Qu'est-ce que la résistance à la rupture ? Ce qu'il faut savoir !

Lorsque l'on voit des câbles dans les grues pour soulever des charges très lourdes comme des conteneurs, on se demande souvent si la grue peut supporter facilement une charge sans que les câbles ne se rompent. C'est ce que les ingénieurs appellent la résistance à la rupture. Vous trouverez ci-dessous des informations détaillées sur la résistance à la rupture, son calcul et son importance. Que faut-il faire et observer attentivement pour éviter tout accident ou panne dangereux ?

Qu'est-ce que la résistance à la rupture ?

La résistance à la rupture est la mesure de la rupture d'un matériau lorsqu'on applique une force. La force subie par le matériau avant sa rupture est la résistance à la rupture. Il s'agit de la limite de résistance du matériau. Elle est exprimée en Newton (N) ou en Kilogramme-Force (Kgf).

Comment définir la résistance à la rupture ?

La résistance à la rupture, en termes simples, se produit lorsque l'on attache une corde à une extrémité et que l'on appuie sur soi à l'autre extrémité. La corde se casse alors en deux. La résistance à la rupture, ou contraintes de rupture, est également appelée résistance à la rupture.

Charge de rupture vs résistance ultime

La charge de rupture est la charge appliquée au point extrême qui provoque la rupture complète du matériau. Vous pouvez facilement observer la charge de rupture de vos propres yeux.

Lorsque le matériau commence à se rompre, on parle alors de résistance ultime (UTS).

Où il apparaît sur les fiches techniques :

Elle est indiquée dans une colonne des fiches techniques des câbles ou des fils. On y trouve généralement des termes tels que « Charge de rupture », « Résistance ultime » ou « Charge de travail de sécurité ».

Résistance à la rupture vs résistance à la traction :

On considère souvent que la résistance à la rupture et la résistance à la traction sont identiques. Or, ces deux termes sont différents et offrent des propriétés matérielles distinctes. Analysons-les en détail.

Qu'est-ce que la résistance à la traction ?

La résistance à la traction correspond à la charge maximale à laquelle un matériau est soumis. Au-delà de cette charge, le matériau commence à se rompre. Les matériaux ductiles présentent un graphique différent ; les matériaux fragiles, quant à eux, présentent un graphique différent. Vous trouverez maintenant les termes du graphique et leur explication :

Fig 1. Courbe contrainte-déformation de l'acier à faible teneur en carbone à température ambiante

• Limite proportionnelle :

Comme vous pouvez le constater, une ligne droite au départ est une limite proportionnelle. Elle ne l'est que jusqu'à ce qu'elle commence à tourner. Ce matériau est extensible et reprend sa forme initiale sans forcer. Sa forme reste inchangée.

• Seuil de rentabilité:

C'est le point où le matériau semble avoir commencé à changer de forme. Il ne revient pas à son état initial même en cas de retrait de la charge.

• Force ultime :

Il s'agit de la charge maximale qu'un matériau peut supporter lorsqu'il est déformé plastiquement. C'est à ce stade que la striction commence, ou plutôt que le matériau commence à se rompre.

• Point de fracture/Point de rupture :

Le point de fracture est également le point de rupture ; il survient lorsque le matériau est brisé en deux parties, comme lorsque vous cassez un bâton de bois avec vos mains.

• Écrouissage :

Lors de l'écrouissage, le matériau change de forme sous l'effet d'une force. Ce phénomène s'étend de la limite d'élasticité jusqu'à la résistance à la traction. En réalité, lorsque le matériau subit une déformation plastique, les dislocations se déplacent, formant un groupe et fusionnant les unes avec les autres. Cet écrouissage augmente la résistance du matériau.

Laboratoire de Résistance des Matériaux : Contrainte de Traction.

Tableau 1. Limite d'élasticité et résistance UTS de différents matériaux

Objectif de mesure : contrainte par rapport à la charge de rupture

La principale différence entre les deux est l'objectif de mesure. La résistance à la traction mesure la valeur de la contrainte, c'est-à-dire la force par unité de surface, tandis que la résistance à la rupture mesure la force totale exercée sur le matériau jusqu'à sa rupture.

Point de défaillance

Le point de rupture est le point final du graphique où vous pouvez voir deux parties physiquement cassées différentes du même matériau.

Pourquoi chaque mesure est-elle importante ?

Ces deux forces sont importantes car elles servent des objectifs différents. Par exemple, la résistance à la traction nous aide à façonner et à concevoir différents composants et matériaux. La résistance à la rupture, quant à elle, correspond à la force totale que le matériau peut supporter jusqu'à sa rupture. Elle peut prévenir tout accident.

Pourquoi la limite d’élasticité est-elle importante ?

