Améliorer la résistance mécanique

Approche macroscopique

Rôle des matières premières

12. Améliorer la résistance mécanique

Les agressions mécaniques que peut subir un produit formulé prennent des formes très diverses. Un casque de moto doit résister aux chocs, mais également à la rayure (lors du rangement par exemple), à l’abrasion humide (nettoyage), etc. Un pneumatique doit posséder une grande résistance à l’abrasion sèche. Une poutre en béton doit pouvoir supporter des forces de compression très intenses. Un vernis automobile doit résister au gravillonage. La texture d’un aliment est également liée à ses propriétés mécaniques : fermeté d’une mousse au chocolat, masticabilité d’un bonbon, fracturabilité d’un biscuit, etc.

Afin d’avoir une approche rationnelle des propriétés mécaniques, il est d’abord nécessaire de passer en revue les différentes déformations que l’on peut imposer à un matériau, ainsi que les réponses possibles de celui-ci. De là, il sera possible de définir les grandes caractéristiques mécaniques que sont par exemple la dureté, la rigidité, la ductilité, la résistance puis de montrer comment le formulateur peut agir sur ces caractéristiques.

12.1 Approche macroscopique

12.1.1 Déformations des matériaux

La figure 12.1 représente les quatre grands types de déformation qu’il est possible d’imposer à un matériau. Son comportement doit être évalué pour chacune de ces déformations car il sera différent de l’une à l’autre. Si l’on prend l’exemple du béton, ce matériau est très résistant en compression, mais beaucoup moins en flexion.

176 Chapitre 12. Améliorer la résistance mécanique

Figure 12.1 – Les quatre grands types de déformation

Dans cette section, tous les raisonnements seront basés sur le cas de la traction. Consi-

dérons donc un matériau homogène subissant une telle déformation (voir figure 13.10).

Figure 12.2 – Essai de traction.

On définit alors la contrainte de tension comme suit :

F

σ = (12.1)

S

F : force de traction en N.

12.1 Approche macroscopique 177

S 2 : section de l’éprouvette en m.

σ s’exprime donc en Pa.

On définit également l’élongation :

∆L

= (12.2)

L0

L0 : longueur initiale en m.

∆L : allongement en m.

s’exprime donc sans unité.

12.1.2 Courbe de traction

Le but d’un essai de traction est d’obtenir une courbe de traction qui représente l’évolution de σ en fonction de , ce qui permet d’évaluer les caractéristiques mécaniques

du matériau testé. La figure 12.3 en donne un exemple caractéristique.

Figure 12.3 – Courbe de traction.

Dans un premier temps, les déformations sont réversibles (domaine élastique). Si la contrainte est annulée, l’éprouvette revient à sa forme initiale et la déformation dans le domaine élastique est proportionnelle à la contrainte, ce qui se traduit graphiquement par un segment de droite. Il s’agit de la loi de Hooke :

σ = E. (12.3)

σ s’exprime en Pa.

s’exprime sans unité.

E est nommé module élastique et s’exprime donc en Pa. Il traduit la rigidité du matériau (nous y revenons à la section suivante).

Au-delà d’un certain point, appelé limite d’élasticité, la courbe s’infléchit : on entre dans 178 Chapitre 12. Améliorer la résistance mécanique

le domaine plastique, caractérisé par des déformations irréversibles. La courbe de traction présente ensuite un maximum qui détermine la résistance à la traction conventionnelle σ m, puis le phénomène de striction (étranglement) se produit : la déformation est concentrée dans une zone et la force enregistrée diminue puisque la section diminue dans la zone de striction. La rupture a ensuite lieu dans la zone de striction.

12.1.3 Caractéristiques mécaniques d’un matériau

L’essai de traction donne plusieurs grandeurs importantes (toute relatives à cette

seule déformation) :

Propriété Définition Grandeur physique corres-

pondante

Rigidité (vs. souplesse) Résistance à la déformation Module d’Young E

élastique

Ductilité (vs. fragilité) Capacité à se déformer plasti- Élongation à la rupture R

quement sans se rompre

Dureté (vs. mollesse) Résistance de la surface à la Contrainte à la limite

pénétration d’un poinçon d’élasticité σ E

Résistance à la traction Capacité d’un matériau à sup- Contrainte maximale σm

porter une contrainte sans se

rompre

Exemple 12.1.4 — Quelques comportements caractéristiques. blbaabalblablbdfgsdfhsfh-

sha

Figure 12.4 – Courbes de traction d’une craie (a) ; d’une règle en plastique (b) ; d’un

élastique (c) ; d’une pâte à modeler (d).