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Déformation plastique et dislocations - 1  1 - Déformation plastique o 1.1 - I

Déformation plastique et dislocations - 1  1 - Déformation plastique o 1.1 - Introduction o 1.2 - Loi de la déformation o 1.3 - Morphologie de la déformation o 1.4 - Glissements de plans atomiques  2 - Dislocations o 2.1 - Les dislocations : un glissement localisé o 2.2 - Dislocation coin o 2.3 - Dislocation vis o 2.4 - Dislocation mixte o 2.5 - Conséquences des dislocations  3 - Pour aller plus loin o 3.1 - Vecteur de Burgers o 3.2 - Étalement du coeur o 3.3 - Force de frottement o 3.4 - Épinglage 1 -- Déformation plastique 1.1 - Introduction La déformation plastique est ce qui permet la mise en forme de pièces métalliques :  le laminage permet de faire des tôles, des plaques et des barres ;  le tréfilage permet de faire des fils ;  le forgeage, l'emboutissage, l'estampage, le pliage permettent de donner des formes complexes, des volumes. Cela concerne essentiellement les métaux et donc pas les matièplastiques (polymères), contrairement à ce que pourrait laisser penser le nom ; le terme "plastique" désigne ici la capacité à modeler, à sculpter (cf. les arts plastiques). La déformation plastique est aussi ce qui permet à une pièce de résister à la rupture en cas d'accident : une pièce est prévue pour se déformer de manière modérée en service, sans que cela ait de conséquence définitive. La déformation est dite réversible, élastique. Lors d'une surcharge, d'un choc, la déformation qui s'en suit peut entraîner la rupture, la cassure de la pièce. Si la pièce peut se déformer plastiquement, cette déformation va absorber l'énergie de la surcharge et du choc ; la pièce sera inutilisable, mais elle aura tenu et aura ainsi peut être sauvée des vies. Ainsi, la voiture se déforme lors d'un choc, mais protège les occupants ; le mousqueton d'alpinisme se déforme lors d'une chute, mais retient l'alpiniste. On voit donc que la compréhension de la déformation plastique est capitale, afin de pouvoir concevoir des pièce de formes complexes, mais aussi des pièces de sécurité. Le modèle du cristal parfait ne suffit pas pour expliquer cette déformation : en effet, chaque atome est à sa place, la structure est trop rigide. Il nous faudra pour cela introduire des défauts linéaires, les "dislocations". Mais nous allons dans un premier temps regarder le comportement général des pièces lors de la déformation plastique. 1 -- Déformation plastique 1.2 - Loi de la déformation  1.2.1 - Rupture fragile et rupture ductile  1.2.2 - Autres courbes de déformation possibles 1.2.1 - Rupture fragile et rupture ductile Les matériaux fragiles (principalement les verres, céramiques, roches, métaux à basse température, mais cette liste n'est pas exclusive) cassent sans déformation plastique. Les matériaux ductiles, eux, gardent une déformation résiduelle après une sollicitation importante. Pour caractériser la déformation d'un matériau de manière simple, on pratique un essai dit de "traction uniaxiale" : on prend une éprouvette cylindrique, c.-à-d. un cylindre fait dans le matériau à tester, et on tire dans l'axe du cylindre jusqu'à la rupture. On enregistre la force de traction en fonction de l'allongement, ou plus précisémment la contrainte (sigma) en fonction de  l'allongement relatif (epsilon)  :  contrainte  : force F divisée par la section S du cylindre  = F/S en MPa (méga-pascal), 1 MPa = 1 000 000 N.m-2  allongement relatif ou "déformation"  : le déplacement de l'extrémité solicitée l divisée par la longueur initiale l0 du cylindre  = l/l0 sans dimension (parfois en %). Fig. 1-1 : Essai de traction uniaxial Dans le cas d'un matériau fragile, la loi est linéaire ; le matériau casse dans le domaine linéaire. Fig. 1-2 : rupture fragile, dans le domaine linéaire Dans le cas d'un matériau ductile, la loi est d'abord linéaire (c'est le domaine élastique), puis s'infléchit (domaine plastique) avant de décroître (domaine d'endommagement et rupture). Fig. 1-3 : rupture ductile | début | 1.2.2 - Autres courbes de déformation possibles Dans le cas de la déformation plastique, on observe parfois plusieurs types de comportements, selon matériau, la température et la vitesse de déformation :  transition douce : on ne voit pas de distinction franche entre la partie linéaire et la partie plastique ;  décrochement : au moment de commencer la déformation plastique, la contrainte chute ;  oscillations (phénomène de Portevin-Lechatelier) : dans la partie plastique, la contrainte varie en zig-zag. Fig. 1-2 : autre courbes de déformation possibles Tous ces phénomènes peuvent s'expliquer par la théorie des dislocations. 