La résistance, la dureté, l'élasticité, la formabilité, la ductilité, la résistance à la traction, l'allongement, la ténacité, la conductivité électrique et leurs relations dans la transformation des matériaux.

Dans la fabrication mécanique moderne et l'usinage de précision, les propriétés des matériaux déterminent directement le processus d'usinage, la durée de vie et la fiabilité du produit final. L'usinage ne se limite pas à la découpe et à la mise en forme des matériaux ; c'est un processus d'adaptation et d'intégration synergique des propriétés des matériaux aux techniques d'usinage. Parmi les matériaux couramment usinés figurent l'acier au carbone, l'acier inoxydable, les alliages d'aluminium, les alliages de cuivre, les alliages de titane et divers plastiques techniques. La résistance, la dureté, l'élasticité, la formabilité, la ductilité, la résistance à la traction, l'allongement, la ténacité et la conductivité électrique des matériaux usinés constituent collectivement leurs propriétés.

1. Résistance du matériau

La résistance est la capacité d'un matériau à résister aux dommages sous l'effet de forces extérieures et constitue l'une des propriétés mécaniques les plus cruciales des matériaux usinés. Elle comprend généralement la limite d'élasticité, la résistance à la traction, la résistance à la compression et la résistance au cisaillement. Pour les pièces porteuses, telles que les arbres, les supports et les éléments structuraux, le matériau doit posséder une résistance suffisante pour éviter toute déformation plastique ou rupture sous les charges de service. Les matériaux à haute résistance permettent souvent de réduire les dimensions des sections transversales et de concevoir des pièces légères, mais ils peuvent également complexifier l'usinage, notamment en accélérant l'usure des outils et en augmentant les efforts de coupe.

2. Dureté

La dureté est la résistance d'un matériau à la déformation plastique localisée ou à l'usure de surface ; elle est essentielle en usinage. Parmi les indicateurs de dureté courants, on trouve la dureté Brinell (HB), la dureté Rockwell (HRC) et la dureté Vickers (HV). Une dureté élevée signifie une meilleure résistance à l'usure, mais aussi une plus grande difficulté d'usinage. Par exemple, l'acier trempé ou l'acier allié à haute dureté nécessitent généralement des outils en carbure ou revêtus et des vitesses de coupe plus faibles. Un contrôle précis de la dureté du matériau permet d'optimiser le compromis entre usinabilité et performance.

3. Élasticité

L'élasticité est la capacité d'un matériau à retrouver sa forme initiale après déformation sous l'effet d'une force extérieure. Son principal indicateur d'évaluation est le module d'élasticité. Les propriétés élastiques influent directement sur la précision d'usinage et la qualité de l'assemblage. Par exemple, les matériaux à faible module d'élasticité sont sujets à la déformation élastique lors du bridage et de la coupe, ce qui entraîne des écarts dimensionnels. Par conséquent, pour l'usinage de pièces de haute précision, il est essentiel de prendre pleinement en compte les caractéristiques élastiques du matériau et de minimiser l'impact de la déformation élastique en optimisant les méthodes de bridage et les paramètres d'usinage.

4. Formabilité

La formabilité désigne l'aptitude d'un matériau à prendre la forme souhaitée par des procédés tels que la fonderie, le forgeage, l'emboutissage et l'extrusion. Une bonne formabilité permet de réduire les coûts de fabrication et d'améliorer l'efficacité de la production. Par exemple, les alliages d'aluminium et les aciers à faible teneur en carbone présentent généralement une bonne plasticité et une bonne formabilité, ce qui les rend adaptés à la production en série de pièces structurelles complexes. Les matériaux peu formables, comme les aciers fortement alliés ou certains alliages haute température, nécessitent souvent des procédés plus complexes et engendrent des coûts de fabrication plus élevés.

5. Ductilité

La ductilité est la capacité d'un matériau à subir une déformation plastique avant rupture, généralement mesurée par l'allongement ou la réduction de section. Les matériaux ductiles peuvent absorber de l'énergie par déformation plastique sous contrainte, ce qui les rend moins sujets à la rupture fragile. En usinage, une bonne ductilité facilite la formation et l'évacuation des copeaux, réduisant ainsi la casse des outils et les défauts de surface. Les aciers à faible teneur en carbone, les alliages d'aluminium et les alliages de cuivre présentent généralement une bonne ductilité, tandis que la fonte et les aciers trempés à haute dureté ont une ductilité relativement faible.

6. Résistance à la traction

La résistance à la traction correspond à la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter lors d'un essai de traction et constitue un indicateur important de sa capacité portante. Pour les pièces soumises à des charges de traction, telles que les tirants, les boulons et les connecteurs, la résistance à la traction est particulièrement critique. Les matériaux à haute résistance à la traction peuvent améliorer le coefficient de sécurité structurel, mais s'accompagnent souvent d'une plus grande difficulté de coupe et d'une efficacité d'usinage réduite. Par conséquent, en ingénierie pratique, la relation entre la résistance à la traction et l'usinabilité doit être considérée de manière globale.

7. Ductilité

La ductilité est la capacité d'un matériau à s'étirer ou à s'aplatir sans se rompre sous tension ou compression. Elle est généralement étroitement liée à la ductilité, mais met l'accent sur la continuité du matériau lors de la déformation plastique. Les matériaux présentant une bonne ductilité sont plus adaptés aux procédés de travail à froid, tels que l'étirage à froid, le laminage à froid et l'emboutissage à froid. En usinage, une bonne ductilité contribue à obtenir une meilleure qualité de surface et à réduire les défauts tels que les fissures et les déchirures.

