Contraintes et déformations en traction

Contraintes et déformations en traction

Comprendre le calcul des contraintes et déformations en traction :

Une barre métallique cylindrique est soumise à une force de traction. Les caractéristiques de la barre et les forces appliquées sont les suivantes :

  • Diamètre initial de la barre (D₀) = 12 mm
  • Longueur initiale de la barre (L₀) = 2 m
  • Module d’élasticité du matériau (E) = 210 GPa
  • Limite d’élasticité du matériau (σy) = 250 MPa
  • Charge appliquée (F) = 30 kN

Questions :

  1. Calcul de la contrainte initiale : Calculez la contrainte initiale (σ) dans la barre. La contrainte est définie par σ = F / A, où A est l’aire de la section transversale de la barre.
  2. Détermination de la déformation : Déterminez si la barre se déforme de manière élastique ou plastique. Utilisez la contrainte calculée dans la question 1 et comparez-la avec la limite d’élasticité du matériau.
  3. Calcul de la déformation élastique : Si la déformation est élastique, calculez l’allongement (ΔL) de la barre. Utilisez la loi de Hooke (ΔL = (F * L₀) / (A * E)) pour ce calcul.
  4. Calcul de la nouvelle longueur : En supposant que la déformation est élastique, calculez la nouvelle longueur de la barre.
  5. Discussion sur la déformation plastique : Si la contrainte dépasse la limite d’élasticité, discutez brièvement des conséquences potentielles sur la barre en termes de déformation plastique.

Données supplémentaires pour les calculs :

  • Utilisez π = 3.14 pour les calculs impliquant des sections circulaires.
  • Convertissez toutes les unités en mètres, mètres carrés, Newtons et Pascals pour uniformiser les calculs.

Correction : Contraintes et déformations en traction

1. Calcul de la contrainte initiale (\sigma)

La contrainte est définie par la formule :

    \[\sigma = \frac{F}{A},\]

F est la force appliquée et A est l’aire de la section transversale.

  • Diamètre de la barre, D_0 = 12 mm = 0.012 m (conversion en mètres).
  • Aire de la section transversale, A = \pi \times \left(\frac{D_0}{2}\right)^2 = \pi \times (0.006)^2 m^2.
  • Force appliquée, F = 30 kN = 30000 N (conversion en Newtons).

Calcul de A:

    \[A = \pi \times (0.006)^2 \]

    \[A \approx 0.0001131 \text{ m}^2.\]

Calcul de \sigma:

    \[\sigma = \frac{30000}{0.0001131} \]

    \[\sigma \approx 265275855 \text{ Pa} \text{ ou } 265 \text{ MPa}.\]

2. Détermination de la déformation

La contrainte calculée est 265 MPa. La limite d’élasticité du matériau est 250 MPa. Puisque 265 MPa > 250 MPa, la barre subit une déformation plastique.

3. Calcul de la déformation élastique

Dans ce cas, puisque la barre se déforme de manière plastique, nous ne pouvons pas appliquer directement la loi de Hooke pour calculer l’allongement élastique.

Cependant, pour l’exercice, si nous avions supposé une déformation élastique, l’allongement pourrait être calculé comme suit :

    \[\Delta L = \frac{F \times L_0}{A \times E}.\]

  • Longueur initiale, L_0 = 2 m.
  • Module d’élasticité, E = 210 GPa = 210 \times 10^9 Pa.

Calcul de \Delta L (pour une déformation hypothétiquement élastique) :

    \[\Delta L = \frac{30000 \times 2}{0.0001131 \times 210 \times 10^9} \]

    \[\Delta L \approx 0.0025 \text{ m ou } 2.5 \text{ mm}.\]

4. Calcul de la nouvelle longueur

Encore une fois, pour une déformation élastique hypothétique :

Nouvelle longueur, L = L_0 + \Delta L L = 2 + 0.0025 = 2.0025 m.

5. Discussion sur la déformation plastique

Puisque la contrainte dépasse la limite d’élasticité, la barre subit une déformation plastique. Cela signifie que même si la force est retirée, la barre ne reviendra pas à sa longueur originale.

La déformation plastique est permanente et peut altérer les propriétés mécaniques de la barre, affectant potentiellement sa résistance, sa ductilité et sa capacité à supporter des charges futures.

Contraintes et déformations en traction

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