ALS - Magazine 6 - Septembre 2017

12 / ALS Mag Typiquement, sous une contrainte de traction croissante 14 (Figure 2), un barreau de métal s’allonge d’abord de façon réversible jusqu’à environ 0,2% de sa longueur initiale (on parle d’une déformation de 0,2%). Lorsqu’on ramène la contrainte à zéro, le métal reprend sa place initiale. La déformation est linéaire en fonction de la contrainte appliquée. Au-delà, le métal s’allonge de façon irréversible : les dislocations ont commencé à bouger de façon massive. On appelle limite d’élasticité la contrainte à partir de laquelle se déclenche ce phénomène. La déformation se poursuit pendant que l’effort continue à croître, rétrécissant la section du barreau. La force globale passe alors par un maximum. La contrainte à ce moment est appelée résistance du matériau. Si on veut augmenter l’effort, il y aura rupture. Cependant, on peut continuer à déformer le barreau en acceptant de baisser l’effort. Cela se poursuit jusqu’à une déformation maximale conduisant à la rupture. Cette déformation à rupture mesure la ductilité du matériau. Cette dernière varie énormément suivant le type de déformation imposée : en traction, en compression, en cisaillement, etc. Nous venons d’introduire une grande quantité de propriétés importantes dans la pratique : la limite d’élasticité, la résistance à la rupture, la ductilité. Tout cela varie énormément avec la température. Le meilleur compromis dépendra beaucoup de ce qu’on souhaite faire subir au métal et à quelle température tout au long de sa vie : pendant sa mise en forme et pendant son utilisation. Dans la plupart des cas, la résistance augmente lorsque la température diminue. Par contre, la déformation à rupture diminue fortement. Or, pour la plupart des applications, il faut absolument qu’une certaine déformation minimale soit possible en service sous peine de casser de façon catastrophique 15 . C’est pourquoi, on a défini des essais particuliers dits de résilience garantissant qu’à la température d’utilisation, le matériau a encore la capacité de se déformer et d’éviter ainsi une rupture brutale. Il s’agit d’une propriété proche de la ductilité mais néanmoins différente. En général, la résistance et la ductilité (ou la résilience) sont des propriétés antagonistes. Lorsqu’on améliore l’une, on détériore l’autre. La figure 3 donne, par exemple, la courbe dite en banane donnant les différents aciers pour application automobile dans un diagramme reliant leur ductilité à leur résistance. La limite élastique est le paramètre principal pour dimensionner les structures. On a donc essayé de l’augmenter par divers moyens. Dans tous les cas, on cherche à bloquer le déplacement des dislocations mais pas trop sous peine de ductilité ou de résilience désastreuse. On peut utiliser des éléments d’alliage qui durcissent le matériau, des précipités très fins (de taille nanométrique), etc. Un moyen particulièrement efficace est de diminuer la taille des unités cristal- lines 16 . En effet, les métaux sont constitués de multiples cristaux du métal de base dont les orientations sont différentes. Chaque cristal est appelé “ grain” et entre chacun d’eux existe une interface plus ou moins planaire appelée joint de grain qui bloque les dislocations. C’est pourquoi on recherche généralement des grains fins ; cependant, c’est le contraire qui est recherché à haute température car la rupture intervient dans les joints. Pour ce cas, on a cherché à faire des pièces composées d’un seul cristal. Les métaux ont donc des propriétés électroniques, magnétiques et mécaniques intéressantes. En revanche, ils sont en général très denses et pèsent donc lourd pour les applications où le gain de poids est important (aéronautique, automobile, etc.). La densité 17 est liée à l’arran- gement atomique. Il est impossible de la modifier sauf à introduire des atomes étrangers plus légers. C’est par exemple le cas des alliages Aluminium- Lithium 18 qui permettent un allégement significatif des structures d’avions. Les matériaux métalliques et leurs procédés Figure 2 : Courbe de traction typique avec palier après la partie élastique de la déformation (d’après la Ref.14). Figure 3 : Répartition des aciers actuels sur une courbe dite en banane : allongement versus contrainte à la rupture.