Résistance à la traction ultime - Ultimate tensile strength

Deux étaux appliquent une tension sur un échantillon en tirant dessus, étirant l'échantillon jusqu'à ce qu'il se brise. La contrainte maximale qu'il supporte avant la fracturation est sa résistance à la traction ultime.

La résistance à la traction ultime ( UTS ), souvent abrégée en résistance à la traction ( TS ), résistance ultime , ou dans les équations, est la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter lorsqu'il est étiré ou tiré avant de se rompre. Dans les matériaux fragiles , la résistance à la traction est proche de la limite d'élasticité , tandis que dans les matériaux ductiles , la résistance à la traction peut être plus élevée.

La résistance à la traction ultime est généralement déterminée en effectuant un essai de traction et en enregistrant la contrainte technique par rapport à la déformation . Le point le plus élevé de la courbe contrainte-déformation est la résistance à la traction ultime et a des unités de contrainte. Le point équivalent pour le cas de la compression, au lieu de la traction, s'appelle la résistance à la compression .

Les résistances à la traction ont rarement une incidence sur la conception des éléments ductiles , mais elles sont importantes pour les éléments fragiles. Ils sont tabulés pour les matériaux courants tels que les alliages , les matériaux composites , les céramiques , les plastiques et le bois.

Définition

La résistance à la traction ultime d'un matériau est une propriété intensive ; par conséquent, sa valeur ne dépend pas de la taille de l'éprouvette. Cependant, selon le matériau, il peut dépendre d'autres facteurs, tels que la préparation de l'échantillon, la présence ou non de défauts de surface, et la température de l'environnement d'essai et du matériau.

Certains matériaux cassent très fortement, sans déformation plastique , dans ce qu'on appelle une rupture fragile. D'autres, qui sont plus ductiles, y compris la plupart des métaux, subissent une certaine déformation plastique et éventuellement un rétrécissement avant rupture.

La résistance à la traction est définie comme une contrainte, qui est mesurée en tant que force par unité de surface. Pour certains matériaux non homogènes (ou pour les composants assemblés), il peut être indiqué simplement en tant que force ou en tant que force par unité de largeur. Dans le Système international d'unités (SI), l'unité est le pascal (Pa) (ou un multiple de celui-ci, souvent des mégapascals (MPa), en utilisant le préfixe SI mega ); ou, de manière équivalente en pascals, en newtons par mètre carré (N/m 2 ). Une unité usuelle aux États-Unis est la livre par pouce carré (lb/in 2 ou psi). Les kilolivres par pouce carré (ksi, ou parfois kpsi) sont égaux à 1000 psi et sont couramment utilisés aux États-Unis pour mesurer les résistances à la traction.

Matériaux ductiles

Figure 1 : Courbe contrainte-déformation (σ–ε) « ingénierie » typique de l'aluminium
  1. Force ultime
  2. Limite d'élasticité
  3. Contrainte limite proportionnelle
  4. Fracture
  5. Contrainte de décalage (généralement 0,2 %)
figure 2 : Courbe contrainte-déformation « d'ingénierie » (rouge) et « vraie » (bleu) typique de l' acier de construction .

De nombreux matériaux peuvent présenter un comportement élastique linéaire , défini par une relation contrainte-déformation linéaire , comme illustré sur la figure 1 jusqu'au point 3. Le comportement élastique des matériaux s'étend souvent dans une région non linéaire, représentée sur la figure 1 par le point 2 (le « limite d'élasticité »), jusqu'à laquelle les déformations sont complètement récupérables lors de la suppression de la charge ; c'est-à-dire qu'un échantillon chargé élastiquement en tension s'allongera, mais reviendra à sa forme et à sa taille d'origine lorsqu'il sera déchargé. Au-delà de cette zone élastique, pour les matériaux ductiles , comme l'acier, les déformations sont plastiques . Un spécimen déformé plastiquement ne revient pas complètement à sa taille et à sa forme d'origine lorsqu'il est déchargé. Pour de nombreuses applications, la déformation plastique est inacceptable et est utilisée comme limite de conception.

