Ductilité

La ductilité désigne la capacité d'un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre[1]. La rupture se fait lorsqu'un défaut (fissure ou cavité) devient critique et se propage. Un matériau qui présente une grande déformation plastique à rupture est dit ductile, sinon il est dit fragile. C'est une propriété dite "purement géométrique": elle ne caractérise qu'un allongement à la rupture (sans unité, ou l'allongement en mètre si la longueur pour l'essai de ductilité est normalisée), indépendamment de l'énergie ou de la contrainte nécessaire à cette rupture[2],[3],[4].

L'origine de la ductilité d'un métal est la mise en mouvement des dislocations dont il est le siège. Cependant, cette mise en mouvement génère d'autres dislocations, qui se gênent mutuellement ce qui durcit le matériau mais néanmoins le rend plus fragile : c'est le phénomène d'écrouissage.

La ductilité est une propriété conditionnée par la malléabilité. « La malléabilité est le premier indice de la ductilité ; mais elle ne nous donne néanmoins qu'une notion assez imparfaite du point auquel la ductilité peut s'étendre. » — Buffon[5]

La ductilité désigne surtout la capacité d'une matière à résister à l'étirement. Par exemple, l'or est le matériau le plus ductile car le fil que l'on obtient par son étirement extrême, sans rupture, est le plus fin de tous les fils que l’on obtient pour l'ensemble des matériaux connus. Autre exemple, le plomb, en raison de sa ductilité, a été utilisé pour fabriquer des conduits de canalisation résistant au gel (usage interdit depuis 1995[6] en raison de sa toxicité).

Ductilité en géologie

On parle de roche ductile lorsque cette dernière peut être déformée sans « cassure ». Par exemple, certains types de roches à l'origine d'un pli sont ductiles (souples, rubanées) tandis que d'autres roches inscrites dans le même pli sont cassantes, en boudin (boudinées).

Mesures

Deux principales mesures sont effectuées :

Un matériau est ductile si :

  • son allongement et sa striction à la rupture sont importants ;

Inversement, un matériau est fragile si :

  • son allongement et sa striction à la rupture sont faibles ;

L'or est l'un des matériaux les plus ductiles connus, pouvant être étiré jusqu'à produire un filament monoatomique[7].

Par abus, on considère aussi que l'essai mouton de Charpy mesurant l'énergie dépensée pour casser une éprouvette est une mesure de ductilité/fragilité. Mais selon G. Charpy:

«Les essais sur des éprouvettes entaillées ne sont pas des essais de rupture fragile. C’est uniquement un essai qui permet de classer des métaux avec forte ou faible résilience.»[8]

Selon cet essai, on a tendance à considérer que:

Un matériau est ductile si :

  • l'énergie dépensée pour le casser est importante.

Inversement, un matériau est fragile si :

  • l'énergie dépensée pour le casser est faible.

Faire le lien entre ténacité, ductilité et résilience n'est pas si simple et nécessite de prendre en compte un grand nombre de paramètres expérimentaux[3],[8].

Conditions

La ductilité dépend de la température, de la pression et de la vitesse de déformation :

  • quand la température augmente, le seuil de plasticité diminue ;
  • quand la pression augmente, le seuil de rupture augmente ;
  • quand la vitesse de déformation augmente, le seuil de rupture diminue.

En effet, les mécanismes impliqués lors des essais dépendent de ces paramètres :

Particularités

Pour les matériaux cristallins, la ductilité intrinsèque (c'est-à-dire liée au matériau et non pas aux conditions de déformation) est déterminée par :

  • le nombre de systèmes de glissement disponibles : en effet, la déformation plastique se fait par glissement de plans cristallographiques denses selon des directions denses, certaines structures en possèdent plus que d'autres ; cela explique la ductilité des cristaux ayant une symétrie cubique à faces centrées (cfc) comme l'or, le plomb ou l'aluminium ; par ailleurs, dans le cas des alliages ordonnés (oxydes, intermétalliques, etc.), certains modes de déformation sont bloqués (nécessité de respecter l'alternance chimique à tout moment) ;
  • la pureté : les atomes étrangers (interstitiels ou en substitution) viennent épingler les dislocations et gênent leur mouvement ;
  • l'unicité de la phase : s'il y a des précipités, on a un durcissement structural (les précipités bloquent les dislocations) ;
  • la taille des cristallites : les joints de grain bloquent les dislocations, plus les cristallites sont petits, plus il y a de joints de grain (cf. loi de Hall-Petch, la limite d'élasticité est proportionnelle à l'inverse de la racine carrée du diamètre moyen des cristallites).

Les céramiques sont en général peu ductiles à température ambiante car les dislocations y sont peu mobiles (en dessous de typiquement 0,7 fois leur température de fusion[9]) de par les trop grandes énergies de liaisons interatomiques. Les mécanismes de plasticité des céramiques sont généralement dus à des processus de diffusion, qui ne permettent pas d'écrouissage, et qui permettent que peu de déformation plastique. Néanmoins, certaines céramiques, à grains fins, par des mécanismes de glissement aux joints de grain, sont capables de superplasticité (>100% de déformation[10]).

Le verre, archétype du matériau fragile, peut être très ductile[11], au-dessus de sa température de transition vitreuse. Ainsi, une fibre optique de plusieurs centaines de kilomètres peut être produite en étirant en traction un barreau de l'ordre de 1 à 2 mètres de long (dépassant ainsi des millions de % de déformation).

Références
  1. Frank MONTHEILLET, Laurent BRIOTTET, « Endommagement et ductilité en mise en forme », Techniques de l'Ingénieur,‎ (lire en ligne)
  2. Cours de Sciences des Matériaux de l'école des Mines d'Albi, « Ductilité, fragilité et transition ductile-fragile », sur https://nte.mines-albi.fr
  3. Instron, « Allongement », sur https://www.instron.fr
  4. « Propriétés mécaniques des matériaux », sur http://processs.free.fr, Guide des techniques des industries de procédé
  5. Buffon et Frédéric Cuvier, Œuvres complètes de Buffon, t. 3 - Minéraux, Paris, F.D. Pillot, (lire en ligne).
  6. Décret n° 95-363 du 5 avril 1995, art. 28.
    Sans préjudice des dispositions prises en application de l'article 7 ci-dessus, la mise en place de canalisations en plomb dans les installations de distribution est interdite à partir de la date de publication du décret no 95-363 du 5 avril 1995.
  7. Masuda, Hideki et Kral, Robert, Modern Electron Microscopy in Physical and Life Sciences, InTech, (ISBN 978-953-51-2252-4, DOI 10.5772/62288), « Combined Transmission Electron Microscopy – In situ Observation of the Formation Process and Measurement of Physical Properties for Single Atomic-Sized Metallic Wires »
  8. G.Pluvinage, « Un siècle d'essai Charpy : De la résistance vive à la rupture à la mécanique de rupture d'entaille », Mécanique & Industries,‎ , Volume 4, Issue 3, Pages 197-212 (lire en ligne)
  9. (en) Jacques Rabier, Dislocation Plasticity in Ceramic Materials (lire en ligne)
  10. « Usine Nouvelle » (consulté le )
  11. (en) T. Rouxel, J.C. Sangleboeuf, « The brittle to ductile transition in a soda–lime–silica glass », Journal of Non-Crystalline Solids,‎ , Volume 271, Issue 3, page 224-235 (lire en ligne)
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