Une propriété mécanique est une propriété caractéristique d’un matériau qui décrit son comportement lorsqu’il est soumis à une ou plusieurs contraintes mécaniques.
La connaissance des propriétés mécaniques des matériaux est essentielle à la conception et à la fabrication d’objets techniques. Afin que l’objet technique remplisse sa fonction globale et résiste aux différentes contraintes qu’il subit, il est important de sélectionner les matériaux adéquats.
Le tableau suivant présente les principales propriétés mécaniques.
| Propriété mécanique | Description | Exemples de matériaux |
|---|---|---|
| Ductilité | Capacité de s’étirer sans se rompre et de conserver sa nouvelle forme | Le cuivre L’or |
| Dureté | Capacité de résister à la pénétration et aux rayures | L’acier La porcelaine |
| Élasticité | Capacité de se déformer, puis de reprendre sa forme initiale | Le caoutchouc Le polychloroprène |
| Fragilité | Capacité de se casser facilement | Le verre La porcelaine |
| Malléabilité | Capacité de s’aplatir ou de se courber sans se rompre et de conserver sa nouvelle forme | L’aluminium Le cuivre |
| Résilience | Capacité de résister aux chocs | La fonte La mélamine |
| Rigidité | Capacité de résister à la déformation | Le béton armé Le contreplaqué |
Tous les matériaux ont une limite à pouvoir se déformer ou à résister à la déformation. Lorsque les contraintes appliquées sont trop grandes, elles entrainent une déformation permanente ou une rupture du matériau. Par exemple, le caoutchouc a une bonne élasticité, mais s’il est étiré avec une trop grande force, il risque de rompre au lieu de reprendre sa forme initiale.
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La ductilité est la capacité d’un matériau de se déformer, plus précisément de s’étirer, sans rompre et de conserver sa nouvelle forme.
La plupart des métaux et alliages possèdent une excellente ductilité. C’est pourquoi ces matériaux sont fréquemment sélectionnés pour la fabrication de fils ou de câbles.
En usine, on fait passer une épaisse tige de cuivre dans un système de poulies qui l’étire pour obtenir un long fil mince.
FabrikaSimf, Shutterstock.com
Les matériaux tels que les bois et les céramiques ne sont pas ductiles puisqu’ils ne s’étirent pas. Généralement, les matériaux qui sont ductiles sont aussi malléables.
La dureté est la capacité d’un matériau à résister à la pénétration et au rayement.
Les céramiques, plusieurs métaux et leurs alliages, ainsi que certaines matières plastiques, ont une bonne dureté. On retrouve ces matériaux en abondance dans le domaine de la construction comme matériaux de finition, car leur surface reste intacte au fil du temps. La dureté des bois varie en fonction de leur essence. Par exemple, l’érable (un feuillu) est plus dur que le pin (un conifère).
La dureté de la céramique de porcelaine en fait un choix durable de couvre-plancher sur lequel on souhaite éviter les égratignures.
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La dureté des matériaux permet également de choisir l’outil approprié afin de réaliser une entaille ou un découpage. En effet, la dureté de l’outil utilisé devra être supérieure à celle du matériau découpé.
Le diamant est la substance naturelle ayant la dureté la plus élevée. Il est possible de l’utiliser afin de couper des morceaux de verre. Puisque le diamant est plus dur que le verre, il y pénètre et y laisse une rayure.
Pour cette raison, on retrouve de petits morceaux de diamants sur la lame du coupe-verre.
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L’échelle de Mohs sert à mesurer la dureté des minéraux. Elle a été inventée en 1812 par Friedrich Mohs, un minéralogiste allemand. La dureté est classée sur une échelle allant de 1 à 10. L’échelle compare la capacité d’un minéral à en rayer un autre.
Le gypse est rayé par l’ongle, alors que la calcite est rayée par une pièce de cuivre. Cela signifie que la calcite est plus dure que le gypse. Le diamant ne peut être rayé que par un autre diamant. Pour cette raison, le diamant a une dureté de 10, soit la plus élevée sur l’échelle de Mohs.
| Dureté | Minéral | Évaluation de la dureté |
|---|---|---|
| 1 | Talc | Le talc est friable sous l’ongle. |
| 2 | Gypse | Le gypse est rayé par l’ongle. |
| 3 | Calcite | La calcite est rayée par une pièce de cuivre. |
| 4 | Fluorine | La fluorine est facilement rayée par un couteau. |
| 5 | Apatite | L’apatite est rayée par un couteau. |
| 6 | Orthose | L’orthose est rayée par la lime. |
| 7 | Quartz | Le quartz est rayé par le verre. |
| 8 | Topaze | La topaze est rayée par le carbure de tungstène. |
| 9 | Corindon | Le corindon est rayé par le carbure de silicium. |
| 10 | Diamant | Le diamant est rayé par un autre diamant. |
L’élasticité est la capacité d’un matériau à se déformer, puis à reprendre sa forme initiale après avoir subi une déformation.