Après la limite d'élasticité, les métaux ductiles subissent une période d'écrouissage, au cours de laquelle la contrainte augmente à nouveau avec l'augmentation de la déformation, et ils commencent à se rétrécir , à mesure que la section transversale de l'échantillon diminue en raison de l'écoulement plastique. Dans un matériau suffisamment ductile, lorsque la striction devient importante, elle provoque une inversion de la courbe contrainte-déformation d'ingénierie (courbe A, figure 2) ; cela est dû au fait que la contrainte d'ingénierie est calculée en supposant la surface de la section transversale d'origine avant la striction. Le point d'inversion est la contrainte maximale sur la courbe contrainte-déformation technique, et la coordonnée de contrainte technique de ce point est la résistance à la traction ultime, donnée par le point 1.

La résistance à la traction ultime n'est pas utilisée dans la conception des éléments statiques ductiles car les pratiques de conception dictent l'utilisation de la limite d'élasticité . Il est cependant utilisé pour le contrôle de la qualité, en raison de la facilité des tests. Il est également utilisé pour déterminer approximativement les types de matériaux pour des échantillons inconnus.

La résistance à la traction ultime est un paramètre d'ingénierie courant pour concevoir des éléments en matériau fragile car ces matériaux n'ont pas de limite d'élasticité .

Essai

Échantillon de barre ronde après essai de contrainte de traction
Échantillons d'essai de traction en aluminium après rupture
Le côté « coupelle » du modèle de défaillance caractéristique « coupelle-cône »
Certaines parties montrant la forme de "coupe" et certaines montrant la forme de "cône"

En règle générale, le test consiste à prélever un petit échantillon avec une section transversale fixe, puis à le tirer avec un tensiomètre à un taux de déformation constant (changement de longueur de jauge divisé par la longueur de jauge initiale) jusqu'à ce que l'échantillon se brise.

Lors de l'essai de certains métaux, la dureté d'indentation est en corrélation linéaire avec la résistance à la traction. Cette relation importante permet des tests non destructifs économiquement importants de livraisons de métaux en vrac avec des équipements légers, voire portables, tels que des duromètres Rockwell portables . Cette corrélation pratique aide l'assurance qualité dans les industries métallurgiques à s'étendre bien au-delà du laboratoire et des machines d'essai universelles .