Le point du graphique contrainte-déformation où la droite tourne correspond à la limite d'élasticité. À ce point, le matériau change de forme. La limite d'élasticité est plus importante pour l'ingénieur, car elle sert de facteur de sécurité. La résistance à la rupture intervient ensuite. L'exemple de graphique ci-dessous est illustré :

Fig 2. Résistance à la rupture par rapport à la résistance ultime

Le graphique contrainte/déformation est présenté ci-dessus. La courbe de déformation indique clairement la déformation du matériau à partir de ce point. Le point supérieur correspond à la résistance à la rupture (UTS), qui indique la force maximale subie par le matériau. La courbe descendante, arrivant à son extrémité, indique la résistance à la rupture lorsque le matériau se brise en deux.

Limite de charge de travail vs résistance à la rupture :

La limite de charge d'utilisation (LCA) désigne la charge qu'un matériau peut supporter dans ses limites de sécurité. La résistance à la rupture (RFT) désigne la charge que le matériau supportera du début à la fin. Le tableau ci-dessous explique les principales différences entre ces deux termes :

Tableau 2. Comparaison entre la limite de charge d'utilisation et la résistance à la rupture

Que signifie WLL en pratique ?

La charge maximale d'utilisation (CMU) est la force maximale qu'un composant peut supporter en utilisation normale dans un environnement donné. Il s'agit généralement de la capacité opérationnelle de sécurité. La CMU est toujours inférieure à la résistance à la rupture.

Fig 3. Force de compression, force de traction et force de cisaillement

Avec facteur de sécurité vs sans facteur de sécurité :

Nous pouvons déterminer la limite de charge de travail grâce à la formule qui est la résistance à la rupture divisée par le facteur de sécurité, qui est souvent de 4 à 6. Si nous disons sans facteur de sécurité, nous parlons alors de la résistance à la rupture.

Étiquette de terrain vs résultats des tests en laboratoire :

On peut le dire simplement à l'aide d'un exemple. Prenons l'exemple d'une corde capable de supporter une charge de 4 540 kg (10 000 lb), charge maximale avant rupture selon les résultats des tests en laboratoire. Dans ce cas, la corde sera étiquetée 900 kg (2 000 lb) sur le marché. Ceci vise uniquement à prendre en compte le facteur de sécurité de la charge maximale d'utilisation.

Résistance minimale à la rupture :

La résistance à la rupture minimale garantie (MBS) est la résistance à la rupture critique proposée par le fabricant. Le fabricant ne fournit pas de moyenne.

Comment MBS garantit-il ?

Supposons qu'il y ait 100 composants d'un même objet. Le fabricant indique une contrainte minimale de rupture (CMS) donnée. Il affirme qu'aucun composant ne tombera en panne sous la contrainte minimale de rupture (CMS) donnée. C'est ainsi que la CMS est garantie.

Comment les fabricants prouvent-ils MBS ?

La résistance à la rupture minimale (MBS) est garantie par le fabricant grâce à différents tests normalisés. L'un d'eux est l'essai destructif, qui consiste à soumettre le matériau à des charges jusqu'à sa rupture. Le résultat du lot doit être supérieur ou égal à la valeur de résistance à la rupture minimale garantie.

Combien de lots réussissent ou échouent ?

Cette tâche est généralement confiée à un ingénieur contrôle qualité. Il prélève un nombre important d'échantillons d'un lot et les teste un par un. Même si un échantillon ne répond pas à la résistance minimale à la rupture requise, garantie par le fabricant, l'ensemble du lot est rejeté.

Comment augmenter la résistance à la rupture ?

La résistance à la rupture est généralement augmentée par un certain nombre de facteurs, notamment :

1. Des traitements thermiques, comme la trempe, permettent d'affiner le grain du matériau. Cela entraîne une augmentation de sa dureté et de sa résistance.
2. Les procédés de formage des métaux tels que le laminage et le forgeage sont utilisés pour affiner/déformer les grains et augmenter la densité de dislocations dans le matériau.
3. Les méthodes de renforcement par solution solide permettent d'ajouter un petit nombre d'éléments au métal. Ces méthodes limitent le mouvement de la dislocation afin d'augmenter la résistance à la rupture.

Comment calculer la résistance à la rupture ?

La résistance à la rupture est mesurée par la formule suivante :

La formule de résistance à la rupture et les calculs

La formule du stress est :

Contrainte (σ) = Force / Surface ou section transversale

Ainsi, la force de rupture sera = contrainte (σ) x surface

Pour calculer les unités, vous avez besoin

Si vous connaissez la contrainte et la section transversale, la résistance à la rupture peut facilement être calculée en Newton, en kilogrammes ou en livres.

