Résistance à la traction Il s'agit d'une propriété mécanique importante qui mesure la capacité maximale d'un matériau à supporter une charge sous traction uniaxiale. Elle est largement utilisée dans le choix des matériaux, la conception des structures, le contrôle qualité et la vérification des performances des pièces. La résistance à la traction varie considérablement d'un matériau à l'autre, et même au sein d'une même nuance, les valeurs peuvent différer en fonction du traitement thermique, de la forme du produit et des conditions d'essai.
Cet article présente la définition, la formule de calcul, la méthode d'essai et les facteurs influant sur la résistance à la traction. Il compare également les données types relatives aux alliages d'aluminium, aux aciers, aux aciers inoxydables et aux plastiques techniques courants, et aborde son importance pratique dans Usinage CNC et le choix des matériaux.
Qu'est-ce que la résistance à la traction ?
Résistance à la tractionégalement connu sous le nom de résistance à la traction maximale (UTS), correspond à la contrainte maximale atteinte par un matériau lors d'un essai de traction uniaxiale. Elle est généralement représentée par Rm, bien que certaines références plus anciennes puissent également utiliser σb. Les unités habituelles sont le MPa ou le N/mm².
Pour les métaux ductiles, la résistance à la traction correspond généralement à la fin de la déformation plastique uniforme et au début du rétrécissement localisé. Pour les matériaux à faible ductilité, elle est généralement plus proche de la résistance à la rupture par traction. La résistance à la traction reflète la capacité de traction maximale d’un matériau, mais elle ne peut pas être utilisée directement comme contrainte de service admissible d’une pièce.
Formule et unités de la résistance à la traction
La résistance à la traction est calculée en divisant la charge maximale enregistrée lors d'un essai de traction par la section transversale initiale de l'éprouvette :
Rm = Fm / S₀
- Rm : résistance à la traction, MPa
- De : charge maximale enregistrée lors de l'essai de traction, N
- S₀ : section transversale initiale de l'éprouvette, en mm²
La résistance à la traction est généralement exprimée en MPa ou en N/mm² :
1 MPa = 1 N/mm²
Le calcul doit prendre en compte la section transversale d'origine avant l'essai, et non la section au niveau de la zone de rétrécissement après la rupture. Pour les matériaux ductiles, la charge maximale est généralement atteinte avant la rupture définitive.
Résistance à la traction sur la courbe contrainte-déformation
Sur une courbe contrainte-déformation type, un matériau subit successivement une déformation élastique, un fléchissement, une déformation plastique uniforme, un rétrécissement et une rupture. La contrainte technique la plus élevée sur cette courbe correspond à la résistance à la traction du matériau.
Avant que la résistance à la traction ne soit atteinte, l'écrouissage permet au matériau de continuer à augmenter sa capacité de charge. Passé ce stade, la déformation se concentre progressivement dans une zone localisée, un rétrécissement se forme, puis la rupture survient. Par conséquent, pour les matériaux ductiles, le point de résistance à la traction ne correspond généralement pas au point de rupture final.
Comment teste-t-on la résistance à la traction ?
La résistance à la traction est généralement mesurée à l'aide d'un essai de traction normalisé. L'éprouvette est placée dans une machine d'essai universelle et soumise à une charge de traction axiale à une vitesse déterminée jusqu'à ce qu'elle se rompe.
La procédure d'essai de base comprend :
Préparer et contrôler l'éprouvette de traction conformément à la norme applicable ;
Mesurer la largeur, l'épaisseur, le diamètre et la longueur de référence de l'échantillon ;
Centrez l'éprouvette dans les mâchoires de la machine d'essai ;
Appliquer une charge de traction axiale à la vitesse spécifiée ;
Enregistrer les données relatives à la charge, au déplacement et à la déformation ;
Calculez la résistance à la traction à partir de la charge maximale.
Un essai de traction permet généralement également de déterminer le module d'élasticité, le comportement à la limite d'élasticité, l'allongement après rupture et la réduction de section. Les dimensions de l'éprouvette, le sens d'échantillonnage, la vitesse de chargement, l'alignement des mâchoires, les défauts de surface et l'emplacement de la rupture peuvent tous influencer les résultats de l'essai.
Facteurs influençant la résistance à la traction
La résistance à la traction dépend de la composition du matériau, de sa microstructure, des conditions de fabrication et de l'environnement d'utilisation. Une même nuance peut donc présenter des propriétés de traction nettement différentes selon les conditions.
Composition chimique : Les éléments d'alliage peuvent augmenter la résistance mécanique par le renforcement par solution solide, le renforcement par précipitation ou le renforcement par transformation, tout en influant également sur la ductilité, la ténacité et la résistance à la corrosion.
