Tous les métaux se déforment (s'étirent ou se compriment) lorsqu'ils sont sollicités, à un degré plus ou moins grand. Cette déformation est le signe visible d'une contrainte métallique appelée déformation métallique et est possible en raison d'une caractéristique de ces métaux appelée ductilité- leur capacité à s'allonger ou à se réduire sans se rompre.
Calcul du stress
Stress est définie comme la force par unité de surface comme indiqué dans l'équation σ = F / A.
Le stress est souvent représenté par la lettre grecque sigma (σ) et exprimé en newtons par mètre carré, ou pascals (Pa). Pour des contraintes plus importantes, il est exprimé en mégapascals (106 ou 1 million de Pa) ou gigapascals (109 ou 1 milliard de Pa).
La force (F) est la masse x l'accélération, et donc 1 newton est la masse nécessaire pour accélérer un objet de 1 kilogramme à une vitesse de 1 mètre par seconde au carré. Et l'aire (A) dans l'équation est spécifiquement l'aire en coupe transversale du métal qui subit une contrainte.
Disons qu'une force de 6 newtons est appliquée à une barre d'un diamètre de 6 centimètres. L'aire de la section transversale de la barre est calculée en utilisant la formule A = π r2. Le rayon est la moitié du diamètre, donc le rayon est de 3 cm ou 0,03 m et la superficie est de 2,2826 x 10-3 m2.
A = 3,14 x (0,03 m)2 = 3,14 x 0,0009 m2 = 0,002826 m2 ou 2,2826 x 10-3 m2
Maintenant, nous utilisons l'aire et la force connue dans l'équation pour calculer la contrainte:
σ = 6 newtons / 2,2826 x 10-3 m2 = 2123 newtons / m2 ou 2123 Pa.
Calcul de la contrainte
Souche est la quantité de déformation (étirement ou compression) causée par la contrainte divisée par la longueur initiale du métal comme indiqué dans l'équation ε = dl / l0. S'il y a une augmentation de la longueur d'un morceau de métal en raison d'une contrainte, on parle de déformation de traction. S'il y a une réduction de longueur, on parle de déformation de compression.
La souche est souvent représentée par la lettre grecque epsilon (ε), et dans l'équation, dl est le changement de longueur et l0 est la longueur initiale.
La déformation n'a pas d'unité de mesure car c'est une longueur divisée par une longueur et n'est donc exprimée que sous forme de nombre. Par exemple, un fil qui mesure initialement 10 centimètres de long est étiré à 11,5 centimètres; sa déformation est de 0,15.
ε = 1,5 cm (le changement de longueur ou d'étirement) / 10 cm (longueur initiale) = 0,15.
Matériaux ductiles
Certains métaux, comme l'acier inoxydable et de nombreux autres alliages, sont ductiles et cèdent sous contrainte. D'autres métaux, comme la fonte, se fracturent et se cassent rapidement sous la contrainte. Bien sûr, même l'acier inoxydable s'affaiblit finalement et se brise s'il est soumis à une contrainte suffisante.
Les métaux tels que l'acier à faible teneur en carbone se plient plutôt que de se casser sous la contrainte. À un certain niveau de stress, cependant, ils atteignent un seuil d'élasticité bien compris. Une fois qu'ils atteignent cette limite d'élasticité, le métal devient durci sous contrainte. Le métal devient moins ductile et, dans un sens, devient plus dur. Mais si le durcissement sous contrainte rend moins facile la déformation du métal, il le rend également plus fragile. Le métal cassant peut se casser ou échouer assez facilement.
Matériaux fragiles
Certains métaux sont intrinsèquement fragiles, ce qui signifie qu'ils sont particulièrement susceptibles de se fracturer. Les métaux fragiles comprennent les aciers à haute teneur en carbone. Contrairement aux matériaux ductiles, ces métaux n'ont pas de limite d'élasticité bien définie. Au lieu de cela, lorsqu'ils atteignent un certain niveau de stress, ils se cassent.
Les métaux fragiles se comportent très bien comme d'autres matériaux fragiles tels que le verre et le béton. Comme ces matériaux, ils sont résistants à certains égards, mais comme ils ne peuvent ni se plier ni s'étirer, ils ne conviennent pas à certaines utilisations.
La fatigue du métal
Lorsque les métaux ductiles sont sollicités, ils se déforment. Si la contrainte est supprimée avant que le métal n'atteigne sa limite élastique, le métal retrouve sa forme initiale. Alors que le métal semble être revenu à son état d'origine, de minuscules défauts sont apparus au niveau moléculaire.
Chaque fois que le métal se déforme, puis reprend sa forme d'origine, davantage de défauts moléculaires se produisent. Après de nombreuses déformations, il y a tellement de défauts moléculaires que le métal se fissure. Lorsque suffisamment de fissures se forment pour qu'elles fusionnent, une fatigue irréversible du métal se produit.