Cours 3 Résistance des matériaux, une brève initiation!
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- Théophile Lefebvre
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1 DST-202 Intégration science et technologie École de technologie supérieure Nathalie Dabin Cours 3 Résistance des matériaux, une brève initiation! Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 1
2 Plan Introduction Corps rigide et déformable Historique Généralités en RDM Traction/Compression Définitions et lois Propriétés technologiques La fatigue Consignes Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 2
3 Introduction Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 3
4 Un objet soumis a une force externe : 2 mondes Monde des corps rigides Mécanique classique En mécanique classique, on fait l hypothèse que les objets sont des corps rigides ou indéformables, pour faire les calculs : Équilibre (statique) Conservation de l énergie Trajectoire/vitesse/accélération (cinématique) Monde des corps déformables Mécanique des milieux continus Dans la vraie vie, tout objet réel, soumis à l action d une force externe, va nécessairement subir une déformation. On étudie des objets déformables et continus : Déformation des objets (RDM) Déformation des fluides (mécanique des fluides) Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 4
5 Introduction La science qui permet de prédire le comportement déformable des objets est la résistance des matériaux (RDM). Elle a pour but de déterminer, par le calcul ou l expérience, la distribution des forces internes (contraintes) et des déformations des objets soumis à des forces extérieures. Les objectifs sont de concevoir des structures répondant à des critères de sécurité et de coûts : Calculer la résistance maximum supportée par la structure en connaissant les facteurs de sécurité. Connaitre la zone de fonctionnement d une structure en calculant les déformations admissibles de cette structure. Prédire le plus bas coût financier en dimensionnant aux bonnes cotes la structure. Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 5
6 Introduction Hypothèses de travail en RDM : La plupart des structures sont modélisables par des poutres La poutre est un solide dont la longueur est prépondérante devant les autres dimensions transversales. Le matériau constituant une poutre est : Continu : présente un caractère progressif, qui évolue sans saut brutal ou sans frontière marquée. Homogène : mêmes propriétés, en tout point. Isotrope : mêmes propriétés dans toutes les directions. Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 6
7 Introduction Domaine application Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 7
8 Plan Introduction Corps rigide et déformable Historique Généralités Traction/Compression Définitions et lois Propriétés technologiques La fatigue Consignes Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 8
9 Historique Les pionniers de la renaissance Galilée ( ) Robert Hooke ( ) Thomas Young ( ) August Wöhler ( ) Poutre encastrée soumise à l'action d'un poids. (Galilée) Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 9
10 Plan Introduction Corps rigide et déformable Historique Généralités Traction/Compression Définitions et lois Propriétés technologiques La fatigue Consignes Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 10
11 Généralités Force externe Sollicitation Force externe Forces internes Contraintes σ Forces internes Déformations Réversible Déformation Irréversible Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 11
12 Résumé : Le grand principe de RDM Sollicitation : Application d une force externe Contraintes : Rupture de l équilibre interne : apparition de forces internes σ Déformation : L objet change de forme ε Les contraintes : ce sont les forces internes qui déforment l objet. Les déformations : Ce qui résulte de l action des contraintes. Les déformations sont caractérisées par : le type de sollicitation qui les produit, La nature plus ou moins réversible de la déformation. Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 12
13 Généralités Les types de sollicitations : Forces parallèles à la surface Force normale Moments Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 13
14 Généralités Traction / compression Force normale La traction est la contrainte subie par un corps soumis à l'action d une force normale tirant sur ce corps (inverse compression). Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 14
15 Généralités Traction / compression Forces normales à la surface/forces axiales Contrainte de traction ou de compression Déformation = élongation Déformation = raccourcissement 03/02/