Taille des grains et microstructure : La taille des grains, la composition des phases et l'uniformité microstructurale influencent le mouvement des dislocations, l'écrouissage et le comportement à la rupture.
Traitement thermique : La trempe, le revenu, le traitement de mise en solution, le vieillissement et le recuit modifient la microstructure et la résistance à la traction d'un matériau.
Processus de fabrication : Le laminage, le forgeage, l'étirage, l'extrusion et le travail à froid peuvent augmenter la résistance grâce à l'affinage du grain ou à l'écrouissage.
Défauts et qualité de surface : Les fissures, les pores, les inclusions, les bavures et les rayures superficielles créent des concentrations de contraintes susceptibles d'entraîner une défaillance prématurée.
Température et vitesse de déformation : Les températures élevées réduisent généralement la résistance à la traction de la plupart des métaux, tandis que la vitesse de chargement influe également sur le comportement à la déformation et à la rupture.
Corrosion et environnement : La corrosion par piqûres, la fissuration par corrosion sous contrainte et la fragilisation par l'hydrogène peuvent réduire la section effective ou accélérer la progression des fissures.
Dimensions et sens de chargement : L'épaisseur du matériau, la taille de l'éprouvette et le sens de laminage, de forgeage ou d'extrusion peuvent tous influencer les résultats des essais.
Résistance à la traction des alliages d'aluminium courants
La résistance à la traction des alliages d'aluminium couramment utilisés en usinage est principalement déterminée par la série d'alliage, les conditions de traitement thermique et la forme du produit. La série 6061 convient aux pièces CNC courantes, la série 2011 est particulièrement adaptée à l'usinage à grande vitesse, tandis que les séries 2024, 7050 et 7075 conviennent mieux aux composants structurels à haute résistance.
| Alliage d'aluminium | Résistance à la traction typique | Caractéristiques d'usinage | Applications courantes |
| 2011-T3 / T8 | Environ 310 à 380 MPa | Produit des copeaux courts, offre un rendement de coupe élevé et convient au tournage à grande vitesse | Pièces filetées, raccords, douilles et composants pour tours automatiques |
| 2014-T6 | Environ 450 à 500 MPa | Haute résistance mécanique et adapté à la découpe de précision, mais avec une résistance à la corrosion limitée | Pièces aérospatiales, supports à usage intensif et composants mécaniques à haute résistance |
| 2024-T3 / T351 | Environ 430 à 485 MPa | Bonne usinabilité, associée à une résistance mécanique élevée et à une bonne résistance à la fatigue | Pièces structurelles pour l'aérospatiale, connecteurs et composants de précision usinés par commande numérique (CNC) |
| 5052-H32 | Environ 210 à 260 MPa | Bonne formabilité, mais usinabilité relativement moyenne | Boîtiers, panneaux, réservoirs et éléments structurels résistants à la corrosion |
| 5083-H111 / H116 | Environ 275 à 330 MPa | Bonne résistance à la corrosion ; convient à l'usinage de tôles et de pièces de grandes dimensions | Composants maritimes, plaques de fixation et pièces mécaniques de grande taille |
| 6061-T6 / T651 | Environ 290 à 330 MPa | Performances de coupe stables, grande disponibilité et compatibilité avec l'anodisation | Supports, fixations, plaques de montage, boîtiers et pièces CNC en général |
| 6063-T6 | Environ 205-245 MPa | Convient mieux aux profilés extrudés, la découpe étant généralement une opération secondaire | Cadres, rails de guidage, structures de dissipation thermique et composants profilés |
| 6082-T6 | Environ 290 à 340 MPa | Un équilibre parfait entre résistance et usinabilité | Supports, plaques de renfort, raccords et châssis de machines |
| 7050-T7451 | Environ 470 à 525 MPa | Haute résistance mécanique et bonne résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte | Pièces porteuses pour l'aérospatiale, longerons et composants de précision à haute résistance |
| 7075-T6 / T651 | Environ 540 à 570 MPa | Haute résistance et bonne usinabilité, mais il faut maîtriser les déformations liées à l'usinage | Pièces aérospatiales, drones, composants de course et pièces CNC à haute résistance |
L'alliage 2011 est adapté au tournage à haut rendement, l'alliage 6061 offre une polyvalence plus large, tandis que les alliages 2024, 7050 et 7075 sont principalement utilisés pour la fabrication de composants de précision à haute résistance. Les avantages des alliages 5052 et 6063 sont davantage liés aux applications de formage et d’extrusion.