Plusieurs matières plastiques et certains matériaux composites ont une bonne élasticité.
Après une déformation, il est possible de redonner sa forme initiale à certains matériaux à condition d’appliquer une contrainte. Toutefois, puisqu’il ne s’agit pas d’une réponse spontanée de ces matériaux, ces derniers ne sont pas considérés comme élastiques.
Le polychloroprène, couramment appelé néoprène, est un bon choix pour une combinaison de surf. Son élasticité est utile puisque la combinaison est déformée lorsqu’elle est enfilé. En la portant, elle s’ajuste au corps et lorsqu’on l’enlève, la combinaison de polychloroprène reprend sa forme initiale.
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Il ne faut pas confondre l’élasticité avec la malléabilité et la ductilité. En effet, ces dernières propriétés impliquent que le matériau puisse se déformer, puis conserver sa nouvelle forme. Un matériau ductile ou malléable ne peut être élastique, puisqu’il ne peut reprendre sa forme initiale par lui-même.
La fragilité est la capacité d’un matériau à se casser lorsqu’il est soumis à des contraintes.
Les céramiques telles que le verre ou la porcelaine sont des matériaux qui ont une bonne fragilité. Lorsqu’elles sont soumises à des contraintes mécaniques, les céramiques se fissurent ou se cassent avant d’être déformées.
La fragilité du verre en fait un bon choix pour la porte de cette armoire à extincteur et boyau d’incendie. En cas d’urgence, il est possible de casser le verre pour accéder au contenu de l’armoire.
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Lorsqu’un matériau est soumis à des contraintes répétitives, cela peut augmenter sa fragilité. Plus la force des contraintes est élevée, moins le matériau peut en supporter les répétitions. Dans ce cas, on parle de fatigue mécanique. Par exemple, lorsqu’on déplie et replie un trombone plusieurs fois, il finit par se casser.
Généralement, les matériaux qui sont fragiles ne sont ni ductiles ni malléables, mais ils peuvent être rigides.
La malléabilité est la capacité d’un matériau à se déformer sans se rompre et à conserver sa nouvelle forme. Ainsi, il peut être aplati, courbé ou plié.
La plupart des métaux et alliages possèdent une bonne malléabilité. C’est pourquoi ces matériaux sont fréquemment sélectionnés pour les emballages alimentaires et la joaillerie.
La malléabilité de l’aluminium permet de le laminer en feuilles. Les feuilles d’aluminium sont ensuite pliées pour obtenir des contenants alimentaires.
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En bijouterie, l’or est un métal utilisé pour sa grande malléabilité. On peut lui donner des formes très variées.
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Pour être malléable, le matériau doit conserver la nouvelle forme qu’on lui a donnée. Par exemple, si on écrase une canette d’aluminium, elle conserve sa nouvelle forme aplatie. À l’opposé, une éponge écrasée reprend sa forme initiale. L’éponge n’est pas malléable, elle est plutôt élastique.
Généralement, les matériaux qui sont malléables sont aussi ductiles.
La résilience est la capacité d’un matériau à résister aux contraintes intenses et brusques.
Les matières plastiques et certains matériaux composites sont des exemples de matériaux d’une grande résilience. Ces matériaux ont tendance à absorber l’énergie d’un impact sans se déformer ou très peu. Cela en fait d’excellents choix pour les équipements de protection, les articles de sport ou encore les jouets d’enfants.
La résilience de la fibre de verre en fait un bon choix pour un casque de moto. Un agencement de plusieurs couches de fibre de verre protège la tête du conducteur contre les impacts.
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Les matériaux qui ont une bonne résilience ne sont pas fragiles.
La rigidité est la capacité d’un matériau à résister à la déformation lorsqu’il est soumis à des contraintes.
On retrouve des matériaux d’une bonne rigidité dans tous les types de matériaux. Par exemple, le noyer (bois), le plexiglas (plastique) et le contreplaqué (matériau composite) sont rigides. Ces matériaux conservent leur forme, c’est-à-dire qu’ils ne plient pas, ne s’étirent pas et ne se courbent pas. Cela en fait de bons choix pour des structures qui supportent des charges élevées comme les bâtiments, les maisons et les ponts.
