforming elastically.
• Dureté: The ability of a material to resistance to deformation, particularly permanent deformation, indentation, or scratching. Generally, materials with high hardness tend to also have high strength, especially in terms of compressive and tensile strength. However, this correlation is not absolute.