De la charge au stress

Si vous connaissez la charge de rupture, la contrainte de rupture peut être calculée à l'aide de la formule suivante :

Contrainte de rupture = Charge de rupture / Surface ou section transversale

Boulons, fixations et résistance à la rupture

La résistance à la rupture des écrous et des boulons est essentielle pour les composants critiques. Voyons pourquoi elle est importante :

Fig4. Boulons et fixations

Pourquoi la résistance à la rupture est-elle importante dans les boulons et les fixations ?

Prenons l'exemple d'un avion en vol. Imaginez un boulon desserré qui atteint sa limite de rupture. De nombreuses forces s'exercent sur chaque boulon et fixation d'un avion. Pour éviter toute catastrophe, la limite de rupture entre en jeu.

Fig5. Conception des fixations

Charge d'épreuve vs charge de rupture

La charge d'épreuve est la charge qu'un boulon ou une fixation peut supporter sans déformation. La charge de rupture, quant à elle, est la charge finale à laquelle le boulon se rompt. Elle se situe généralement entre 80 et 90 % de la limite d'élasticité.

Engagement du filetage pour une résistance maximale

L'engagement du filetage désigne la capacité du boulon à s'agripper pleinement aux filets d'une fixation. Pour qu'un boulon atteigne sa résistance maximale à la rupture, l'engagement du filetage doit être suffisant. L'engagement des filets sur au moins un diamètre pour l'acier et deux diamètres pour l'aluminium est une procédure standard.

Résistance à la rupture des matériaux courants :

La résistance à la rupture de chaque matériau varie. Des matériaux comme le titane et les aciers alliés offrent une résistance à la rupture très élevée par rapport à l'aluminium ou au nylon. Examinons la résistance à la rupture typique de quelques matériaux courants et leurs applications.

Tableau 3. Comparaison de la résistance à la rupture des matériaux d’ingénierie courants.

Facteurs clés qui affectent la résistance à la rupture d'un matériau

Voici les différents facteurs qui peuvent affecter la résistance à la rupture des matériaux :

Traitement thermique

Les traitements thermiques comme la trempe permettent de définir la résistance à la rupture des matériaux. Lors de ces traitements, le matériau est chauffé à une certaine température, puis rapidement plongé dans de l'eau ou un autre liquide de refroidissement, ce qui ne lui laisse pas le temps de former des grains corrects. Le revenu est effectué après la trempe pour obtenir la ténacité ou la résistance du matériau et éviter ainsi toute déformation plastique brutale.

Contrôle de la microstructure ou des défauts

Lors du traitement thermique du matériau, les défauts tels que les vides et les impuretés sont les principaux facteurs susceptibles d'en diminuer la résistance. Ces défauts peuvent être éliminés par forgeage et laminage contrôlés. Ces procédés de formage des métaux permettent d'augmenter la dureté et de réduire la taille des grains dans le sens du laminage.

Température ou environnement

Un environnement corrosif, tel que le chlorure, peut réduire la durée de vie du matériau. Le glissement des joints de grains et les mouvements atomiques accrus sont les principaux facteurs de diminution de la résistance du matériau à haute température. De même, une température plus basse diminue la mobilité des dislocations et entraîne ainsi une déformation plastique brutale des composants.

Vitesse de chargement

Si vous appliquez une vitesse de chargement plus élevée au matériau, celui-ci présente une rupture fragile, faute de temps pour se déformer plastiquement. Une vitesse de chargement plus faible entraîne une déformation plastique, et la déformation prend plus de temps qu'avec une vitesse de chargement plus élevée.

Conclusion:

La résistance à la rupture est essentielle et doit toujours être prise en compte. La limite d'élasticité, la résistance à la rupture et la résistance à la rupture sont trois éléments distincts. Tous ces éléments jouent un rôle important dans la résistance du matériau et son ingénierie. Il est important d'utiliser le matériau dans les limites de sa charge d'utilisation. Tenez toujours compte de ces trois éléments pour garantir la fiabilité et la sécurité, notamment la résistance à la rupture. Cela permet d'éviter les accidents.

FAQ

Quelle est la différence entre la résistance à la rupture et la résistance ultime ?

La résistance ultime est la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter. La résistance à la rupture est la contrainte à laquelle un matériau se rompt. Le matériau se rétrécit après avoir atteint sa résistance maximale, puis se rompt.

Pourquoi la résistance à la rupture est-elle inférieure à la résistance ultime ?

La réduction de la section transversale après striction et la maximisation de la charge en ce point sont les deux principaux facteurs de diminution de la résistance à la rupture. En raison de l'enchevêtrement des dislocations, le point UTS subit une contrainte maximale. Après cette striction, la résistance commence à diminuer. C'est pourquoi la résistance à la rupture est toujours inférieure à la résistance ultime.