Fragilité - Définition

Introduction

Pictogramme signalant la fragilité d'un objet sur un emballage ; le verre est réputé fragile.

La fragilité est l'état d'une substance qui se fracture lorsqu'on lui impose des contraintes mécaniques ou qu'on lui fait subir des déformations brutales (c'est-à-dire sous forme de choc), sa fracture n'exige qu'une faible énergie. Si, en revanche, l'énergie à fournir pour produire la fracture est importante, on dira que la substance est « tenace ».

Faciès de rupture fragile (verre) ; le verre étant amorphe, le faciès est lisse mais courbe, il ne présente pas de facettes

Du point de vue du comportement en déformation, un matériau fragile casse dans le domaine élastique, il n'est pas ductile. On a donc un faciès de rupture présentant une surface lisse,

• qui est gauche (non plane) dans le cas d'un matériau amorphe ;
• qui se compose de facettes lisses si le matériau est cristallin, soit ce sont les joints de grain (fragilité intergranulaire), soit ce sont des plans denses du cristal (clivage).

Évaluation de la fragilité

Courbe de traction typique pour un matériau fragile

La fragilité peut s'évaluer :

• par un essai de traction uniaxial : la courbe typique présente un infléchissement arquant le début de la détérioration suivi de la rupture ; l'éprouvette ne présente pas de striction, le faciès est comme décrit ci-dessus et l'allongement à la rupture A% est nul ;
• par un essai de flexion choc Charpy : le matériau présente une faible énergie de rupture K_C (appelée abusivement « résilience ») ;
• par un essai de ténacité : un matériau fragile a une faible ténacité, notée elle aussi K_C.

Il y a lieu de bien différencier les notions de ténacité et de résistance mécanique.

Facteurs influençant la fragilité

La fragilité ou la ténacité dépend non seulement des forces de liaison entre les atomes, mais aussi de la contribution d'éventuels phénomènes de dissipation d'énergie : plasticité, microfissuration, changement de phase, recristallisation dynamique,… qui ont pour effet d'accroître sensiblement, dans les substances tenaces, le volume du domaine où, à la pointe de la fissure, les liaisons atomiques s'opposent à sa progression en supportant la contrainte de traction la plus élevée.

Interviennent donc en particulier la température et le vitesse de déformation. En particulier :

• tous les matériaux sont fragiles en dessous d'une température dite « température de transition fragile-ductile » ;
• certains matériaux sont peu ductiles aux faibles vitesses de déformation, et très ductiles aux fortes vitesses (recristallisation dynamique) ;
• certains matériaux sont fragiles aux vitesses de déformation élevées, mais « pâteux » aux très faibles vitesses ; c'est le cas par exemple des roches qui sont habituellement fragiles, mais qui présentent un phénomène de convection dans le manteau terrestre.

Concernant la dissipation d'énergie par déformation plastique, le premier critère est le critère de von Mises, qui indique qu'un matériau cristallin est intrinsèquement fragile s'il présente moins de 5 modes de glissement (plan de glissement-direction de glissement voir Dislocation). La fragilité intergranulaire peut provenir de la présence d'atomes étrangers qui ségrègent aux joints de grain, comme par exemple le phosphore ou le soufre dans l'acier. De manière générale, un matériau cristallin est souvent d'autant moins fragile qu'il est pur. On peut renforcer les joints de grain en ajoutant des éléments d'alliage pour piéger les impuretés, ou pour renforcer les joints de grain en y ségrégeant (bore). L'hydrogène est également un élément fragilisant ; le dégazage des métaux lors de la fusion est donc capital.

La fragilité peut aussi provenir de réaction avec l'environnement. En particulier, l'eau, dans le cas d'immersion ou bien l'humidité de l'air, peut réagir avec le métal et produire de l'hydrogène qui vient fragiliser le métal.

La résistance mécanique d'une éprouvette sous charge est la contrainte maximale R_m supportée par l'éprouvette avant fracture. Contrairement à la ténacité qui est une grandeur intrinsèque, la résistance mécanique fait intervenir outre les forces des liaisons atomiques, la forme et les dimensions de l'éprouvette ainsi que son état de surface et le type de sollicitation. On observe par exemple que la résistance mécanique de fibres de verre fraîchement étirées est environ cent fois plus élevée que celle d'objets communs du même verre qui ont subi des abrasions multiples. On améliore la résistance mécanique d'objets faits de matériaux fragiles en introduisant, par des traitements thermiques ou chimiques, des précontraintes de compression en surface.

Rappelons enfin que les filaments en verre, typiquement des substances fragiles, sont couramment utilisés pour renforcer de nombreux polymères ainsi que des ciments.