Essais et propriétés mécaniques des matériaux

1. Pourquoi essayer un matériau ?

Le bureau d'études dimensionne une pièce à partir de valeurs mesurées, jamais devinées. Les essais mécaniques normalisés (NF EN ISO) donnent ces valeurs : la traction fournit résistance et ductilité, la dureté mesure la résistance à la pénétration, la résilience mesure la résistance au choc, et l'essai de fatigue renseigne sur la tenue à des efforts répétés.

2. L'essai de traction

Une éprouvette calibrée (section initiale S₀, longueur de référence L₀) est tirée à vitesse lente jusqu'à rupture. La machine enregistre l'effort F et l'allongement ΔL. On trace ensuite la contrainte σ = F / S₀ (en MPa) en fonction de la déformation ε = ΔL / L₀ (sans unité).

1. 1Domaine élastique : la courbe est une droite, σ = E · ε (loi de Hooke). Si on relâche, l'éprouvette revient à sa longueur initiale.
2. 2Limite élastique R_e : fin de la droite. Au-delà, la déformation devient permanente (plastique). Pour les matériaux sans palier net, on utilise R_p0,2 : contrainte laissant 0,2 % d'allongement résiduel.
3. 3Résistance à la traction R_m : sommet de la courbe, contrainte maximale supportée.
4. 4Striction puis rupture : la section se réduit localement, l'effort chute, l'éprouvette casse. On mesure alors l'allongement à la rupture A% = (L_u − L₀) / L₀ × 100.

Le module de Young E ne dépend pas du traitement thermique : un acier doux et un acier trempé ont le même E (210 000 MPa). La trempe augmente R_e et R_m mais réduit A%. L'aluminium se déforme trois fois plus que l'acier sous la même contrainte.

3. Les essais de dureté

4. Résilience : l'essai Charpy

Un mouton-pendule frappe une éprouvette entaillée (entaille en V, 10 × 10 mm) et on mesure l'énergie absorbée pour la rompre, notée KV en joules. Un acier S235 à 20 °C absorbe 27 J au minimum ; le même acier à −40 °C peut devenir fragile et n'absorber que quelques joules. C'est la transition ductile-fragile, responsable de ruptures de navires et de ponts par grand froid.

5. La fatigue

Une pièce sollicitée par un effort variable et répété (arbre en rotation, ressort, bielle) peut casser sous une contrainte bien inférieure à R_e. La fissure naît en surface, sur un défaut ou un changement de section, puis progresse à chaque cycle. La courbe de Wöhler donne le nombre de cycles à rupture N en fonction de la contrainte alternée σ_a. Pour les aciers, il existe une limite d'endurance σ_D ≈ 0,5 × R_m au-delà de 10⁷ cycles ; les alliages d'aluminium n'en ont pas.

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