La résistance à la traction réelle varie en fonction de l'état du matériau, de ses dimensions et de la forme du produit. Le choix final doit donc se fonder sur la norme applicable et le certificat du matériau.
Résistance à la traction des aciers au carbone et des aciers alliés courants
L'acier couvre une large gamme de résistances, et la teneur en carbone, la composition de l'alliage ainsi que les conditions de traitement thermique ont tous une influence significative. Les aciers à faible teneur en carbone conviennent aux structures générales et aux pièces usinées, tandis que les aciers à teneur moyenne en carbone et les aciers alliés sont mieux adaptés aux arbres, aux engrenages et aux composants soumis à des charges élevées.
| Qualité de l'acier | Résistance à la traction typique | Principales caractéristiques | Applications courantes |
| ASTM A36 | Environ 400 à 550 MPa | Peu coûteux, offrant une bonne soudabilité et une bonne formabilité | Cadres, socles, supports et plaques de structure |
| S235JR | Environ 360 à 510 MPa | Acier de construction à faible teneur en carbone à usage général, facile à souder et à former | Structures métalliques, profilés, supports et socles de machines |
| S355J2 | Environ 470 à 630 MPa | Une combinaison équilibrée de résistance, de ténacité et de soudabilité | Châssis porteurs, structures mécaniques et supports |
| AISI 1018 | Environ 440 à 640 MPa | Bonne usinabilité, ductilité et soudabilité | Arbres, goupilles, éléments de fixation et pièces usinées |
| AISI 1020 | Environ 380 à 550 MPa | Facile à former, à souder et à cémenter | Manchons, goupilles, pièces structurelles et composants cémentés |
| AISI 1045 / C45 | Environ 570 à 800 MPa | Les propriétés peuvent être améliorées par trempe et revenu ou par durcissement superficiel | Arbres, engrenages, goupilles, rouleaux et connecteurs |
| AISI 4140 / 42CrMo4 | Environ 800 à 1 200 MPa | Haute résistance mécanique, ténacité et résistance à la fatigue après trempe et revenu | Arbres de transmission, fixations à haute résistance et pièces destinées à un usage intensif |
| AISI 4340 | Environ 930 à 1 400 MPa | Haute trempabilité et bonne ténacité, même à des niveaux de résistance élevés | Arbres, engrenages et composants soumis à de fortes contraintes dans le secteur aérospatial |
| AISI 8620 | Environ 530 à 850 MPa | La cémentation permet d'obtenir une surface dure et un cœur résistant | Engrenages, cames, pignons et pièces de transmission |
Les données figurant dans le tableau permettent une comparaison préliminaire. Le choix définitif du matériau doit également tenir compte des conditions de traitement thermique, des dimensions de la section, des conditions de livraison et du certificat du matériau.
Résistance à la traction des aciers inoxydables courants
La résistance à la traction de l'acier inoxydable est étroitement liée à son type de microstructure, à son écrouage et à ses conditions de traitement thermique. Les aciers inoxydables austénitiques privilégient davantage la résistance à la corrosion et la ductilité, tandis que les nuances duplex et à durcissement par précipitation permettent d'atteindre des résistances plus élevées.
| Nuance d'acier inoxydable | Résistance à la traction typique | Principales caractéristiques | Applications courantes |
| Acier inoxydable 303 | Environ 515 à 690 MPa | Bonne usinabilité, avec une résistance à la corrosion légèrement inférieure | Arbres, pièces filetées, raccords et composants de précision usinés par CNC |
| Acier inoxydable 304 | Environ 520 à 720 MPa | Une combinaison équilibrée entre résistance à la corrosion, aptitude au formage et soudabilité | Équipements alimentaires, boîtiers, éléments de fixation et pièces mécaniques |
| Acier inoxydable 316 / 316L | Environ 485 à 690 MPa | Meilleure résistance à la corrosion par piqûres et aux environnements chlorurés | Pièces pour équipements médicaux, chimiques, maritimes et de traitement des fluides |
| Acier inoxydable 2205 Duplex | Environ 660 à 860 MPa | Haute résistance mécanique et bonne résistance à la corrosion par piqûres et à la fissuration par corrosion sous contrainte | Vannes, brides, arbres et composants d'équipements pour l'industrie pétrolière et gazière |
| Acier inoxydable 17-4 PH | Environ 1 030 à 1 365 MPa | Haute résistance mécanique et bonne résistance à la corrosion après vieillissement | Aérospatiale, énergie, connecteurs à haute résistance et composants d'arbres porteurs |
Le formage à froid peut augmenter la résistance de certains aciers inoxydables austénitiques, tandis que les propriétés de 17-4 PH varient considérablement en fonction des conditions de vieillissement. Le choix des matériaux doit tenir compte de la nuance, des conditions de traitement thermique et de la forme du produit.
