Quels sont les matériaux aux propriétés connues qui présentent la meilleure résistance à la rupture ?

Introduction

La résistance à la rupture est une valeur qui indique l'énergie qui peut être absorbée par un matériau avant qu'il ne se fracture. Les scientifiques et les ingénieurs s'appuient sur cette valeur pour choisir les matériaux destinés aux ponts, aux avions et aux outils de la vie quotidienne. Nous allons parler de plusieurs catégories de matériaux en termes simples et de la manière dont ils réagissent lorsqu'il y a accumulation de contraintes.

Métaux et alliages : Les champions de la ténacité

Les métaux sont utilisés depuis longtemps lorsque la ténacité à la ruptureest nécessaire et extrêmement élevée. Ils sont susceptibles de présenter un très bon rapport résistance/ductilité.

- Acier maraging : Il présente une ténacité à la rupture de 100-200 MPa√m. Il est très ductile et présente une résistance élevée. Il est utilisé pour les pièces et les composants structurels à haute performance.

- Aciers à haute ténacité : Ces aciers offrent une ténacité d'environ 80-150 MPa√m. Ces aciers sont résistants à la croissance des fissures grâce à un contrôle minutieux de la microstructure et sont utilisés dans des applications où la fiabilité est essentielle.

- Alliages de titane (titane-6aluminium-4vanadium) : Avec des valeurs comprises entre 55 et 110 MPa√m, ces alliages sont largement utilisés en raison de leur faible poids et de leur résistance à la corrosion. Ils sont largement utilisés dans la production aéronautique et les appareils médicaux.

- Verres métalliques : Ils ont une résistance d'environ 80-100 MPa√m. Ils possèdent une déformation par cisaillement localisée en raison de leur caractère amorphe, ce qui leur confère un mélange inhabituel de résistance et de ténacité.

Lesmétaux ont tendance à être les meilleurs en termes de ténacité à la rupture, car leurs atomes peuvent se réarranger lorsqu'ils sont soumis à une contrainte. Ce réarrangement émousse les fissures et déforme l'énergie avant une rupture catastrophique.

Les céramiques : Le plus résistant des matériaux fragiles

Les céramiques sont extrêmement bien connues pour leur résistance à haute température. Elles ne sont cependant pas aussi résistantes à la rupture que les métaux. Les ingénieurs ont travaillé sans relâche pour renforcer la ténacité des céramiques.

- Zircone stabilisée à l'yttrium (Y-TZP) : elle présente une ténacité à la rupture de 10-15 MPa√m. Elle utilise la trempe par transformation, où une altération minimale de la structure cristalline la rend plus résistante à la croissance des fissures.

- Alumine trempée à la zircone (ZTA) : Avec des valeurs d'environ 7-10 MPa√m, le ZTA représente une amélioration de l'alumine pure avec les avantages de la zircone et de l'alumine.

Les céramiques ordinaires comme le carbure de silicium, l'alumine ordinaire et même le diamant ont des valeurs plus élevées. La trempe par transformation, le pontage des microfissures et l'inclusion de particules de seconde phase qui ralentissent ou arrêtent la croissance des fissures sont les méthodes de trempe les plus importantes.

Composites : Ténacité directionnelle

Les matériaux composites combinent deux ou plusieurs matériaux différents en un seul. Cela permet de transférer des propriétés telles que la résistance à la rupture pour répondre à des besoins spécifiques.

- Composites renforcés de fibres de carbone : Ils possèdent des valeurs de résistance à la rupture de l'ordre de 20-40 MPa√mdans la direction des fibres. Leur résistance et leur légèreté expliquent leur utilisation dans l'aérospatiale et les équipements sportifs de haute performance.

- Composites aramides et composites renforcés de fibres de verre : ils ont un coût d'environ 10-20 MPa√m. Les panneaux automobiles et les équipements de protection les utilisent en raison de leur compromis raisonnable entre la résistance et le coût économique.

- Composites hybrides : Grâce à l'exploitation des différentes fibres, les composites hybrides offrent une résistance sur mesure. Les composites hybrides exploitent les meilleures caractéristiques de chaque matériau.

Les mécanismes par lesquels ces composites deviennent résistants à la croissance des fissures comprennent l'arrachement des fibres, le pontage et la déviation des fissures. Ces mécanismes ralentissent la progression de la fissure au fur et à mesure qu'elle se déplace dans le matériau, améliorant ainsi la ténacité globale.

Matériaux superlatifs / avancés

Les matériaux avancés ne sont pas tous caractérisés par les tendances habituelles en matière de ténacité.

- Le diamant : En raison de sa dureté, le diamant a une ténacité à la rupture assez faible d'environ 5 MPa√m, ce qui signifie qu'il s'écaille ou se casse dans certaines conditions, même s'il est très dur en surface.

- Céramiques et composites nanostructurés : Ces matériaux sont testés expérimentalement pour voir s'ils peuvent être renforcés. La structure fine peut fermer les voies de fissuration.

- Métaux améliorés par le graphène ou nanocomposites métalliques : la recherche dans ces deux domaines devrait porter ses fruits. Ces matériaux de la prochaine génération combinent des métaux avec des propriétés à l'échelle nanométrique ou du graphène. Les premières indications font état d'une ténacité et d'une résistance extraordinaires.

Les matériaux à haute performance continuent de fixer des normes plus élevées en matière de résistance à la rupture. Leur développement pourrait conduire à des conceptions plus sûres et plus efficaces à l'avenir.

Conclusion

Les matériaux à haute résistance à la rupture sont au cœur d'une grande majorité d'applications d'ingénierie. Le métal et les alliages sont les leaders en matière de ténacité en raison de leur capacité à se déformer légèrement lorsqu'ils sont soumis à une charge, en émoussant les pointes de fissure avant leur extension. Les céramiques, bien que traditionnellement fragiles, s'améliorent actuellement grâce à des mécanismes de durcissement. Les composites offrent une ténacité directionnelle et les matériaux avancés sont prometteurs à l'horizon. Chaque groupe a ses mérites et ses inconvénients. Pour plus de comparaisons et une liste de matériaux, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Questions fréquemment posées

F : Qu'est-ce que la ténacité à la rupture ?

Q : C'est une mesure de la quantité d'énergie qu'un matériau peut supporter avant de se fissurer.

F : Pourquoi les métaux sont-ils utilisés dans les applications à haute ténacité ?

Q : Les métaux ont la capacité de se déformer à la pointe de la fissure, ce qui empêche la croissance de la fissure.

F : Les céramiques peuvent-elles être utilisées dans des environnements soumis à de fortes contraintes ?

Q : Oui, bien qu'elles utilisent des mécanismes tels que la trempe par transformation pour améliorer la résistance.