16 Généralités Forces parallèles à la surface Cisaillement (shear) Le cisaillement est la contrainte subie lorsque les efforts s exercent en sens opposés, tangentiellement aux surfaces et dans des plans différents. Exemple du rivet entre deux plaques. La surface S qui subit les contraintes est la section du rivet 03/02/
17 Généralités Moments Torsion La torsion est la contrainte subie par un corps soumis à l'action de deux couples opposés agissant dans des plans parallèles différents. Arbre moteur 03/02/
18 Généralités Cisaillement et torsion Forces parallèles à la surface Contrainte de cisaillement. Déformation = changement d'angle dans un plan Moments opposés Contrainte de torsion Déformation = changement d'angle autour d un axe 03/02/
19 Généralités La flexion Moments La flexion est la contrainte subie par un corps soumis à l'action de deux couples opposés agissant dans le même plan. 03/02/
20 Généralités Sollicitations vs Contrainte Moment fléchissant Contrainte de flexion Déformation = changement d'angle Dilatation/contraction Ligne neutre Effort compression étirement Flèche Effort Moment équivalent Effort Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 20
21 Résumé : sollicitation/contraintes/déformations sollicitations Contrainte déformation Exemple Forces normales à la surfaces Forces parallèles à la surface Moments opposés et parallèles Moment fléchissant Traction compression cisaillement Torsion ( cisaillement) Flexion (l un ou l autre) Allongement longitudinal, on tire de chaque côté Raccourcissement longitudinal, on appuie de chaque côté Glissement relatif des sections dans une direction Glissement relatif des sections autour d un axe Fléchissement barre de remorquage poteau supportant un plancher *goujon de fixation *Papier coupé par des ciseaux arbre de transmission d'un moteur *planche de plongeoir *étagère Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 21
22 Généralités Nature de la déformation Déformation élastique : réversible Déformation plastique : irréversible Striction : début de cassure Contrainte σ Seuil de plasticité Rupture Déformation ε Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 22
23 Généralités Nature de la rupture Fragile ductile Rupture Contrainte Seuil de plasticité Rupture Déformation Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 23
24 Résumé : Nature de la déformation et de la rupture 3 modes de déformation : élastique : lorsque l'on supprime les efforts, la matière reprend sa forme initiale, la déformation est réversible. plastique : lorsque l'on supprime les efforts, la matière garde une déformation résiduelle, la déformation est irréversible. striction : la déformation se concentre en un endroit, cela annonce une rupture prochaine. 2 modes de rupture : rupture ductile : avant la rupture, la pièce passe par une phase élastique, puis plastique, puis de striction; elle rompt dans la phase de striction; rupture fragile : la pièce casse dans la phase élastique, les morceaux rompus n'ont pas de déformation résiduelle. Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 24
25 Plan Introduction Corps rigide et déformable Historique Généralités Traction/Compression Définitions et lois Propriétés technologiques La fatigue Consignes Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 25
26 Traction/Compression Pourquoi choisir d étudier la traction et la compression : C est la contrainte la plus simple à étudier. La plupart des ossatures de structures sont constituées d éléments simples comme, entre autres, des poutres qui travaillent en traction ou compression. C est la contrainte majeure dans les structures en treillis comme le pont des schtroumpfs. Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 26
27 Traction / compression DÉFINITIONS ET LOIS Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 27
28 Définitions et lois Valeur de la contrainte due à une force normale (Stress) La contrainte de traction/compression se définit comme la résistance interne de l objet, par unité de surface, à un effort normal. / : contrainte ou : force responsable de la contrainte : aire sur laquelle s exerce la force Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 28
29 Définitions et lois Valeur de la contrainte due à une force normale Exemple : Nous désirons construire une colonne de section carrée qui doit supporter l équivalent d une masse de 1000 tonnes. Les contraintes de rupture des matériaux (fragiles) choisis sont données par le tableau suivant : Roches Contrainte de rupture Granite de vire / 2 Calcaire!"# / 2 Dimensionner la section carrée de la colonne, si la colonne est en granite et si la colonne est en calcaire pour qu elle résiste à la charge avec un facteur de sécurité de 1,5. Sachant que vous pouvez choisir dans des multiples, en cm, de 2, pour les tailles standards de granit, donner votre choix pour la colonne de granit. Calculer le diamètre des colonnes si on choisit une section circulaire. 03/02/
