Ténacité, dureté et résistance

Qu'est-ce que la ténacité ?

La ténacité est la capacité d'un matériau à absorber l'énergie et à se déformer plastiquement sans se rompre. Il s'agit d'une combinaison de résistance et de ductilité, ce qui signifie qu'un matériau résistant peut supporter à la fois des contraintes élevées et une déformation importante avant de se rompre. La ténacité est souvent mesurée par l'aire sous la courbe contrainte-déformation lors d'un essai de traction d'un matériau, représentant l'énergie totale que le matériau peut absorber avant de se rompre. Elle est généralement mesurée enjoules (J) ou en livres-force-pouces (lbf-in).

Dureté et ténacité

Bien que la dureté et la ténacité fassent toutes deux référence à la résistance d'un matériau à la déformation, elles représentent des propriétés différentes :

- La dureté est la capacité d'un matériau à résister à une déformation plastique localisée, généralement due à une indentation ou à une éraflure. Les matériaux durs peuvent résister à l'usure de surface et à l'abrasion.

- La ténacité, quant à elle, désigne la capacité d'un matériau à absorber l'énergie d'un impact et à se déformer plastiquement sans se rompre. Un matériau résistant n'est pas nécessairement dur, et un matériau résistant n'est pas nécessairement dur.

Par exemple, les céramiques sont souvent très dures mais pas tenaces, car elles sont fragiles et susceptibles de se briser sous l'effet d'un impact. Les métaux, comme l'acier, ont tendance à être plus durs que les céramiques, ce qui signifie qu'ils peuvent résister à la fois à la force et à l'impact sans se fissurer.

Ténacité et résistance

La solidité désigne la capacité d'un matériau à résister à une force appliquée sans se briser ou se déformer de manière permanente. La ténacité diffère de la résistance en ce sens qu'elle mesure la quantité d'énergie que le matériau peut absorber au cours de la déformation avant de se rompre. Un matériau peut avoir une résistance élevée mais une ténacité faible, comme certains matériaux fragiles tels que la fonte, ou une ténacité élevée et une résistance plus faible, comme certains métaux ductiles.

C'est le cas, par exemple, des métaux ductiles :

• Acier: certains types d'acier sont conçus pour offrir une résistance et une ténacité élevées, ce qui les rend adaptés aux applications de la construction et de l'automobile.
• Fonte: bien que résistante à la compression, la fonte est fragile et présente une faible ténacité, ce qui signifie qu'elle est susceptible de se briser sous l'effet de la tension ou d'un impact.

Facteurs affectant la ténacité des métaux

1)la température:

• À basse température, de nombreux métaux deviennent cassants et perdent leur ténacité, ce qui les rend plus susceptibles de se fracturer. C'est pourquoi les matériaux utilisés dans les climats froids, comme l'acier pour les pipelines ou les avions, sont souvent traités spécifiquement pour obtenir une ténacité à basse température.
• Les températures élevées peuvent également affecter la ténacité, mais les matériaux peuvent devenir plus ductiles et moins susceptibles de se fracturer.

2)Structure du grain:

• Les matériaux dotés d'une structure à grains fins ont tendance à présenter une plus grande ténacité, car les grains plus petits créent davantage d'obstacles pour les dislocations (déplacements microscopiques dans le réseau cristallin du matériau), ce qui permet au matériau d'absorber davantage d'énergie avant de se briser.

3)Éléments d'alliage:

• L'ajout d'éléments d'alliage tels que le carbone, le nickel et le chrome peut améliorer la ténacité d'un matériau. Par exemple, l'ajout de nickel à l'acier augmente sa ténacité, en particulier à basse température.

4) le traitement thermique:

• Les processus de traitement thermique tels que la trempe et le revenu peuvent améliorer la ténacité en modifiant la microstructure du métal. Par exemple, l'acier martensitique trempé présente un meilleur équilibre entre la ténacité et la résistance que la martensite non traitée.

5)Taux de déformation:

• Des taux de déformation élevés (application rapide d'une contrainte) peuvent réduire la ténacité, rendant les matériaux plus susceptibles de se fracturer sous l'effet d'un impact. Les matériaux soumis à des contraintes lentes et progressives sont généralement plus résistants.

Applications nécessitant une haute ténacité

Les matériaux à haute ténacité sont essentiels dans les industries où une défaillance due à un impact ou à une contrainte est catastrophique. Voici quelques applications clés :

• Aérospatiale: les matériaux utilisés dans les avions doivent résister à des conditions de contraintes élevées et à des forces d'impact sans se rompre.
• Automobile: les composants automobiles tels que les pare-chocs, les cadres et les pièces de suspension sont conçus pour être très résistants afin d'absorber l'énergie d'impact en cas d'accident.
• Construction: l'acier de construction utilisé dans les bâtiments et les ponts doit être suffisamment résistant pour supporter les charges dynamiques, y compris les forces éoliennes et sismiques.
• Équipement sportif: Les casques, les équipements de protection et les autres équipements sportifs sont conçus pour être très résistants afin d'absorber les chocs et de protéger l'utilisateur.
• Militaire: le blindage et les structures des véhicules doivent être très résistants pour survivre à des forces d'impact extrêmes.

Ténacité et dureté des métaux courants

Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Questions fréquemment posées

Quelle est la différence entre la ténacité et la ductilité ?

La ductilité est la capacité d'un matériau à se déformer sous l'effet d'une contrainte de traction, tandis que la ténacité est sa capacité à absorber l'énergie et à se déformer sans se rompre. La ductilité contribue à la ténacité, mais il ne s'agit pas de la même propriété.

La dureté peut-elle affecter la ténacité ?

Oui, une augmentation de la dureté entraîne souvent une diminution de la ténacité. Les matériaux durs, comme la céramique ou l'acier trempé, sont plus susceptibles de se fissurer en cas d'impact ou de contraintes soudaines, ce qui les rend moins résistants.

Une ténacité élevée est-elle toujours souhaitable ?

Une ténacité élevée est essentielle dans les applications où les matériaux doivent résister à des chocs ou à des contraintes extrêmes, comme dans l'aérospatiale et l'automobile. Toutefois, certaines applications, comme les outils de coupe, privilégient la dureté par rapport à la ténacité.

Comment la température affecte-t-elle la ténacité ?

À basse température, la plupart des métaux deviennent plus fragiles, ce qui réduit leur ténacité. Les températures élevées peuvent également affecter la ténacité, selon le matériau, en le rendant plus ductile ou, dans certains cas, plus susceptible de se ramollir.

Pourquoi la ténacité est-elle importante dans la construction ?

La ténacité est essentielle dans la construction car elle garantit que les matériaux peuvent absorber des charges dynamiques et des impacts, tels que ceux des tremblements de terre, du vent ou des machines lourdes, sans subir de défaillance catastrophique.