Introduction: types de forces

La force d'un matériau est simplement sa capacité à résister à une charge avant qu'elle ne se déforme ou ne se brise. Les métaux ont différents types de résistance qui doivent être soigneusement analysés pour déterminer leur résistance et leur dureté et leur aptitude à des applications spécifiques. Normalement, nous utilisons un testeur de dureté pour tester la dureté d'un objet.

Certains matériaux sont plus adaptés à un type d'application spécifique que d'autres matériaux en raison de leur dureté et de leur résistance. Comprendre la résistance des matériaux permet de garantir la sécurité et la haute qualité du produit final qui sera conforme aux différentes conformités réglementaires. Les différents types de résistance des métaux sont décrits ci-dessous:

Résistance à la compression

La résistance à la compression d'un matériau est la force maximale qu'il peut supporter avant d'être comprimé ou pressé.

La résistance à la compression du matériau résiste à la force appliquée pour la compression. Différents matériaux réagissent différemment lorsqu'ils atteignent leur limite de résistance à la compression. Certains matériaux se fracturent à ce stade tandis que d'autres peuvent se déformer de manière irréversible.

La résistance à la compression est mesurée à l'aide d'une machine d'essai universelle et est calculée en divisant la charge maximale par la section transversale de l'échantillon.

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La résistance à la compression est un indicateur populaire et clé utilisé pour déterminer l'adéquation des matériaux dans le secteur de la construction. La mesure de la résistance à la compression peut être affectée par les méthodes d'essai et l'environnement d'essai.

Résistance à la traction

La résistance à la traction est la quantité maximale de contrainte ou de force qu'un matériau peut supporter avant de pouvoir être séparé ou cassé. Il est calculé en divisant la force totale par la section transversale d'origine de l'éprouvette.

Il est généralement représenté en livres par pouce (psi). L'unité SI pour la résistance à la traction est Pascal (Pa).

La résistance à la traction d'un spécimen est mesurée en tirant sur l'éprouvette avec un tensiomètre à une déformation constante jusqu'à ce qu'elle se brise. Certains matériaux se cassent brusquement sans aucune déformation plastique et c'est ce qu'on appelle une rupture fragile.

D'autres matériaux plus ductiles subissent une légère déformation plastique puis se rétrécissent avant de se rompre. La résistance à la traction est une mesure importante de la résistance des métaux pour évaluer leur aptitude à un type différent d'applications.

La résistance aux chocs

La résistance aux chocs d'un matériau est sa capacité à absorber une force ou un impact soudain avant qu'il ne se brise. Il est exprimé en termes d'énergie - la quantité d'énergie mécanique absorbée par le matériau en cours de déformation et de fracture.

La résistance aux chocs d'un matériau est un indicateur important utilisé pour déterminer s'il agira de manière cassante ou ductile. Cela donne une idée juste de la ténacité du matériau.

 

L'essai de résistance à la flexion est couramment utilisé pour déterminer la résistance au choc d'une éprouvette. En abaissant la température, une baisse drastique de la résistance aux chocs de l'éprouvette indique la température de fragilité du matériau. Des estimations fiables de la résistance aux chocs d'une éprouvette ne sont possibles qu'à des températures supérieures à la température de fragilité.

Les facteurs affectant la résistance aux chocs des matériaux comprennent son volume, son module d'élasticité, sa limite d'élasticité et la répartition des forces à travers la section du matériau.

Limite d'élasticité

La limite d'élasticité permet de déterminer dans quelle mesure un matériau est têtu ou ductile. Le point auquel un matériau devient complètement plastique et cède est appelé sa limite d'élasticité.

La limite d'élasticité est la quantité de contrainte à laquelle une déformation permanente de l'échantillon se produit. Avant d'atteindre la limite élastique, le matériau se déformera élastiquement et retrouvera sa forme d'origine. Cependant, une fois la limite élastique atteinte, la déformation est plastique et irréversible.

La limite d'élasticité est indicative de la limite du comportement élastique d'un matériau. Les métaux ductiles comme le fer ont une limite d'élasticité plus élevée que les plastiques. La limite d'élasticité est utilisée par les ingénieurs pour déterminer l'aptitude à être utilisée dans la construction et les travaux de génie civil.

Détails des matériaux les plus solides au monde

Les détails de certains des matériaux les plus solides au monde sont fournis ci-dessous:

Acier

L'acier n'est pas un métal pur mais un alliage fabriqué à partir de la combinaison de fer, de carbone et de certains autres éléments. Le fer est chauffé dans le four et ses impuretés sont éliminées, ce qui est suivi de l'ajout de carbone. L'ajout d'autres éléments comme le manganèse, le niobium et le vanadium ajoute plus de résistance à l'acier.