30 Définitions et lois Valeur de la contrainte due à une force normale Solution : Cette masse exercera un effort de compression sur la colonne % &% (& 9,81, La contrainte de rupture, avec le facteur de sécurité (FS=1,5), est : Pour le granite : 1, (& 9,81 /, Soit une largeur de ,6 2 1 #"# On choisit 30 cm car en dessous de 28,6 la colonne casse. 03/02/
31 Définitions et lois Valeur de la déformation (Strain) La déformation 4 est la variation de la longueur à un instant donné ( 1), par rapport à la longueur initiale : déformation 1 : variation de longueur 1 6 : longueur initiale 1 : longueur finale après effort Note : la déformation peut souvent s exprimer en %. Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 31
32 Définitions et lois Valeur de la déformation (Strain) Exemple : On considère un barreau cylindrique déformable en acier encastré à l une de ses extrémités et soumis à un effort de traction à l extrémité opposée. Sa longueur initiale est de 1 et après déformation sa longueur est de 1, Calculer sa variation de longueur. 2. Calculer sa déformation. : 03/02/
33 Définitions et lois Loi de Hooke Robert Hooke (1635 à 1703) Astronome, mathématicien et physicien anglais Contemporain de Isaac Newton Contrainte Déformati on élastique réversible Déformation plastique : Déformation permanente du matériau Seuil de plasticité Déformation Rupture La déformation d'un corps sous une contrainte, dans la zone linéaire, est proportionnelle à l'effort exercé. ut tensio sic vis «telle extension, telle force» La contrainte dans la zone linéaire est : proportionnelle à la force externe sur la surface appliquée. directement proportionnelle à la déformation. : ; =>?@AB?AC 4 03/02/
34 Définitions et lois Loi de Hooke Loi de Hooke : ressort : force (force externe) 1 allongement (déformation) ( : constante de rappel / Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 34
35 Définitions et lois Loi de Hooke et module d Young Dans un matériau donné, la contrainte est proportionnelle l allongement 4 et au module d Young T de ce matériau : Thomas Young (1773 à 1823) Médecin et physicien anglais; Connu pour son expérience des fentes de Young (interférence lumineuse). Plage courante : entre 10 kpa (mousses) et GPa (céramiques techniques). : contrainte de traction/compression ou 7 : déformation % V : Module d Young ou Il peut être différent en traction et compression (matériau est anisotrope ou inhomogène comme le béton ou la fonte) Cette loi est valable en traction/compression Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 35
36 Définitions et lois Module d Young Métaux purs (GPa) 20 à 420 Bio Matériaux (GPa) Tungstène (W) 406 Fer (Fe) 196 Cuivre (Cu) 124 Titane (Ti) 114 Or (Au) 78 Aluminium (Al) 69 Plomb (Pb) 18 Soie d'araignée 60 Os 17,2 Cheveu 10 Matériaux divers Modules (GPa) Diamant (C) 1000 Carbure de tungstène 650 Kevlar 520 Saphir 420 Acier de construction 210 Verre 69 Graphite 30 Béton 20 à 50 Bois de 10 à 20 Papier 3 à 4 Caoutchouc 0,001 à 0,1 Glace 9,3 Élastomères 0,003 (3 MPa) Neige (Glace H2O + air) 0,0002 à 0,015 Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 36
37 Définitions et lois Loi de Hooke et module d Young céramique rigide Plus le module de Young est élevé, plus le matériau est dit rigide. Contrainte E = pente Mousse Souple Déformation Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 37
38 Définitions et lois Loi de Hooke et module d Young Résistant Contrainte Rupture Fragile Rupture Attention Rigide Résistant Ex : le verre! Déformation Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 38
39 Définitions et lois Valeur de la déformation (Strain) Exemple : On considère un barreau cylindrique déformable en acier encastré à l une de ses extrémités et soumis à un effort de traction à l extrémité opposée. Les caractéristiques du barreau sont un module d Young V , une section 15 2 et une longueur Calculer l effort max admissible pour ce barreau sachant que la contrainte de traction maximale admissible pour ce matériau est de 250 ]. 2. Donner l allongement du barreau pour cet effort maximal. 3. La longueur finale de la barre? : 03/02/
40 Résumé : Calcul traction/compression Formule : ; 4 X 9 X Y X Y T 4 X X Y Variables : contrainte / ou : force responsable de la contrainte : aire sur laquelle s exerce la force 7 : déformation 1 : variation de longueur 1 6 : longueur initiale 1 : longueur finale après effort : contrainte de traction/compression ou 7 : déformation % V : Module d Young ou Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 40