Résistance à la traction des plastiques techniques courants
Les plastiques techniques présentent généralement une résistance à la traction inférieure à celle des métaux, mais offrent des avantages en termes de poids, de résistance à la corrosion, de faible frottement et d'isolation électrique. Leurs caractéristiques sont fortement influencées par la température, l'humidité, le taux de renforcement par fibres et le sens de moulage.
| Plastique technique | Résistance à la traction typique | Principales caractéristiques | Applications courantes |
| ABS | Environ 35 à 50 MPa | Bonne ténacité et bonne usinabilité | Boîtiers, prototypes et composants pour l'électronique grand public |
| Nylon PA6 / PA66 | Environ 60 à 90 MPa | Résistant à l'usure et robuste, mais absorbant l'humidité | Engrenages, bagues, rouleaux et pièces mécaniques |
| POM / Acétal | Environ 60 à 75 MPa | Faible frottement, bonne stabilité dimensionnelle et bonne usinabilité | Engrenages de précision, curseurs et connecteurs |
| Polycarbonate, PC | Environ 55 à 75 MPa | Excellente résistance aux chocs | Housses de protection, boîtiers pour équipements et composants de sécurité |
| PEEK | Environ 90 à 100 MPa | Bonne résistance aux hautes températures, bonne résistance chimique et bonne résistance mécanique | Pièces pour équipements aérospatiaux, médicaux et destinés à l'industrie des semi-conducteurs |
| PTFE | Environ 20 à 35 MPa | Faible frottement et résistance à la corrosion, mais faible rigidité | Joints, bagues et pièces isolantes |
| UHMWPE | Environ 20 à 40 MPa | Résistant à l'usure, résistant aux chocs et autolubrifiant | Guides, revêtements anti-usure et composants de convoyeurs |
Les plastiques techniques doivent également être évalués en termes de fluage, de charge à long terme et de température de service. Bien que le renforcement par des fibres puisse améliorer la résistance, il accroît également la dépendance directionnelle et l'usure des outils.
Comment la résistance à la traction influe sur l'usinage CNC
La résistance à la traction peut servir de référence pour évaluer la capacité de charge d'un matériau et la charge d'usinage, mais elle ne permet pas à elle seule de déterminer l'usinabilité CNC. La dureté, la ténacité, la tendance à l'écrouissage, la conductivité thermique et la microstructure ont généralement une influence plus directe.
Sélection des matériaux et devis : Les matériaux à haute résistance sont couramment utilisés pour les pièces soumises à des contraintes et peuvent également entraîner des coûts plus élevés en matière de matériaux, de contrôle et d'usinage.
Force de coupe et charge de la machine : Les matériaux présentant une résistance à la traction plus élevée nécessitent souvent une force de coupe plus importante, ce qui peut accroître la charge sur la broche et les vibrations d'usinage.
Choix des outils et usure : Les matériaux à haute résistance nécessitent généralement des outils plus rigides, des revêtements adaptés et des paramètres de coupe stables.
Ébauche et contrôle thermique : Lors d'un usinage intensif, la profondeur de coupe, la vitesse d'avance, le refroidissement et l'évacuation des copeaux doivent être correctement contrôlés afin d'éviter l'accumulation de chaleur.
Formation de copeaux et de bavures : La ténacité et l'allongement du matériau influent sur la rupture des copeaux et la formation de bavures. Les matériaux plus tenaces ont davantage tendance à produire des copeaux longs et des bavures.
Performance de la dernière partie : La résistance à la traction permet d'évaluer la capacité de charge maximale d'une pièce soumise à une contrainte de traction, mais il faut également tenir compte de la fatigue, des entailles et du coefficient de sécurité.
La déformation due à l'usinage des pièces à parois minces et des grands composants plats est généralement davantage liée au module d'élasticité, à la limite d'élasticité, aux contraintes résiduelles, à l'épaisseur de paroi et au mode de serrage qu'à la seule résistance à la traction.
Comment tenir compte de la résistance à la traction lors du choix des matériaux
La résistance à la traction permet de comparer la capacité de traction maximale de différents matériaux, mais le choix final doit également tenir compte de la charge subie par la pièce, de son poids, de sa rigidité, de son environnement et des exigences de fabrication.