 

L'acier est l'un des métaux les plus couramment utilisés au monde. Il a différentes applications et est principalement utilisé dans les transports, les infrastructures, la construction, etc.

La plupart des bâtiments contemporains et autres structures utilisent fortement l'acier qui contribue à le maintenir ensemble. Il existe différents types d'alliage d'acier.

L'acier inoxydable est un alliage d'acier sans rouille et sans corrosion qui est fabriqué en ajoutant au moins du chrome 11% à l'acier ordinaire. L'acier maraging est fabriqué en ajoutant du nickel et d'autres éléments. Il a une faible teneur en carbone et est très résistant, ce qui le rend idéal pour les applications avancées telles que la fabrication de fusées et de revêtements de missiles, de lames d'escrime, etc.

Titane

Le titane est un métal argenté qui est léger et possède une haute résistance à la traction. On le trouve en abondance sur Terre principalement sous forme d'oxydes dans des roches ingénieuses. Bien qu'il s'agisse d'un métal dur, il n'est pas aussi dur que certains des aciers traités thermiquement. Il n'est pas non plus aussi fort ou aussi dur qu'un diamant.

Cependant, son rapport résistance à la traction / densité est supérieur à celui du tungstène, mais il se classe plus bas sur l'échelle de dureté de Mohs par rapport au tungstène.

 

L'un des avantages distincts de l'utilisation du titane par rapport à l'acier est qu'il est léger. Le titane est mélangé avec différents autres métaux comme le fer, l'aluminium, le vanadium, etc. pour former des alliages plus forts et plus durs.

Ces alliages de titane sont polyvalents, légers et extrêmement durables et trouvent une grande variété d'applications dans l'automobile, l'aérospatiale, l'aviation et d'autres applications industrielles.

Il est couramment utilisé pour la fabrication de pièces d'avion. Le titane est également très résistant à la corrosion et à la rouille, ce qui le rend populaire pour différentes applications.

Tungstène

Le tungstène est un métal rare découvert par Carl Scheele en 1781. Il a un point de fusion très élevé et une résistance ultime de 1510 mégapascals, ce qui en fait l'un des métaux les plus durs sur Terre.

Il est de couleur gris métallique et lorsqu'il est affiné à sa forme la plus pure, il est plus résistant que de nombreux types d'aciers. Parmi tous les métaux purs, le tungstène a le point de fusion le plus élevé, le point de vaporisation le plus bas et la résistance à la traction la plus élevée.

Il est également connu pour avoir le coefficient de dilatation thermique le plus bas parmi tous les métaux purs. La plupart du tungstène est utilisé dans le commerce pour la fabrication de matériaux durs, en particulier le carbure de tungstène.

Il est utilisé pour fabriquer des couteaux, des perceuses, des tours, etc. Il est également couramment utilisé dans les applications électriques et militaires. La ténacité du tungstène peut être considérablement améliorée en l'alliant avec de l'acier.

 

Inconel

L'Inconel est un superalliage nickel-chrome qui a été développé pour la première fois dans les années 1940. bien que la composition exacte des alliages Inconel varie considérablement, ils sont tous du nickel combiné avec du chrome comme deuxième élément. Il s'agit d'un alliage résistant à l'oxydation et à la corrosion et est idéal pour une utilisation dans des environnements extrêmes soumis à une pression et à une énergie cinétique élevées.

Inconel se caractérise par une résistance élevée, qui n'est pas affectée même à des températures élevées. Cela le rend parfait pour être utilisé dans des applications impliquant des températures extrêmement élevées dans lesquelles l'aluminium et l'acier succomberaient autrement à la chaleur.

 

Étant donné que l'Inconel est un alliage extrêmement dur qui peut résister à des conditions de travail extrêmes, il est couramment utilisé dans des industries telles que l'aérospatiale et l'automobile. Il est également couramment utilisé dans les aubes de turbine à gaz, les arbres de pompe de moteur de puits, les usines de traitement chimique, les réacteurs à eau sous pression nucléaire, etc.

diamant

Le diamant est le minéral le plus dur trouvé sur Terre. C'est un allotrope de carbone et c'est le minéral naturel le plus dur. C'est le moins compressible et le meilleur conducteur thermique parmi tous les matériaux naturels.

La dureté d'un diamant est le plus haut niveau de l'échelle de Mohs-10. Il est 1000 fois plus dur que le quartz et 150 fois plus dur que le corindon.

Sur l'échelle de Rockwell, la dureté du diamant est de 98,07 HRC tandis que le titane mesure 36 HRC sur la même échelle en termes de dureté.

 

En raison du fait qu'il est le minéral connu le plus dur au monde, le diamant est largement utilisé dans la fabrication de trépans, de fraises à roche, d'inserts d'outils de coupe, de matrices d'extrusion, d'outils de meulage optique, de revêtements pour roulements à billes, etc.

