Propriétés mécaniques des matériaux

Rigidité

Tout matériau soumis à une contrainte se déforme.
Pour une faible déformation, tant que celle-ci est réversible (le matériau reprend sa forme initiale lorsque la contrainte cesse), elle est proportionnelle à la contrainte.

En tension (traction) ce coefficient de proportionnalité est le module d'Young (noté E). Il est déterminé au cours d'un essai de traction sur une éprouvette.
Il s'exprime en MPa (mégapascal).
Il est de 10 à 10⁴MPa pour les matières plastiques.
Il est de 10⁴ à 10⁶MPa pour les métaux et les céramiques.

En scission (cisaillement) ce coefficient est le module de Coulomb.

En compression c'est le module de compression volumique.

Au delà d'une certaine valeur, la déformation n'est plus totalement réversible. Cette valeur limite de contrainte est la limite élastique (noté Re ou Rp).

Résistance

C'est la contrainte maximale que peut supporter un matériau avant de se déformer de façon permanente (limite élastique) ou bien se rompre (contrainte à la rupture).

 En pratique la limite élastique est difficile à déterminer, alors il est d'usage de retenir la valeur de contrainte qui provoque une déformation permanente de 0,2% (noté Re_0,2 ou Rp_0,2). Elle est exprimée en MPa (mégapascal) ou en N/mm².

Si le matériau est soumis à une contrainte supérieure à la limite élastique, il subit une déformation permanente dite déformation plastique jusqu'à la rupture. La contrainte à la rupture (notée Rm) est la valeur maximale de contrainte appliquée avant la rupture.

La valeur de limite élastique du matériau est utilisée pour définir:
 - l'épaisseur minimum des parois soumises à une pression,
 - la vitesse de rotation maximum d'un mobile soumis à la force centrifuge,
...

La limite élastique des matériaux diminue avec l'augmentation de température.

Ductilité

C'est la propriété qu'a un matériau de se déformer de façon permanente avant de se rompre.
La ductilité facilite la mise en forme des matériaux à l'état solide.

Lors de l'essai de traction, la ductilité du matériau est estimée par l'allongement à la rupture comparé à l'élongation à la limite élastique. Si la rupture se produit peu après avoir dépassé la limite élastique, le matériau sera peu ductile.

La ductilité est généralement opposée à la fragilité: un matériau peu ductile est qualifié de fragile.

Ténacité

C'est la résistance qu'un matériau oppose à la propagation brutale des fissures.
On la caractérise par l'énergie nécessaire pour entraîner la fissure.

Résilience

La résilience caractérise la fragilité du matériau, c'est-à-dire son aptitude à résister aux chocs, qu'ils soient mécaniques ou thermiques. C'est une évaluation de la ténacité du matériau encore appelée résistance à la flexion par choc.
Elle est mesurée par un essai de choc sur une éprouvette et s'exprime en Joule/cm². Cependant l'usage actuel est d'exprimer la seule énergie de rupture du matériau en Joules, selon un test normalisé.

La résilience diminue fortement avec la température et est importante à considérer lorsque le service doit être assuré à basse température. La règlementation européenne prévoit que les équipements sous pression doivent être construits avec un matériau présentant une énergie de rupture >27J à la température minimale de calcul de l'équipement, ou au plus à 20°C.

La résilience peut également être affectée par un vieillisement du matériau exploité longtemps à haute température. Dans de telles applications il est courant d'inclure dans l'équipement à surveiller des coupons témoins qui l'accompagneront tout au long de sa vie, subissant les mêmes cycles de température que lui, et qui pourront être testés à intervalles réguliers pour vérifier la conformité de l'équipement. Les tests de résilience étant destructifs, il conviendra de prévoir une quantité suffisante de coupons témoins à la mise en service initiale de l'équipement.

Viscoélasticité

Phénomène qui fait que après application ou relâchement d'une contrainte, la déformation totale se produit progressivement.
La déformation est suffisamment faible pour que le matériau retrouve ses dimensions initiales après la disparition de la contrainte.
Ce comportement est surtout caractéristique des polymères et des élastomères.
Pour mesurer certaines caractéristiques (comme le module d'Young) de matériaux présentant ce comportement, il est nécessaire de préciser la durée de la contrainte.

Viscoplasticité

Phénomène qui fait que après application instantanée d'une contrainte supérieure à celle de la limite d'élasticité du matériau, il se produit une déformation progressive, dont une partie persiste après relâchement de la contrainte.
La déformation totale est la somme de:
- la déformation élastique instantanée
- la déformation viscoélastique
- la déformation viscoplastique
La viscoplasticité se manifeste dans les matières plastiques et dans le fluage.

Fluage

Phénomène qui fait qu'en appliquant une contrainte constante à un matériau, on observe une déformation qui s'accroît avec le temps, sans se stabiliser.

Il se manifeste pour les métaux et alliages métalliques, lorsque la température est supérieure à environ 0,5T_f (T_f : Température de fusion en Kelvin).

Il se manifeste pour les matières plastiques au voisinage de la température ambiante.

Résistance à la fatigue

La dégradation des matériaux par fatigue se produit lorsqu'une contrainte variable et cyclique est appliquée. La contrainte peut être due à un effort, une pression ou une variation de température.

La dégradation procède par l'apparition de fissures qui se développent jusqu'à conduire à la rupture ou la ruine du matériau.

Toute propriété ou traitement tendant à limiter l'apparition et le développement de fissures augmente la résistance à la fatigue. Par exemple:
 - régularité ou continuité dans la géométrie et l'état de surface
 - structure de grain le plus fin
 - orientation des grains dans le sens de l'effort
 - écrouissage qui augmente la limite élastique
 - traitement thermique qui durcis le matériau
 - réduction des défauts interstitiels, des précipités intergranulaires, des inclusions, des lacunes, ...

Résistance aux chocs thermiques

Un gradient de température à l'intérieur d'un matériau peut créer une contrainte due à la dilatation différentielle, telle qu'une fracture peut apparaître. Les matériaux sont plus ou moins sensibles à ce phénomène. Il n'existe pas de modèle simple permettant de le prédire. On ne sait que classer les matériaux les uns par rapport aux autres en combinant les différentes propriétés influentes.
On utilise souvent la combinaison suivante:
Rm x k / E / α
avec:
Rm : contrainte à la rupture (MPa)
k : conductivité thermique (W/m/K)
E : module de Young (MPa)
α : coefficient d'expansion thermique