Résistances à la traction typiques

Résistances à la traction typiques de certains matériaux
Matériel Limite d'élasticité
(MPa)
Résistance à la traction ultime
(MPa)
Densité
(g/cm 3 )
Acier, acier de construction ASTM A36 250 400–550 7.8
Acier, 1090 doux 247 841 7,58
Acier au chrome-vanadium AISI 6150 620 940 7.8
Acier, 2800 Acier maraging 2617 2693 8.00
Acier, AerMet 340 2160 2430 7.86
Acier, fil de précision pour câble de diagraphie Sandvik Sanicro 36Mo 1758 2070 8.00
Acier, AISI 4130,
trempé à l'eau 855 °C (1570 °F), revenu à 480 °C (900 °F)
951 1110 7.85
Acier, API 5L X65 448 531 7.8
Acier, alliage à haute résistance ASTM A514 690 760 7.8
Acrylique , feuille coulée transparente (PMMA) 72 87 1.16
Polyéthylène haute densité (PEHD) 26-33 37 0,85
Polypropylène 12–43 19,7–80 0,91
Acier inoxydable AISI 302 – laminé à froid 520 860 8.19
Fonte 4,5% C, ASTM A-48 130 200 7.3
Alliage " métal liquide " 1723 550-1600 6.1
Béryllium 99,9% Be 345 448 1,84
Alliage d'aluminium 2014-T6 414 483 2.8
Résine polyester (non renforcée) 55 55  
Stratifié mat en polyester et brins coupés 30% E-verre 100 100  
Composite époxy S-Glass 2358 2358  
Alliage d'aluminium 6061-T6 241 300 2.7
Cuivre 99,9% Cu 70 220 8,92
Cupronickel 10 % Ni, 1,6 % Fe, 1 % Mn, reste Cu 130 350 8,94
Laiton 200 + 500 8.73
Tungstène 941 1510 19.25
Un verre   33 2,53
E-verre N / A 1500 pour les stratifiés,
3450 pour les fibres seules
2,57
Verre S N / A 4710 2,48
Fibre de basalte N / A 4840 2.7
Marbre N / A 15 2.6
Béton N / A 2–5 2.7
Fibre de carbone N / A 1600 pour les stratifiés,
4137 pour les fibres seules
1,75
Fibre de carbone (Toray T1100G)
(les fibres synthétiques les plus résistantes )
  7000 fibres seules 1,79
Cheveux humains 140-160 200–250  
Bambou   350-500 0,4
Soie d'araignée (voir note ci-dessous) 1000 1.3
Soie d'araignée, araignée d'écorce de Darwin 1652
Soie de ver à soie 500   1.3
Aramide ( Kevlar ou Twaron ) 3620 3757 1,44
UHMWPE 24 52 0,97
Fibres UHMWPE (Dyneema ou Spectra) 2300-3500 0,97
Vectran   2850-3340  
Polybenzoxazole (Zylon) 2700 5800 1,56
Bois, pin (parallèle au fil)   40  
Os (membre) 104–121 130 1.6
Nylon, moulé, 6PLA/6M 75-85 1,15
Fibre de nylon, étirée 900 1.13
Adhésif époxy 12-30
Caoutchouc 16  
Bore N / A 3100 2,46
Silicium monocristallin (m-Si) N / A 7000 2.33
Brins de fibre optique en verre de silice ultra-pur 4100
Saphir (Al 2 O 3 ) 400 à 25 °C,
275 à 500 °C,
345 à 1000 °C
1900 3.9–4.1
Nanotube de nitrure de bore N / A 33000 2,62
diamant 1600 2800
~ 80-90 GPa à micro-échelle
3.5
Graphène N / A 130000 intrinsèque;
ingénierie 50000–60000
1,0
Premières cordes en nanotubes de carbone ? 3600 1.3
Nanotube de carbone (voir note ci-dessous) N / A 11000-63000 0,037-1,34
Composites de nanotubes de carbone N / A 1200 N / A
Film de nanotubes de carbone à haute résistance N / A 9600 N / A
Fer (pur monocristal) 3 7.874
Dents de patelle rotule vulgata ( nanocomposite de moustache de goethite ) 4900
3000-6500
^a De nombreuses valeurs dépendent du processus de fabrication et de la pureté ou de la composition.
^b Les nanotubes de carbone multiparois ont la résistance à la traction la plus élevée de tous les matériaux jamais mesurés, avec une mesure de 63 GPa, toujours bien en dessous d'une valeur théorique de 300 GPa. Les premières cordes de nanotubes (20 mm de longueur) dont la résistance à la traction a été publiée (en 2000) avaient une résistance de 3,6 GPa. La densité dépend de la méthode de fabrication et la valeur la plus basse est de 0,037 ou 0,55 (solide).
^c La résistance de la soie d'araignée est très variable. Cela dépend de nombreux facteurs, y compris le type de soie (chaque araignée peut en produire plusieurs à des fins diverses.), les espèces, l'âge de la soie, la température, l'humidité, la rapidité avec laquelle le stress est appliqué pendant les tests, le stress de longueur est appliqué et la façon dont la soie est froncé (soyage forcé ou filage naturel). La valeur indiquée dans le tableau, 1000 MPa, est à peu près représentative des résultats de quelques études impliquant plusieurs espèces différentes d'araignées, mais les résultats spécifiques varient considérablement.
^d La résistance des cheveux humains varie selon l'origine ethnique et les traitements chimiques.
Propriétés typiques des éléments recuits
Élément Module de
Young
(GPa)
Offset ou
limite d'élasticité
(MPa)

Résistance ultime
(MPa)
silicium 107 5000–9000
tungstène 411 550 550–620
fer à repasser 211 80-100 350
titane 120 100-225 246-370
le cuivre 130 117 210
tantale 186 180 200
étain 47 9-14 15–200
alliage de zinc 85–105 200–400 200–400
nickel 170 140–350 140–195
argent 83 170
or 79 100
aluminium 70 15-20 40-50
mener 16 12

Voir également

Les références

Lectures complémentaires