41 Traction / compression PROPRIÉTÉS TECHNOLOGIQUES : LA TRACTION Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 41
42 Propriétés technologiques La traction La traction est la contrainte la plus facile à modéliser en RDM. Elle implique juste des forces normales à la surface/forces axiales. On «aime», en conception, les structures qui travaillent en traction. On utilise couramment les essais en traction pour caractériser les matériaux. Les essais en traction se font sur un banc de traction avec des éprouvettes. Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 42
43 Propriétés technologiques Les essais de traction Banc de traction simplifié pour tester le cartonex : Bras de chargement Masse M traction Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 43
44 Propriétés technologiques La compression Le comportement d une poutre en traction dépend de : la surface de la section de la poutre du matériau constituant la poutre Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 44
45 Propriétés technologiques Les essais de traction Z Zone élastique Zone plastique Module d Young : pas la meilleure méthode. Contrainte (MPa) [ C V Seuil de plasticité Zone plastique Zone de striction Rupture Limite d'élasticité : limite de la réversibilité des déformations. La résistance à la traction : On mesure sa capacité maximum à résister à une charge. L allongement à la rupture : allongement maximum avant la rupture. deformation (%) \%!!!! À la shop, on utilise la lettre R pour désigner la contrainte : R=σ!!!!! Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 45
46 Propriétés technologiques Les essais de traction Zone élastique : Dans la zone élastique, les déformations sont réversibles (non permanente). Pour la plupart des matériaux métalliques, la déformation élastique ne persiste que pour des déformations ne dépassant pas 0,5% (7 ] 0,5%). Dans cette zone, les déformations ont un comportement linéaire régi par la loi de Hooke : V 7 La pente : module d élasticité ou module de Young, noté E 03/02/
47 Propriétés technologiques Les essais de traction Zone plastique Pour une déformation supérieure à 0,5% (matériaux métalliques), la loi de Hooke ne s applique plus, et une déformation plastique permanente se produit. La transition est progressive entre la déformation élastique et plastique. La limite entre la zone élastique et plastique s appelle la limite d élasticité (point P sur la courbe). 03/02/
48 Propriétés technologiques Les essais de traction La limite d élasticité ^ On note ^ la contrainte atteinte à la limite d élasticité. Comme cette limite est floue, on a posé qu il s'agit de la valeur de la contrainte qui laisse 0,2 % de déformation plastique lorsqu'elle est retirée. Cette valeur est notée ^6, Pour un matériau fragile, c'est la contrainte à laquelle le matériau se rompt. Pour un matériau ductile, la déformation continue d augmenter de manière irréversible. Matériau R e (MPa) Bois Aluminium Acier /02/
49 Propriétés technologiques Les essais de traction Comportement fragile ou ductile en traction : Le comportement fragile ou ductile est fonction de la malléabilité du matériau c.-à-d. de sa capacité à s allonger. Matériaux durs, mais fragiles ou cassants. (ex. : verre, céramique, certain plastique) Matériaux ductiles ou qui s étirent facilement. (ex. : métaux, certains plastiques) Matériaux élastiques. (ex. : caoutchouc) 03/02/
50 Propriétés technologiques Les essais de traction Limite de résistance max. en traction ^_ matériaux ductiles La contrainte décroit, car l éprouvette a commencé à briser. ^_ Modification de la section Juste allongement 03/02/
51 Propriétés technologiques Les essais de traction Limite de résistance max. en traction ^_ matériaux ductiles La contrainte maximale supportée sans déformation de la section est appelée la résistance à la traction (contrainte maximum supportée par l éprouvette). Matériau R m (MPa) Polymères Bois Aluminium Acier Au-delà de cette limite apparait la striction c est un étranglement de la section qui induit une faiblesse dans l éprouvette. La rupture aura lieu dans la zone de striction pour une valeur de contrainte nommée 03/02/
52 Propriétés technologiques Les essais de traction : les métaux Allongement à la rupture % Remarque : L'écrouissage d'un métal est le durcissement d'un métal sous l'effet de sa déformation plastique (définitive). ^_ ^ % Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 52
53 Propriétés technologiques Les essais de traction : résumé `Z Déformation élastique réversible Déformation plastique : Déformation permanente du matériau Contrainte (MPa) `[ `C V Seuil de plasticité Zone plastique Zone de striction Rupture Allongement (%) \% Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 53
