Le stress dans la science des matériaux
Introduction
En science des matériaux, la contrainte désigne la force appliquée à un matériau par unité de surface. Il s'agit d'un concept essentiel qui permet de comprendre comment les matériaux réagissent aux forces extérieures et qui joue un rôle crucial dans la détermination de la capacité d'un matériau à résister à différents types de conditions de charge sans se rompre. Le stress est un facteur clé dans la conception des matériaux et des structures afin de garantir leur résistance, leur durabilité et leur performance dans différentes conditions.
Définition de la contrainte
La contrainte est définie mathématiquement comme la force F appliquée à un objet divisée par la section A sur laquelle la force est appliquée :
Contrainte(σ)=F/A
Où :
- F est la force appliquée (en Newtons, N)
- A est la surface de la section transversale (en mètres carrés, m²)
- σ est la contrainte, mesurée en Pascals (Pa) ou en Newtons par mètre carré (N/m²).
En science des matériaux, il existe deux principaux types de contraintes : les contraintes normales et les contraintes de cisaillement.
1)Contrainte normale: Se produit lorsque la force est appliquée perpendiculairement à la surface, soit en tension, soit en compression.
- Contrainte de traction: Lorsqu'un matériau est écarté (par exemple, étirement d'un fil).
- Contrainte de compression: Lorsqu'un matériau est comprimé (par exemple, en serrant une colonne).
2)Contrainte de cisaillement: se produit lorsqu'une force est appliquée parallèlement à la surface, provoquant le glissement des couches du matériau l'une par rapport à l'autre. Par exemple, couper une pièce de métal avec une force de cisaillement.
Types de contraintes dans les matériaux
Contrainte de traction:
La contrainte de tractionse produit lorsqu'un matériau est soumis à une force de traction. Elle entraîne l'allongement ou l'étirement du matériau.
Exemple: Un élastique est étiré.
Contrainte de compression:
La contrainte de compressionse produit lorsqu'un matériau est soumis à une force de compression, ce qui entraîne un raccourcissement ou une compression du matériau.
Exemple: Un pilier supportant le poids d'un bâtiment.
Contrainte de cisaillement:
La contrainte de cisaillementse produit lorsque deux forces opposées sont appliquées parallèlement à la surface, ce qui entraîne une déformation sous forme de glissement.
Exemple: Des ciseaux coupent du papier.
Contrainte de flexion:
La contrainte de flexionest une combinaison de contraintes de traction et de compression qui se produisent lorsqu'un matériau est plié.
Exemple: Une poutre supportant une charge en son milieu.
Facteurs affectant les contraintes
Plusieurs facteurs peuvent influencer la contrainte subie par un matériau :
-Les propriétés du matériau: La résistance, la ductilité et l'élasticité d'un matériau influent sur la manière dont il réagit à la contrainte. Par exemple, les métaux ont tendance à être plus ductiles sous une contrainte de traction, tandis que les céramiques peuvent se rompre plus facilement.
-La température: Les températures élevées peuvent affaiblir les matériaux et réduire leur capacité à résister aux contraintes avant de se déformer ou de se rompre.
-Conditions de chargement: Le taux et la durée des charges appliquées peuvent avoir un impact sur la réponse du matériau à la contrainte. Par exemple, un matériau peut céder sous l'effet d'une charge élevée appliquée rapidement, mais résister à la même contrainte si elle est appliquée lentement au fil du temps.
Relation contrainte-déformation
La contrainte et la déformation sont directement liées au module d'élasticité d'un matériau. La courbe contrainte-déformation décrit la façon dont un matériau se déforme sous différents niveaux de contrainte. Les principales régions de la courbe contrainte-déformation sont les suivantes
1)larégion élastique: Dans cette région, le matériau reprend sa forme initiale une fois la contrainte supprimée. La relation entre la contrainte et la déformation est linéaire.
2)Région plastique: Une fois que le matériau a atteint sa limite d'élasticité, il subit une déformation permanente.
3)Point de rupture: au-delà de la contrainte de traction ultime, les matériaux finissent par se rompre ou se fracturer.
Applications de la contrainte en science des matériaux
-Ingénierie structurelle: Il est essentiel de comprendre les contraintes pour concevoir des bâtiments, des ponts et d'autres structures afin de s'assurer qu'ils peuvent résister sans défaillance à des forces telles que le poids, le vent et les tremblements de terre.
-Fabrication: Dans des processus tels que le moulage, le forgeage et le soudage, les ingénieurs doivent tenir compte des contraintes afin d'éviter la déformation ou la défaillance des matériaux au cours de la production.
-Sélection des matériaux: Les capacités de résistance aux contraintes varient d'un matériau à l'autre. Par exemple, des matériaux comme l'acier sont utilisés dans la construction en raison de leur capacité à résister à des contraintes de traction et de compression élevées.
-Analyse de fatigue et de défaillance: Des cycles de contrainte répétés peuvent affaiblir les matériaux et entraîner leur défaillance au fil du temps. La compréhension des contraintes permet de prédire la fatigue des matériaux et de prévenir les défaillances de composants tels que les ailes d'avion et les pièces de moteur.
- Pourplus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).
Questions fréquemment posées
Quelle est la différence entre une contrainte de traction et une contrainte de compression ?
Lacontrainte de traction se produit lorsqu'un matériau est tiré ou étiré, ce qui entraîne un allongement. La contrainte de compression se produit lorsqu'un matériau est poussé ou comprimé, ce qui entraîne un raccourcissement ou un écrasement.
Comment la température influe-t-elle sur les contraintes subies par les matériaux ?
Les températures élevées affaiblissent généralement les matériaux, réduisant leur force et leur capacité à résister aux contraintes. Certains matériaux peuvent devenir plus ductiles et se déformer facilement, tandis que d'autres peuvent devenir cassants et se rompre plus rapidement.
Qu'est-ce que la limite d'élasticité dans la courbe contrainte-déformation ?
La limite d'él asticité est le niveau de contrainte auquel un matériau commence à se déformer plastiquement et ne peut reprendre sa forme initiale une fois la contrainte supprimée. Au-delà de ce point, une déformation permanente se produit.
Pourquoi est-il important de comprendre les contraintes dans l'ingénierie structurelle ?
Les ingénieurs doivent comprendre les contraintes pour s'assurer que les bâtiments, les ponts et les autres structures peuvent résister aux forces externes telles que le poids, le vent et l'activité sismique sans s'effondrer ou connaître une défaillance.
Qu'est-ce que la fatigue dans les matériaux et quel est son rapport avec la contrainte ?
Lafatiguedésigne l'affaiblissement d'un matériau dû à des contraintes répétées ou cycliques au fil du temps. Même des niveaux de contrainte inférieurs à la résistance ultime du matériau peuvent provoquer une défaillance s'ils sont appliqués de manière continue ou cyclique.
