Jauge de déformation - Définition

Introduction

Jauge de déformation.

Le but des extensomètres à fils résistants ou jauges de déformation (strain gauge) est de traduire la déformation d'une pièce en variation de résistance électrique (plus les extensomètres s'étirent, plus leurs résistances augmentent). Elles consistent en des spires rapprochées et sont généralement fabriquées à partir d'une mince feuille métallique (quelques µm d'épaisseur) et d'un isolant, que l'on traite comme un circuit imprimé (par lithographie ou par attaque à l'acide).

Présentation de la relation contrainte-déformation

Une contrainte est l'état de pression dans lequel se trouve un matériau lorsqu'on lui applique une ou plusieurs forces. Il s'agit d'une réaction distribuée de la matière, les atomes se réorganisent pour compenser les forces extérieures.

Une contrainte est une force divisée par une surface, elle est donc homogène à une pression et exprimée en pascals.

On peut distinguer différents types de déformations :

• la déformation élastique, qui est réversible
• la déformation plastique, qui ne l'est pas
• Le fluage qui est une déformation irréversible qui augmente avec le temps sous l'effet d'une contrainte constante. La vitesse de fluage augmente généralement lorsque la température du matériau augmente.

Déformation élastique

L'exemple le plus parlant d'une déformation élastique est le cas du ressort.

La déformation élastique est une déformation réversible : le milieu retourne à son état initial lorsque l'on supprime les sollicitations.

L'élasticité linéaire concerne les petites déformations proportionnelles à la sollicitation. Dans cette gamme, l'allongement est proportionnel à la force dans le cas d'un étirement, et l'angle est proportionnel au couple dans le cas d'une torsion.

Aux plus grandes déformations, l'élasticité devient non linéaire pour certains matériaux (déformation plastique). Pour d'autres, la fracture ou le fluage interviennent. La déformation élastique intervient pour les faibles sollicitations. Si l'on augmente les sollicitations, on change le mode de déformation :

• Rupture (endommagement) pour les matériaux dits « fragiles »
• Déformation plastique (irréversible et non linéaire) puis rupture pour les matériaux dits « ductiles » ;
• Éventuellement fluage pour les matériaux ductiles si la vitesse de déformation est lente et/ou la température élevée.

Déformation plastique

La déformation plastique est la déformation irréversible d'une pièce ; elle se produit par un réarrangement de la position des atomes.

Lorsque que l'on sollicite une pièce ou un objet (on le tire, on le comprime, on le tord...), celui-ci commence par se déformer de manière réversible (déformation élastique), c'est-à-dire que ses dimensions changent, mais il reprend sa forme initiale lorsque la sollicitation s'arrête. Ensuite, si les sollicitations continuent on dépasse la déformation élastique pour entrer dans la déformation plastique. Certains matériaux, dits « fragiles », cassent dans ce mode de déformation si la sollicitation est trop forte.

Pour les matériaux dits « ductiles », lorsque l'on augmente la sollicitation, on déforme de manière définitive la pièce : lorsque l'on arrête la sollicitation, la pièce reste déformée. Ceci se produit par un glissement des plans atomiques les uns sur les autres, à la manière des cartes à jouer d'un paquet. Ce glissement de plans atomiques se fait grâce au déplacement de défauts linéaires localisés appelés « dislocations ».

Lorsqu'une pièce est entrée dans la zone de déformation plastique et que l'on supprime la sollicitation, sa déformation (finale) diminue toutefois par rapport à la forme sous charge, car la déformation correspondant à la zone élastique disparait (seule la déformation plastique a un effet permanent sur la pièce). Une petite expérience à faire pour visualiser ce phénomène : essayez de plier (et non uniquement cintrer) une tôle métallique : bloquez un côté de la tôle et essayez de la plier jusqu'à un repère choisi. Pour que la plaque, une fois relâchée, soit alignée avec ce repère, il faut appliquer une sollicitation qui déplace la tôle au delà du repère. Lorsque l'on relâche la tôle, celle ci 'recule' alors jusqu'au repère. Une fois pliée, on peut d'ailleurs de nouveau déformer légèrement cette tôle (en restant dans la 'zone élastique') et elle reviendra en face du repère. La zone élastique existe donc toujours.

Fluage

On appelle fluage d'un matériau le phénomène de déformation irréversible qui augmente avec le temps sous l'effet d'une contrainte constante.

La vitesse de fluage augmente généralement lorsque la température du matériau augmente.

La déformation par fluage peut se modéliser comme un frottement fluide, du type amortisseur de suspension de voiture. De la même manière que pour la déformation plastique, le fluage est toujours associé à la déformation élastique. On peut voir le fluage comme un « retard à la déformation » : si l'on impose une déformation, on a d'abord une réponse élastique, puis, pour une vitesse de déformation maintenue constante, la force nécessaire à la déformation diminue.

Exemple pratique de liquide de ce type : un pot de miel sortant du réfrigérateur ! On aura du mal à enfoncer une lame de couteau d'un coup jusqu'à la garde dans le miel « refroidi », mais si l'on appuie de manière constante sur le couteau, la vitesse de descente augmentera, malgré une force d'appui constante. De même, si la température du miel augmente, l'effort nécessaire pour enfoncer le couteau diminuera avec l'augmentation de température.