Comparer différentes nuances et conditions de traitement thermique ;
Déterminer si le matériau est capable de résister aux contraintes de traction requises ;
Évaluer le rapport résistance/poids et l'intérêt de l'allègement ;
Vérifier si le certificat de matériau est conforme aux exigences du plan ;
Vérifier si les propriétés requises peuvent être conservées après l'usinage ou le traitement thermique ;
Évaluez-le en tenant compte de la limite d'élasticité, de l'allongement, de la dureté et de la résistance à la fatigue.
Pour les pièces usinées par commande numérique, il convient également de prendre en compte l'usinabilité, la stabilité dimensionnelle, le traitement de surface et le coût des matériaux.
Erreurs courantes lors de l'utilisation des données relatives à la résistance à la traction
Les données relatives à la résistance à la traction ne sont significatives que si l'état du matériau et les conditions d'essai sont clairement définis. Parmi les erreurs courantes, on peut citer :
Considérer la contrainte de rupture (UTS) comme une contrainte admissible : La résistance à la traction ne correspond pas à la contrainte de service admissible d'une pièce. La conception doit également tenir compte de la limite d'élasticité et du coefficient de sécurité.
Non-prise en compte de l'état du matériel : Une même nuance peut présenter des résistances nettement différentes selon qu'elle se présente à l'état recuit, trempé et revenu, vieilli ou déformé à froid.
Comparaison directe de différentes données de test : Les données obtenues à partir de différents échantillons, étalons, longueurs de référence et vitesses d'essai peuvent ne pas être directement comparables.
Sans tenir compte de l'épaisseur et de la direction : L'épaisseur du matériau, le diamètre de la barre et le sens de laminage ou d'extrusion peuvent tous influencer les propriétés de résistance à la traction.
Utilisation de la résistance à la traction seule : Une résistance à la traction élevée ne signifie pas nécessairement qu'un matériau présente une meilleure résistance aux chocs, une meilleure résistance à la fatigue ou une meilleure capacité de charge à long terme.
L'idée selon laquelle une limite supérieure de résistance à la traction élevée implique une mauvaise usinabilité : La difficulté d'usinage dépend également de la dureté, de la ténacité, de l'écrouissage et des caractéristiques des copeaux.
FAQ sur la résistance à la traction
Une résistance à la traction plus élevée est-elle toujours préférable ?
Pas nécessairement. Une résistance à la traction plus élevée peut augmenter la capacité de charge maximale, mais elle peut également s'accompagner d'une ductilité moindre, d'un coût plus élevé du matériau ou d'une plus grande difficulté d'usinage. Le choix du matériau doit également tenir compte de la rigidité, du comportement à la fatigue, de la résistance à la corrosion et de l'environnement d'utilisation.
Pourquoi un même matériau présente-t-il des valeurs de résistance à la traction différentes ?
La résistance à la traction d'une même nuance dépend des conditions de traitement thermique, du degré de déformation à froid, des dimensions du produit, de la direction d'échantillonnage et du procédé de fabrication. Les données relatives au matériau sont donc généralement exprimées sous forme de fourchette.
Le traitement thermique peut-il améliorer la résistance à la traction ?
Oui. La trempe, le revenu, le traitement de mise en solution et le vieillissement peuvent améliorer la résistance à la traction en modifiant la microstructure du matériau. Cependant, cette augmentation de la résistance peut également s'accompagner de modifications de la ductilité, de la ténacité ou de la résistance à la corrosion.
L'épaisseur du matériau a-t-elle une incidence sur la résistance à la traction ?
La résistance à la traction n'augmente pas simplement avec l'épaisseur, mais celle-ci peut influencer la vitesse de refroidissement, la réponse au traitement thermique, l'uniformité microstructurale et la répartition des défauts, ce qui se traduit par des valeurs spécifiées différentes selon l'épaisseur des produits.
Conclusion
Résistance à la traction Il s'agit d'un paramètre important pour comparer les performances des matériaux, assurer le contrôle qualité et évaluer la capacité de charge ultime. Les alliages d'aluminium, les aciers, les aciers inoxydables et les plastiques techniques couvrent différentes plages de résistance, mais le choix effectif du matériau doit néanmoins tenir compte de la limite d'élasticité, du module d'élasticité, de la ductilité, du comportement à la fatigue et de l'environnement d'utilisation.
Pour les pièces usinées par CNC, les propriétés des matériaux ont également une incidence sur la charge d'usinage, le choix des outils, le coût d'usinage et la fiabilité de la pièce finie. Weldo Machining peut fournir des recommandations sur les matériaux, une analyse DFM et Devis d'usinage CNC en s'appuyant sur les plans des pièces, les exigences en matière de charge et les environnements d'utilisation, afin d'aider les projets à trouver un équilibre entre performances, facilité de fabrication et coût.