Le diamant possède également d'excellentes propriétés de semi-conducteur grâce auxquelles il est également couramment utilisé pour la fabrication de transistors de haute puissance, de circuits intégrés haute température, de dispositifs piézoélectriques, etc. Il est également utilisé dans les tests de dureté comme pénétrateur.

Chrome

Le chrome est le métal le plus dur connu sur Terre et il mesure 8,5 sur l'échelle de Mohs. Il a également un point de fusion élevé. Il présente des propriétés antiferromagnétiques à température ambiante, cependant, au-dessus de 30 degrés Celsius, il se transforme en matériau paramagnétique.

Il a une réflexion spéculaire élevée grâce à laquelle il est utilisé pour le revêtement à des fins réfléchissantes.

Il est également très résistant à la corrosion et à la rouille, ce qui le rend populaire comme matériau de revêtement sur les surfaces extérieures pour se protéger contre la corrosion. C'est pour cette raison qu'il est mélangé avec de l'acier pour former un alliage d'acier inoxydable exempt de corrosion et de rouille.

 

Il est également utilisé pour le revêtement de pièces automobiles qui les protègent de la corrosion et améliorent également son attrait visuel. On estime que près de 85% de chrome est utilisé pour la production d'alliages métalliques et le reste est utilisé dans la teinture et les peintures, la préservation du bois, le tannage, le matériau réfractaire, un catalyseur pour la production d'hydrocarbures, etc.

Nitrure de bore

Le nitrure de bore est un composé de bore et d'azote. Il existe sous de nombreuses formes cristallines. La forme wurtzite du nitrure de bore est rare et est considérée comme encore plus dure que le diamant. Sur la base des résultats d'une simulation, cette forme de nitrure de bore est censée être 18% plus dure que le diamant.

Cependant, comme seule une très petite quantité de ce minéral existe, il n'a pas été testé de manière approfondie pour vérifier l'allégation expérimentalement.

Le nitrure de bore présente un très haut degré de stabilité chimique et thermique. Il est utilisé dans les cosmétiques, les peintures, le ciment dentaire, les mines de crayon, etc.

 

En raison de sa stabilité thermique et chimique exceptionnelle, il est également utilisé dans la fabrication de pièces d'équipement haute température. Il peut être ajouté dans différents métaux, céramiques, plastiques, caoutchouc, etc. pour leur conférer des propriétés autolubrifiantes. Ces matériaux sont alors idéaux pour la construction de roulements à billes et la fabrication d'acier.

Lonsdaleite

La lonsdaleite est un allotrope de carbone avec un réseau hexagonal en raison duquel il est également communément appelé diamant hexagonal. Cela se produit naturellement lorsque des météorites contenant du graphite frappent la Terre.

La chaleur et la pression extrêmes de l'impact de la météorite transforment le graphite en diamant mais elles conservent le réseau cristallin hexagonal qui est une caractéristique clé de la Lonsdaleite.

Il a été découvert pour la première fois en 1967 lors de la frappe de météorite du Canyon Diablo. Depuis, il est également fabriqué dans un laboratoire mis en place par compression et chauffage de graphite ou par dépôt chimique en phase vapeur.

La lonsdaleite est translucide et de couleur jaune brunâtre et sa dureté est considérée comme 58% supérieure à celle d'un diamant. Il est également connu pour résister à des pressions d'indentation de 152 Gpa, alors que le diamant est censé se briser à 97 Gpa. La lonsdaleite est également plus forte que le nitrure de bore car les liaisons carbone-carbone qu'elle contient sont beaucoup plus fortes que les liaisons bore-azote du nitrure de bore.

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Graphène  

Le graphène est un allotrope de carbone qui existe sous une forme de réseau bidimensionnel et hexagonal.

Le graphène possède de nombreuses propriétés importantes et il est connu pour être au moins 100 fois plus résistant que la forme d'acier la plus résistante. Il est presque transparent et un excellent conducteur de chaleur et d'électricité. Le graphène a une résistance à la traction de 130 Gpa, ce qui en fait l'un des matériaux les plus solides jamais découverts.

En plus d'être extrêmement résistant, le graphène est également remarquablement léger. Il pèse environ 0,77 mg par mètre carré, ce qui est 1000 fois plus léger que le poids d'un mètre carré de papier.

 

Le graphène est connu pour avoir des propriétés étonnantes et de nombreuses nouvelles fonctionnalités sont encore en cours de découverte. Il est couramment utilisé dans des domaines tels que l'ingénierie biologique, l'électronique optique, le développement de systèmes de filtration de l'eau, etc. À l'avenir, on s'attend à ce que le graphène soit utilisé pour créer des matériaux composites qui seront plusieurs fois plus résistants et plus légers que ceux actuellement utilisés. métaux et alliages.

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