1 -- Déformation plastique 1.3 - Morphologie de la déformation  1.3.1 - Déformation et rupture élastiques  1.3.2 - Déformation plastique  1.3.3 - Rupture plastique 1.3.1 - Déformation et rupture élastiques La déformation élastique est réversible, c.-à-d. que si l'on relâche la contrainte, la pièce reprend sa forme initiale. Lorsque l'on tire sur le cylindre, son diamètre diminue à l'inverse, si on le comprime, son diamètre augmente. Fig. 1-5 : variation du diamètre du cylindre lors de la déformation élastique Après la rupture, les faces de rupture présentent en général une multitude de facettes lisses aux arrêtes tranchantes, voire même parfois une seule face lisse. C'est notamment cette propriété qui permet de tailler les pierres précieuses avec des faces lisses. Dans le cas de métaux fragiles, il faut en général utiliser un microscope pour pouvoir voir ces facettes. Fig. 1-6 : faciès de rupture fragile La matière cristalline est en général composée d'une multitude de petits cristaux (ou grains) accolés les uns aux autres, comme soudés entre eux. Dans certains cas, la rupture fragile se fait par décollement des cristaux les uns des autres, les faces que l'on voit sont les faces de ces cristaux ; on parle de rupture inter-granulaire. Lorsque les cristaux sont bien adhérents entre eux, ou bien lorsqu'il n'y a qu'un seul cristal (cas des pierres précieuses), la rupture a lieu au sein des cristaux, selon des plans cristallographiques denses ; on parle alors de rupture trans-granulaire, ou encore de clivage. 1.3.2 - Déformation plastique La déformation plastique est irréversible, même lorsque l'on relâche la contrainte, il reste une déformation résiduelle. Si l'on interrompt l'essai avant l'endommagement, le cylindre reste allongé. Fig. 1-7 : déformation plastique irréversible On voit sur la courbe précédente que la redescente se fait de manière linéaire, élastique, donc réversible. Donc, si l'on retire dessus, on va reparcourir la même portion de courbe, donc le domaine élastique a été étendu, puisque l'on va rester dans le domaine linéaire jusqu'à une contrainte plus élevée que lors de la première  traction. Le matériau s'est durci, on parle d'écrouissage. La déformation plastique se fait à volume constant, un peu comme si l'on faisait glisser les carte d'un jeu les unes sur les autres. Fig. 1-8 : déformation à volume constant, image du paquet de cartes Si l'on utilise des éprouvettes à faces planes, par exemple des plaquettes ou bien des barreaux à section carrée, on voit apparaître des stries très fines sur les faces. Ce sont les lignes de glissement. Pour reprendre l'exemple du paquet de carte, lorsqu'une carte glisse sur l'autre, il apparaît une strie car le haut du paquet est décalé par rapport au bas. 1.3.3 - Rupture plastique L'endommagement commence par une concentration de la déformation plastique, ou "striction". Au lieu d'être répartie sur toute la longueur du barreau, la déformation se concentre sur une zone. La rupture va bien entendue avoir lieue dans cette zone ; le faciès de rupture présente des signes d'arrachement, comme des cupules. Fig. 1-9 : endommagement : striction et rupture avec faciès d'arrachement 1 -- Déformation plastique 1.4 - Glissements de plans atomiques Voici comment l'on peut représenter la déformation dans un monocristal. Les atomes sont empilés selon un réseau ; dans ce réseau, on peut représenter des plans denses, c'est à dire des plans géométriques contenant de nombreux atomes par µm2. Fig. 1-10 : exemple de plans atomiques denses dans un cristal La déformation va correspondre à un glissement des atomes dans l'un de ces plans. On voit bien que dans un plan dense, le glissement minimal redonnant une configuration conforme au réseau est plus petit que dans un plan peu dense, où les atomes sont éloignés. Fig. 1-11 : le glissement minimum est plus petit dans un plan dense On retrouve ainsi l'image du jeu de carte, ce modèle est donc compatible avec le fait que la déformation plastique se fait sans changement de volume (déformation isochore). Ce modèle explique également l'apparition de ligne de glissement sur les éprouvettes à faces planes : le glissement selon certains plans donne l'apparition de marches en surface, ce que l'on voit comme des lignes. Fig. 1-12 : déformation par glissement selon un plan atomique et formation d'une marche 2 -- Dislocations  2.1 - Les dislocations : un glissement localisé  2.2 - Dislocation coin  2.3 - Dislocation vis  2.4 - Dislocation mixte  2.5 - Conséquences des dislocations 2.1 - Les dislocations : un glissement localisé uploads/s3/ deformation-plastique-et-dislocations.pdf