54 Propriétés technologiques Les essais de traction : résumé Module d Young V Grandeur Souplesse/rigidité Souple si V est faible. Capacité à subir de grandes déformations sans déformation irréversible (ressorts). Résistance Propriété Rigide si E est élevé. Capacité à subir de grandes contraintes sans déformation irréversible. La limite d élasticité ^a Faible si ^a est petit. Résistant si ^a est élevé. L allongement % Fragilité ou ductilité (malléabilité) fragile si % est faible Casse sans allongement. ductile si % est élevé Capacité à être malléable. Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 54
55 Propriétés technologiques Les essais de traction : exemple Exemple : Une masse de 10 kg est suspendue à : un câble d acier d une longueur de 10m V b# = 200 GPa un câble en polyéthylène basse densité (LDPE) de même longueur V cdef = 200 MPa Évaluez dans chaque cas le diamètre minimal du câble pour que la déformation ne dépasse pas 1cm. Si on double la longueur du câble, doit-on changer la section? 03/02/
56 Traction / compression PROPRIÉTÉS TECHNOLOGIQUES : LA COMPRESSION Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 56
57 Propriétés technologiques La compression La compression est une contrainte facile à modéliser en RDM. Elle implique juste des forces normales à la surface/forces axiales. On «aime», en conception, les structures qui travaillent en compression. Il existe des essais de compression comme les essais de traction. Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 57
58 Propriétés technologiques Les essais de compression Banc de compression simplifié pour tester le cartonex : Bras de chargement compression Masse M Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 58
59 Propriétés technologiques La compression Le comportement d une colonne en compression dépend de : la longueur, la forme et la surface de la section de la colonne. Si la colonne est courte, elle se comporte en compression comme en traction, même module d élasticité et même limite élastique Re. Si la colonne est longue, elle se comporte d abord élastiquement avec le même module d élasticité V jusqu à une force critique à laquelle la membrure flambe latéralement et s écroule sous cette force. Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 59
60 Propriétés technologiques La compression Poutre courte Peu ductile Poutre courte ductile Poutre longue peu ductile Poutre longue ductile Brisure Écrasement Rupture (ruine) Flambage Colonne de granit Chamallo Poteau de structure 03/02/
61 Propriétés technologiques La compression : le flambage Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 61
62 Propriétés technologiques La compression : le flambage Calcul de flambage : Le flambage (ou flambement) est une déformation dans une direction perpendiculaire à la force appliquée. Une poutre flambe quand la charge critique est dépassée. On dit que le flambement est un phénomène d'instabilité élastique. En général le flambement élastique n'est que le début d'un comportement non linéaire bien plus complexe qui une fois amorcé conduit à des déformations plastiques dans le matériau puis à la ruine de la poutre. 03/02/
63 Propriétés technologiques La compression : le flambage Euler donne une formule qui permet de prédire la charge critique de flambage d une poutre élancée* et (rotule/rotule): # V: module d Young. g : moment quadratique de la section h. 1: longueur de la poutre. *élancé : très longue! Remarque : le moment quadratique d une section rend compte de la géométrie d'une section. Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 63
64 Propriétés technologiques La compression : le flambage Moment quadratique d une section rend compte de la géométrie d'une section. Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 64
65 Plan Introduction Corps rigide et déformable Historique Généralités Traction/Compression Définitions et lois Propriétés technologiques La fatigue Consignes Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 65
66 La fatigue des matériaux Houles Marche/arrêt Petites fores externes vibrations Chaud/froid Fatigues Contraintes Micros déformations Fissures Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 66
67 Consignes Entre le 3 et le 10 fevrier : travail individuel Revoir les diapos Pratiquer les exercices Visiter les liens Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 67
68 Merci pour votre attention. Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 68
69 Liens DVujQn0U es/ci6/rdm_essai/txt.htm Hiver 2017 Dst-202 Intégration science et technologie 69
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