Qu’est-ce qu’un matériau fragile – Fracture fragile – Définition

La ténacité peut également être définie par rapport aux régions d’un diagramme contrainte-déformation (pour un faible taux de déformation). La ténacité est liée à l’ aire sous la courbe contrainte-déformation. La courbe contrainte-déformation mesure la ténacité sous une charge progressivement croissante. La ténacité à la traction est mesurée en unités de joule par mètre cube (J·m⁻³) dans le système SI. Pour être résistant, un matériau doit être à la fois résistant et ductile. La figure suivante montre une courbe contrainte-déformation typique d’un matériau ductile et d’un matériau fragile. Par exemple, les matériaux fragiles (comme la céramique) qui sont solides mais avec une ductilité limitée ne sont pas résistants ; à l’inverse, les matériaux très ductiles avec de faibles résistances ne sont pas non plus tenaces. Pour être résistant, un matériau doit résister à la fois à des contraintes élevées et à des déformations élevées.

Rupture ductile

Une fracture est la séparation d’un objet ou d’un matériau en deux ou plusieurs morceaux sous l’action d’une contrainte. Les ingénieurs doivent comprendre les mécanismes de rupture. Il existe des ruptures (par exemple rupture fragile), qui se produisent dans des conditions spécifiques sans avertissement et peuvent causer des dommages importants aux matériaux. La fracture fragile survient soudainement et de manière catastrophique sans aucun avertissement. Ceci est une conséquence de la propagation spontanée et rapide des fissures. Cependant, pour la rupture ductile, la présence d’une déformation plastique signale l’imminence d’une rupture, permettant de prendre des mesures préventives. Une compréhension détaillée de la manière dont la rupture se produit dans les matériaux peut être facilitée par l’étude de la mécanique de la rupture.

Dans l’essai de traction, le point de rupture est le point de déformation où le matériau se sépare physiquement. À ce point, la déformation atteint sa valeur maximale et le matériau se rompt effectivement, même si la contrainte correspondante peut être inférieure à la résistance ultime à ce point. Les matériaux ductiles ont une résistance à la rupture inférieure à la résistance ultime à la traction (UTS), alors que dans les matériaux fragiles, la résistance à la rupture est équivalente à l’UTS. Si un matériau ductile atteint sa résistance ultime à la traction dans une situation de charge contrôlée, il continuera à se déformer, sans application de charge supplémentaire, jusqu’à ce qu’il se rompe. Cependant, si le chargement est contrôlé en déplacement, la déformation du matériau peut soulager la charge, empêchant la rupture. Il est possible de distinguer certaines caractéristiques communes entre les courbes contrainte-déformation de divers groupes de matériaux. Sur cette base, il est possible de diviser les matériaux en deux grandes catégories; à savoir:

• Matériaux ductiles. La ductilité est la capacité d’un matériau à s’allonger en traction. Un matériau ductile se déformera (s’allongera) plus qu’un matériau fragile. Les matériaux ductiles présentent de grandes déformations avant rupture. Dans la rupture ductile, une déformation plastique importante (rétrécissement) a lieu avant la rupture. Rupture ductile (rupture par cisaillement) est meilleure que la rupture fragile, car il y a une propagation lente et une absorption d’une grande quantité d’énergie avant la rupture. Tout processus de rupture implique deux étapes, la formation et la propagation de fissures, en réponse à une contrainte imposée. Le mode de rupture est fortement dépendant du mécanisme de propagation des fissures. Les fissures dans les matériaux ductiles sont dites stables (c’est-à-dire qu’elles résistent à l’extension sans augmentation de la contrainte appliquée). Pour les matériaux fragiles, les fissures sont instables. Cela signifie que la propagation des fissures, une fois commencée, se poursuit spontanément sans augmentation du niveau de contrainte. La ductilité est souhaitable dans les applications à haute température et haute pression dans les réacteurs en raison des contraintes supplémentaires sur les métaux. La ductilité élevée dans ces applications aide à prévenir les ruptures fragiles.
• Matériaux fragiles. Les matériaux fragiles, lorsqu’ils sont soumis à des contraintes, se rompent avec peu de déformation élastique et sans déformation plastique importante. Les matériaux fragiles absorbent relativement peu d’énergie avant la rupture, même ceux à haute résistance. En cas de rupture fragile (clivage transgranulaire), aucune déformation plastique apparente n’a lieu avant la rupture. En cristalographie, le clivage est la tendance des matériaux cristallins à se diviser le long de plans structurels cristallographiques définis. Tout processus de rupture implique deux étapes, la formation et la propagation de fissures, en réponse à une contrainte imposée. Le mode de rupture est fortement dépendant du mécanisme de propagation des fissures. Pour les matériaux fragiles ,les fissures sont instables. Cela signifie que la propagation des fissures, une fois commencée, se poursuit spontanément sans augmentation du niveau de contrainte. Les fissures se propagent rapidement (vitesse du son) et se produisent à des vitesses élevées – jusqu’à 2133,6 m/s dans l’acier. Il convient de noter qu’une taille de grain plus petite, une température plus élevée et une contrainte plus faible ont tendance à atténuer l’initiation des fissures. Une taille de grain plus grande, des températures plus basses et une contrainte plus élevée ont tendance à favoriser la propagation des fissures. Il existe un niveau de contrainte en dessous duquel une fissure ne se propagera à aucune température. C’est ce qu’on appelle la contrainte de propagation de rupture inférieure. Pour une rupture fragile, la surface de rupture est relativement plate et perpendiculaire à la direction de la charge de traction appliquée. En général, la rupture fragile nécessite trois conditions:
  • Défaut tel qu’une fissure
  • Contrainte suffisante pour développer une petite déformation en pointe de fissure
  • Température égale ou inférieure au DBTT

Voir aussi: Température de transition ductile-fragile

Voir aussi: Fissuration par corrosion sous contrainte

Voir aussi: Fragilisation par l’hydrogène

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.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. Gonzalez-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1
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:

Robustesse