Qu’est-ce que le stress en science des matériaux – Définition

En mécanique et science des matériaux, la contrainte (représentée par une lettre grecque minuscule sigma – σ) est une grandeur physique qui exprime les forces internes que les particules voisines d’un matériau continu exercent les unes sur les autres, tandis que la déformation est la mesure de la déformation du matériau qui n’est pas une grandeur physique.

Bien qu’il soit impossible de mesurer l’intensité de cette contrainte, la charge externe et la zone sur laquelle elle est appliquée peuvent être mesurées. La contrainte (σ) peut être assimilée à la charge par unité de surface ou à la force (F) appliquée par section transversale (A) perpendiculaire à la force comme suit:

Lorsqu’un métal est soumis à une charge (force), il est déformé ou déformé, quelle que soit la force du métal ou la légèreté de la charge. Si la charge est faible, la distorsion disparaîtra probablement lorsque la charge sera retirée. L’intensité ou le degré de distorsion est appelé déformation. Une déformation est appelée déformation élastique, si la contrainte est une fonction linéaire de la déformation. En d’autres termes, le stress et la déformation suivent la loi de Hooke. Au-delà de la région linéaire, la contrainte et la déformation présentent un comportement non linéaire. Ce comportement inélastique est appelé déformation plastique.

La contrainte est la résistance interne, ou contre-force, d’un matériau aux effets déformants d’une force ou d’une charge externe. Ces contre-forces tendent à ramener les atomes à leur position normale. La résistance totale développée est égale à la charge externe.

Types de stress

Des contraintes se produisent dans tout matériau soumis à une charge ou à une force appliquée. Il existe de nombreux types de contraintes, mais elles peuvent toutes être généralement classées dans l’une des six catégories suivantes:

• Les contraintes structurelles sont des contraintes produites dans les éléments structuraux en raison des poids qu’ils supportent. Les poids fournissent les chargements. Ces contraintes se retrouvent dans les fondations et les charpentes des bâtiments, ainsi que dans les pièces de machinerie.
• Les contraintes résiduelles sont des contraintes causées par les processus de fabrication. Ce type de contrainte reste dans un matériau solide après que la cause initiale des contraintes a été supprimée. Par exemple, le soudage laisse des contraintes résiduelles dans les métaux soudés. La chaleur du soudage peut provoquer une dilatation localisée, qui est absorbée pendant le soudage soit par le métal en fusion, soit par le placement des pièces à souder.
• Les contraintes de pression sont des contraintes induites dans des récipients contenant des matériaux sous pression. Le chargement est fourni par la même force produisant la pression. Dans une installation dotée d’un réacteur, la cuve du réacteur est un excellent exemple de cuve sous pression. Un problème de sûreté qui est un problème à long terme provoqué par le vieillissement des installations nucléaires est le choc thermique sous pression (PTS). Le PTS est le choc subi par un récipient à paroi épaisse en raison des contraintes combinées d’un changement rapide de température et/ou de pression.
• Les contraintes thermiques existent chaque fois que des gradients de température sont présents dans un matériau. Des températures différentes produisent des dilatations différentes et soumettent les matériaux à des contraintes internes. Ce type de contrainte est particulièrement sensible dans les mécanismes fonctionnant à haute température et refroidis par un fluide froid. Un problème de sûreté qui est un problème à long terme provoqué par le vieillissement des installations nucléaires est le choc thermique sous pression (PTS). Le PTS est le choc subi par un récipient à paroi épaisse en raison des contraintes combinées d’un changement rapide de température et/ou de pression.
• Les contraintes d’écoulement se produisent lorsqu’une masse de fluide en écoulement induit une pression dynamique sur la paroi d’un conduit. La force du fluide frappant le mur agit comme la charge. Ce type de contrainte peut être appliqué de façon instationnaire lorsque les débits fluctuent. Le coup de bélier est un exemple de contrainte d’écoulement transitoire. Un coup de bélier dans un tuyau ou un tube est un pic de pression causé par une variation soudaine du débit. et l’énergie de vitesse est convertie en énergie de pression.
• Les contraintes de fatigue. La fatigue est l’affaiblissement d’un matériau causé par un chargement cyclique qui entraîne des dommages structurels progressifs et localisés et la croissance de fissures. Une fois qu’une fissure s’est amorcée, chaque cycle de chargement augmentera légèrement la fissure. Les contraintes peuvent être dues à des vibrations ou à des cycles thermiques.

Contrainte appliquée

Du point de vue interne, l’intensité de la contrainte dans le corps d’un composant est exprimée comme l’un des trois types de charge interne de base, à savoir la traction, la compression et le cisaillement. Dans la pratique de l’ingénierie, de nombreuses charges sont de torsion plutôt que de cisaillement pur. Mathématiquement, il n’y a que deux types de charge interne car les contraintes de traction et de compression peuvent être considérées comme les versions positives et négatives du même type de charge normale.

• Contrainte de traction. L’un des tests de contrainte-déformation mécanique les plus courants est effectué en traction. La contrainte de traction est le type de contrainte dans lequel les deux sections de matériau de chaque côté d’un plan de contrainte ont tendance à s’écarter ou à s’allonger. La capacité d’un matériau ou d’une structure à supporter des charges tendant à s’allonger est appelée résistance ultime à la traction (UTS). La résistance à la traction ultime est mesurée par la contrainte maximale qu’un matériau peut supporter lorsqu’il est étiré ou tiré avant de se rompre. Dans l’étude de la résistance des matériaux, la résistance à la traction, la résistance à la compression et la résistance au cisaillement peuvent être analysées indépendamment. Parce que les charges de traction et de compression produisent des contraintes qui agissent à travers un plan, dans une direction perpendiculaire (normale) au plan, les contraintes de traction et de compression sont appelées contraintes normales .
• Contrainte de compression. La contrainte de compression est l’inverse de la contrainte de traction. Les parties adjacentes du matériau ont tendance à se presser les unes contre les autres à travers un plan de contrainte typique. Les contraintes de compression sur les barres, les colonnes, etc. entraînent un raccourcissement. La contrainte de compression est définie de la même manière que la contrainte de traction mais elle a des valeurs négatives pour exprimer la compression puisque delta L est de sens opposé. On peut augmenter la contrainte de compression jusqu’à ce que la résistance à la compression soit atteinte. Ensuite, les matériaux réagiront avec un comportement ductile ou avec rupture dans le cas de matériaux fragiles. Étant donné que les charges de traction et de compression produisent des contraintes qui agissent sur un plan, dans une direction perpendiculaire (normale) au plan, les contraintes de traction et de compression sont appelées contraintes normales. La capacité d’un matériau à réagir à une contrainte de compression ou à une pression est appelée compressibilité.
• Contrainte de cisaillement. La contrainte de cisaillement existe lorsque deux parties d’un matériau ont tendance à glisser l’une sur l’autre dans n’importe quel plan de cisaillement typique lors de l’application d’une force parallèle à ce plan. La torsion est une variation du cisaillement pur dans laquelle un élément structurel est tordu. Les forces de torsion produisent un mouvement de rotation autour de l’axe longitudinal d’une extrémité de l’élément par rapport à l’autre extrémité. La contrainte de cisaillement est également d’une grande importance dans la nature, étant intimement liée au mouvement descendant des matériaux terrestres (comme dans le cas des avalanches).

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
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7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir au dessus:

Force