La rigidité du béton armé en fait un bon choix pour la fabrication d’un pont. Le pont doit résister aux contraintes appliquées par le poids des voitures qui y circulent.
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La rigidité du bois en fait un bon choix pour la charpente d’une maison. Les poutres et solives de bois soutiennent le poids des planchers, des murs et du toit.
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Généralement, les matériaux qui sont rigides ne sont ni ductiles ni malléables, mais ils peuvent être fragiles.
Lors de la conception d’un objet technique, il faut considérer la fonction globale de l’objet, mais aussi les facteurs qui risquent de le dégrader au fil du temps. Connaitre les propriétés non mécaniques des matériaux permet d’en faire une sélection appropriée.
Ces propriétés non mécaniques peuvent être chimiques ou physiques.
Le tableau suivant présente les principales propriétés non mécaniques des matériaux.
| Propriété | Description | Exemples de matériaux |
|---|---|---|
| Conductibilité électrique | Capacité de laisser passer le courant électrique | Le cuivre L’or |
| Conductibilité thermique | Capacité de laisser passer la chaleur | Le cuivre La fonte |
| Légèreté (faible densité) |
Caractéristique d’un matériau dont la masse volumique est faible | La fibre de carbone Le polystyrène (styromousse) |
| Résistance à la corrosion | Capacité de résister à l’action de substances qui provoquent la corrosion (ex. : la rouille) | L’acier inoxydable Le plexiglas |
La conductibilité électrique est la capacité d’un matériau de laisser passer le courant électrique.
Les métaux et alliages sont généralement d’excellents conducteurs d’électricité. Cela signifie que le courant électrique peut y circuler aisément.
La conductibilité électrique élevée du cuivre en fait un excellent choix pour des fils conducteurs.
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La mesure de la conductibilité électrique d’un matériau s’effectue avec un détecteur de conductibilité électrique (DCE).
Les matériaux ayant une faible conductibilité électrique sont des isolants électriques. Les bois et les céramiques en sont des exemples.
Généralement, les matériaux qui ont une bonne conductibilité électrique ont aussi une bonne conductibilité thermique.
La conductibilité thermique est la capacité d’un matériau de conduire la chaleur.
Les métaux et les alliages ont une excellente conductibilité thermique, car ils conduisent facilement la chaleur.
C’est par conduction que le transfert de chaleur s’effectue à travers un matériau. Si on chauffe l’extrémité d’un matériau, la propagation de la chaleur jusqu’à l’autre extrémité dépend de la conductibilité thermique. Plus celle-ci est élevée, plus le matériau propage rapidement et efficacement l’énergie thermique initialement fournie.
La conductibilité thermique de la fonte en fait un bon choix pour cette plaque de cuisson. La plaque transmet la chaleur à la crêpe.
Irine and Andrew, Shutterstock.com
Les céramiques ont une conductibilité thermique faible puisqu’elles transmettent difficilement la chaleur. Ce sont des isolants thermiques.
Généralement, les matériaux qui ont une bonne conductibilité thermique ont aussi une bonne conductibilité électrique.
La légèreté est une caractéristique d’un matériau dont la masse volumique (densité) est faible.
Les matières plastiques et plusieurs matériaux composites sont légers (faible densité). Les articles de sport, les jouets d’enfants ou encore le matériel de plein air sont des domaines où la légèreté est un atout puisqu’elle facilite l’utilisation et le transport.
La légèreté de la fibre de carbone en fait un bon choix pour ce vélo de course de haute performance.
bestserk, Shutterstock.com
La résistance à la corrosion est la capacité de résister à l’action de substances qui provoquent la corrosion (ex. : la rouille).
L’oxygène, les sels et la fumée sont des substances qui peuvent entrainer la corrosion d’un matériau. La présence de corrosion est indésirable puisque lorsqu’elle se forme, elle dégrade le matériau et diminue ses propriétés. Avec le temps, elle peut l’effriter et le percer. La présence d’eau ou d’humidité accélère la corrosion d’un matériau.
Le métal de cette hélice de bateau est dégradé par la corrosion.
MeSamong, Shutterstock.com
L’utilisation de matières plastiques, de matériaux composites ou de certains alliages qui ont une bonne résistance à la corrosion s’avère judicieuse pour éviter la dégradation des objets.
La résistance à la corrosion de l’acier inoxydable en fait un excellent choix pour cette cuisine de restaurant.