8. Robustesse

La ténacité est la capacité d'un matériau à absorber l'énergie et à résister à la rupture sous l'effet d'impacts ou de charges dynamiques ; elle reflète à la fois sa résistance et sa ductilité. Les matériaux à haute ténacité offrent une meilleure fiabilité dans des conditions de travail complexes et sont particulièrement adaptés aux pièces soumises à des charges d'impact ou à des contraintes alternées, telles que les engrenages, les arbres et les composants de machines. En usinage, les matériaux à haute ténacité sont généralement moins sujets à la rupture fragile, mais peuvent présenter un enchevêtrement des copeaux et une résistance à l'usinage accrue, ce qui nécessite une optimisation par la géométrie des outils et les méthodes de coupe.

9. Conductivité électrique

La conductivité électrique est la capacité d'un matériau à conduire le courant électrique, généralement exprimée par sa conductivité ou sa résistivité. Bien qu'elle ne soit pas un critère essentiel pour toutes les pièces usinées, elle est cruciale dans les domaines de l'électricité, de l'électronique et des énergies nouvelles. Le cuivre et ses alliages présentent une excellente conductivité électrique et sont largement utilisés dans les composants conducteurs et les connecteurs électriques ; les alliages d'aluminium offrent un bon compromis entre conductivité et légèreté. Lors de l'usinage de matériaux hautement conducteurs, il convient de prêter attention à des problèmes tels que l'adhérence de l'outil et la concentration de chaleur pendant la coupe.

10. Relation entre résistance et plasticité

La résistance désigne la force maximale qu'un matériau peut supporter. La plasticité désigne le pourcentage de déformation qu'il peut subir. Par exemple, une barre d'acier capable de résister à une force maximale de 100 MPa a une résistance de 100 MPa. Si elle se déforme de 20 % sous cette force avant de se rompre, sa plasticité est de 20 %. Dans l'industrie, les composants structuraux automobiles constituent une application typique exigeant à la fois une résistance et une plasticité élevées. D'une part, on souhaite qu'ils résistent à des forces importantes ; d'autre part, on souhaite qu'ils se déforment significativement lors d'une collision afin d'absorber l'énergie et de protéger les passagers. Par exemple, on peut exiger des composants structuraux automobiles qu'ils résistent à une pression de 2 000 MPa tout en se déformant jusqu'à 60 % sans se rompre. (Énergie absorbée = force appliquée au composant structural x degré de déformation). C'est ce qu'on appelle la ténacité.

En général, la résistance et la plasticité des matériaux sont inversement proportionnelles ; elles sont comme les deux faces d'une même pièce : une résistance accrue entraîne généralement une plasticité réduite. Les recherches montrent que la déformation plastique des matériaux métalliques est généralement obtenue par glissement des dislocations. Lors de l'écrouissage, les métaux subissent une déformation plastique, un glissement des grains et un enchevêtrement des dislocations se produisent, provoquant l'allongement, la fragmentation et la fibrose des grains, empêchant toute déformation ultérieure et conduisant finalement à la rupture.

11. L'élasticité et la plasticité sont relatives.

L'élasticité est un concept simple : la déformation disparaît complètement après la suppression de la force extérieure. La plasticité, quant à elle, désigne la déformation plastique d'un matériau ; après la suppression de la force extérieure, la déformation ne peut être totalement récupérée, laissant une déformation plastique résiduelle. Par exemple, le taux d'allongement est utilisé pour évaluer la plasticité de l'acier. Après la rupture d'une éprouvette en acier, la déformation élastique disparaît, mais la déformation résiduelle est plastique. Par conséquent, le taux d'allongement permet d'évaluer la capacité de déformation plastique de l'acier.

12. La ductilité et la fragilité sont relatives.

La ductilité désigne la capacité d'une structure ou d'un composant à continuer de supporter une charge jusqu'à atteindre sa limite de résistance après avoir atteint un état considéré comme défaillant. La fragilité, quant à elle, désigne la rupture d'une structure ou d'un composant sans aucun signe avant-coureur. Par conséquent, une rupture fragile est plus grave qu'une rupture ductile.

13. Rigidité, ductilité et plasticité

Premièrement, ces trois concepts mesurent le degré de déformation. La rigidité correspond au rapport charge/déplacement en régime élastique (EI), et mesure le degré de dureté ou de souplesse. La ductilité et la plasticité correspondent aux déformations en régime inélastique. Le coefficient de ductilité peut être calculé quantitativement, tandis que la plasticité est un concept qualitatif.

14. Résistance = Force + Plasticité

La ténacité correspond à l'énergie absorbée par un matériau lors de sa résistance à une force extérieure jusqu'à la rupture, incluant l'énergie consommée lors des phases de déformation élastique et plastique. Améliorer simultanément la résistance et la plasticité est le moyen le plus efficace d'accroître la ténacité, mais ces deux actions sont contradictoires.

La ténacité désigne l'énergie absorbée par un matériau lors de sa rupture sous l'effet d'une force. Plus l'énergie absorbée lors de la rupture est importante, meilleure est la ténacité. La consommation d'énergie implique un travail extérieur sur le matériau, nécessitant une force et un déplacement (déformation). La capacité à résister aux contraintes est caractérisée par la résistance, et la capacité à se déformer par la plasticité. Par conséquent, les matériaux présentant une bonne ténacité possèdent également une bonne plasticité. La différence entre ténacité et plasticité réside dans la prise en compte ou non de la contrainte appliquée lors de la déformation du matériau.