Contrainte vs déformation : tout ce qu'il faut savoir

La contrainte et la déformation sont deux notions à la fois distinctes et liées. Il est essentiel de comprendre leur relation pour choisir les matériaux adaptés aux différentes applications concernées.

L'article ci-dessous explore les différences entre la contrainte et la déformation, ainsi que leur importance dans le choix des matériaux et la conception. Poursuivez votre lecture.

Qu'est-ce que la contrainte ?

La contrainte est la force par unité de surface qui s'exerce sur un matériau donné. Elle définit également la façon dont les matériaux réagissent lorsqu'ils sont soumis à certaines conditions de charge. Différents types de contraintes apparaissent au sein d'un objet.

Types de contraintes

Les deux formes de contrainte les plus courantes sont les suivantes :

Contrainte de traction

La contrainte de traction se produit lorsqu'un objet est étiré, ce qui entraîne une augmentation de sa longueur. Par exemple, lorsqu'une tige est tirée ou qu'un fil est étiré par des forces opposées appliquées aux deux extrémités, il s'allonge.

Contrainte de compression

La contrainte de compression se produit lorsque l'objet est comprimé et que sa longueur diminue. Par exemple, lorsqu'une tige ou un fil est comprimé par des forces opposées et égales appliquées aux deux extrémités.

Comment fonctionne la contrainte dans les matériaux

La contrainte dans un matériau est créée lorsque celui-ci est soumis à une force de déformation. Elle génère une force appliquée, qui peut donner lieu soit à une déformation élastique, réversible, soit à une déformation permanente.

Les atomes du matériau résistent aux forces externes grâce aux liaisons présentes, ce qui crée une force de réaction opposée.

Dans le cas d'une simple force de traction, même lorsqu'un matériau est étiré à une extrémité, la réaction se manifeste sous forme de contrainte dans les deux dimensions. Il s'allonge donc dans une direction et se contracte dans l'autre.

Comment mesure-t-on la contrainte des matériaux ?

Il est impossible de mesurer directement la contrainte ; on mesure donc les déformations et les forces appliquées. Pour mesurer la déformation, il est très important de comprendre la relation entre la déformation et la force.

Différentes méthodes permettent de mesurer la déformation, notamment les jauges de déformation, les capteurs de force, la photoélasticité et les essais par ultrasons.

Une fois l'intensité de la force connue, vous pouvez calculer la contrainte à l'aide de l'équation σ=F/A.

L'analyse des contraintes détermine les forces qu'un objet peut supporter. Il est très important de les identifier afin de choisir les matériaux en conséquence.

Qu'est-ce que la déformation ?

La déformation mesure la modification d'un matériau sous l'influence d'une force externe. Elle prend également en compte le niveau de déformation d'un matériau soumis à une contrainte.

La déformation est la mesure de la variation de longueur d'un matériau par rapport à sa dimension d'origine ; c'est une grandeur sans unité.

Types de déformations

Déformation de traction

La déformation de traction se produit lorsqu'un matériau est allongé ou étiré.

Déformation de compression

La déformation de compression se produit lorsque le matériau est raccourci ou comprimé.

Comment fonctionne la déformation dans les matériaux

Sous l'effet d'une force externe, le matériau se déforme, et cette déformation constitue la déformation. Le comportement ou la déformation du matériau sous contrainte dépend de nombreux facteurs, tels que le type de matériau, sa composition, la direction et l'intensité.

Un matériau soumis à une contrainte peut se déformer de trois manières, à savoir :

• La déformation élastique se produit lorsqu'un matériau se déforme sous contrainte mais retrouve sa forme d'origine lorsque la contrainte est relâchée.
• La déformation plastique est une déformation permanente : lorsque la forme d'un matériau se modifie sous contrainte, elle ne se rétablit pas.
• La rupture se produit lorsque la contrainte appliquée dépasse la résistance du matériau, ce qui entraîne une défaillance ou une cassure.

Comment mesure-t-on la déformation des matériaux ?

De nombreuses méthodes permettent de mesurer la déformation ; les plus courantes sont les extensomètres et les jauges de déformation.

Ce sont deux méthodes directionnelles ; à part celles-ci, on trouve également les capteurs piézoélectriques et la corrélation d'images numériques.

Exemples de courbes contrainte-déformation selon les matériaux

Chaque matériau réagit différemment à la contrainte et à la déformation ; cette section met en évidence le comportement des métaux et des polymères :

Métaux

Certains métaux ductiles comme l'acier inoxydable et d'autres alliages ont tendance à se déformer sous contrainte. En revanche, les métaux fragiles, comme l'acier à haute teneur en carbone, subissent une rupture même en cas de déformation minime.

De son côté, l'acier à faible teneur en carbone fléchit sous contrainte jusqu'à atteindre la limite d'élasticité ; il se déforme, ce qui provoque un écrouissage.

Polymères

Le comportement contrainte-déformation des polymères est très varié. Un polymère fragile se déforme élastiquement, mais s'il est davantage étiré, une rupture peut survenir. Ce point représente la résistance à la traction sous forme de valeur de contrainte.

Certains élastomères, comme le caoutchouc, retrouvent leur forme initiale après avoir été soumis à une contrainte, et s'ils sont étirés jusqu'au point de rupture, ils cassent.

Relation entre contrainte et déformation

La contrainte et la déformation sont liées l'une à l'autre, l'une provoquant l'autre. Le module de Young décrit la relation entre contrainte et déformation.

Le modèle élastique concerne la contrainte appliquée à un matériau, qui entraîne une déformation, et cette relation est également décrite par la loi de Hooke. Selon cette loi, la contrainte et la déformation sont directement proportionnelles l'une à l'autre, à condition que le matériau présente une élasticité.

Cette relation s'exprime mathématiquement comme suit :

La courbe contrainte-déformation

La relation contrainte-déformation comporte plusieurs termes importants qui font partie de la courbe contrainte-déformation, à savoir :

La zone élastique

Les zones élastiques sont les zones de déformation dans lesquelles les matériaux reprennent leur forme initiale lorsque la contrainte est supprimée.

Limite d'élasticité

Elle décrit le point de déformation du matériau. La contrainte présente à ce point est appelée limite d'élasticité.

La zone plastique

La zone plastique est celle qui commence après la limite d'élasticité, et la déformation qui s'y produit est permanente.

Résistance à la traction ultime

La résistance à la traction ultime est la limite maximale de contrainte que peut supporter le matériau. Ce point de la courbe correspond à l'apparition de la striction.

Striction

La striction est la région de la courbe contrainte-déformation qui présente une déformation plus importante.

Rupture

À ce point, le matériau tend à se rompre.

Conclusion

Le guide ci-dessus met en évidence une différence détaillée entre contrainte et déformation, ainsi que leur relation. Si vous souhaitez faire fabriquer des composants avec une grande précision et sans déformation, vous pouvez nous contacter à DEK.

Nous comprenons le principe de contrainte et de déformation ; nous choisirons donc le bon matériau et le bon procédé pour vos applications.