Caractéristiques mécaniques des matériaux

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CRCI Creusot


2.7 CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES MATERIAUX

2.7.1 Caractéristiques mécaniques essentielles des matériaux



-Le module d'élasticité ( module de Young ) E = daN/mm²
-La résistance à  la rupture Rr = daN/mm²
-La limite d'élasticité à  la traction Re = daN/mm²
-L'allongement à  la rupture A%
-La dureté Brinnell HB
-La résilience K = J/cm²
-La limite de fatigue
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= daN/mm²

Les caractéristiques mécanique d'un matériau varient avec sa composition chimique, son mode d'élaboration, le traitement thermique qu'il a subi et la température de l'essai (généralement t = 20°C ) ou d'utilisation( Fig. 1-26; 1-27; 1-28).

2.7.2 Influence de la composition chimique


Les éléments d'addition tels que le nickel, le chrome, le titane, le tungstène, le molybdène, . .ajoutés en proportions variables modifient profondément les caractéristiques d'un métal. La gamme des aciers au carbone et des aciers alliés en est un parfait exemple. Ajoutons qu'il difficile d'obtenir un métal ayant une grande résistance à  la rupture et qui puisse avoir en
même temps une grande limite de fatigue ainsi qu'une bonne tenue aux chocs. L'augmentation De Re et Rr diminue généralement la résistance aux chocs ( K ) et augmente dans une moindre mesure
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2.7.3 Influence du mode d'élaboration


Un métal peut être fondu, forgé, laminé, étiré. Sa structure sera différente en fonction de son élaboration, ce qui modifiera ses caractéristiques mécaniques. Celles-ci sont reprises dans les normes européennes telles que la EN 10025 ( aciers de construction ), la EN 10113 ( acier à  haute limite élastique ) . .. Il existe également le Stahlschlüssel ( la clé des aciers ) disponible en manuel ou pdf reprenant la plupart des aciers commerciaux.

2.7.4 Influence du traitement thermique


Les traitements thermiques ( trempe, revenu, recuit, nitruration, cémentation, . ) modifient beaucoup les caractéristiques mécaniques d'un matériau.

Exemple:
- La trempe : rend les aciers mi-durs plus résistants, mais plus fragiles.
- Le revenu : pratiqué après une trempe, il améliore la résilience ( Fig. 2-25). Une pièce en acier doux cémentée et trempée, verra sa dureté superficielle augmentée tout en gardant un coer à  faible fragilité (ex. dents d'engrenages).

2.7.5 Influence de la température


a) Le froid : Il n'altère pas sensiblement la résistance à  la traction d'un acier, mais diminue sa résistance aux chocs ( résilience ), sa flexibilité et sa ductilité. En dessous d'une certaine température appelée température de transition déterminée pour chaque nuance d'acier et fonction de leur composition chimique, de leur structure ou de leur écrouissage, une fissure créée par un choc se propage très loin et instantanément en provoquant une rupture fragile. Au dessus de cette température, s'il se crée une fissure, elle ne se propage pas. On adopte dans l'industrie des aciers dits calmés ( ex. TT St 45 N ou A333 g1 ).

b) La chaleur :Lorsque la température augmente, la résistance de la plupart des matériaux diminue. Si on prend une acier ( S235 ) avec Re = 23,5 daN/mm² à  20°C, la limite élastique s'abaissera à  14 daN/mm² à  300°C et E qui vaut 21000 daN/mm² à  20°C va tomber à  18400 daN/mm² à  300°C. Les normes n'autorisent pas l'utilisation d'un tel acier au*delà 
de 300°C, sans compter qu'à  cette température un tel acier va " vieillir " très vite.

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Pour un acier résistant à  chaud tel que le 13CrMo44 ( 1.7335 ) : Re0,2 = 30 daN/mm² à  20°C et 19 daN/mm² à  500°C ; E = 20600 daN/mm² à  20°C et ± 16000 daN/mm² à  500°C.
A partir de 500°C environ, Re diminue très rapidement ( courbe plongeante ), il y a apparition du phénomène de fluage. Sous une contrainte de traction, le métal s'allonge et finit par se rompre au bout d'un temps plus long en fonction de la contrainte.

Remarque : Pour les calculs de résistance des tuyauteries au-delà  de 500°C, on n'utilise plus ( Re ) mais bien la rupture par fluage ( ou limite de rupture ) à  température élevée ( norme EN 13480-3).

Ainsi, pour les tuyauteries laminées en acier
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relation dans laquelle :

Fcr = contrainte de calcul avec fluage du matériau N/mm²
SRT,t = valeur moyenne de la contrainte de rupture suivant normes ( EN, NBN, DIN, . )N/mm²
Sfcr = coefficient de sécurité fonction de la durée de vie présumée de la tuyauterie ( ex. 1,5 pour 100 000 heures de fonctionnement ).

Exemple : Pour le 13CrMo44 à  550°C, SRT,t = 49 N/mm² soit pour 100 000 h fcr = 49/1,5 = 32,67 daN/mm² ( Ref : Manuel des tuyauteries industrielles du même auteur ).

 
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