Fragilité - Définition et Explications

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 (En traumatologie, le terme de fracture désigne par définition une solution de...) n'exige qu'une faible énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...). 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 (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...) étant amorphe, le faciès est lisse mais courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...), il ne présente pas de facettes

Du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) du comportement en déformation, un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) fragile casse dans le domaine élastique, il n'est pas ductile. On a donc un faciès de rupture présentant une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) 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 (En météorologie maritime: Un grain est un vent violent et de peu de durée qui s'élève...) (fragilité intergranulaire), soit ce sont des plans denses du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...) (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 (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de...) 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 (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...).

Facteurs influençant la fragilité

La fragilité ou la ténacité dépend non seulement des forces de liaison entre les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...), mais aussi de la contribution d'éventuels phénomènes de dissipation d'énergie : plasticité, microfissuration, changement de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...), recristallisation dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...),… qui ont pour effet d'accroître sensiblement, dans les substances tenaces, le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) et le vitesse (On distingue :) de déformation. En particulier :

• tous les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) 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 (La convection est un mode de transfert d'énergie qui implique un déplacement de...) dans le manteau terrestre.

Concernant la dissipation d'énergie par déformation plastique (La déformation plastique est la déformation irréversible d'une pièce ; elle se produit par...), 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 (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et...) ou le soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de...) dans l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction...). 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 (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments...) pour piéger les impuretés, ou pour renforcer les joints de grain en y ségrégeant (bore). L'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) est également un élément fragilisant ; le dégazage des métaux lors de la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) est donc capital.

La fragilité peut aussi provenir de réaction avec l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...). En particulier, l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...), dans le cas d'immersion ou bien l'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance...) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...), peut réagir avec le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) et produire de l'hydrogène qui vient fragiliser le métal.

La résistance mécanique d'une éprouvette sous charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) 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 (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) de l'éprouvette ainsi que son état de surface et le type de sollicitation. On observe par exemple que la résistance mécanique de fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) 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.