II. Elasticité. — C'est la propriété que les métaux possé
LIS MÉTAUX CONSIDÉRÉS KN BCX-MÉMBS 181
dent de résister plm ou moins aux déformations temporaires, ious l'action de forces plus ou moins grandes. On peut Ten^ visager elle aussi : 1^ indépendamment de la grandeur que peuvent prendre les déformations ; i"^ indépendamment de la grandeur des forces qui produisent les déformations ; pour désigner séparément ces deux propriétés simples, qui dérivent de la propriété complexe « élasticité o, M. Osmond a proposé d'utiliser les mots choisis pour représenter les deux résistances aux déformations permanentes en faisant suivre ces mots de l'adjectif « élastique » ; on aura donc : au 1®'^ cas, la ièaadté et la faiblesse élastiques, au second la consistance et la mollesse élastiques.
L'acier trempé qui reste élastique sous de grands efforts aura une grande ténacité élastique ; le caoutchouc, qui prend de grandes déformations élastiques, aura une grande mollesse élastique.
m. Plasticité. — La plasticité est la propriété de résister plus ou moins aux déformations pernuinentes sou^ Vaclion de forces comprises entre des limites plus ou moins rapprochées; à la plasticité s'oppose la fragilité. On peut dire que la plasticité est la propriété que possèdent certains corps d'éprouver sous l'action de forces extérieures, des changements de forme durables, croissant d'une manière continue ; que la fragilité est la propriété que possèdent d'autres corps de perdre dans les mêmes circonstances, la cohésion qui unit leurs éléments.
La plasticité, comme la dureté et l'élasticité, peut être envisagée : 1^ indépendamment de la grandeur que peuvent prendre les déformations permanentes ; 2^ indépendamment de la grandeur des forces qui produisent les déformations, d'où encore deux propriétés simples dérivant de la propriété complexe « plasticité >> : la première est désignée par le mot aigreur avec corps comme contre-partie ; quant à la seconde elle se confond avec la propriété déjà appelée consistancemollesse, car les axes OY, AY' se confondent eux-mêmes quand on néglige les déformations élastiques.
En réalité, il n'y a pas de corps absolument fragiles, ni
absolument plastiques, il n'y a que des matières de plasticité différente. Quand dans un mode quelconque d'essai mécanique, un métal est soumis à l'action d'une force croissante, il atteint, pour une certaine valeur de la force, sa limite d'élasticité, c'est-à-dire qu'il éprouve un changement de forme permanent, très petit, mais mesurable, et supérieur à une grandeur préalablement fixée par convention ; soit L la valeur correspondante de la force par unité de surface, ou en d'autres termes la limite élastique du corps pour le mode d'essai considéré, soit R la limite de résistance pour le même mode d'essai ; pour un corps absolument fragile, qui ne pourrait supporter sans se rompre la moindre déformation si petite qu'elle fftt, L et R se confondraient; la mesure la plus simple que l'on puisse concevoir de la plasticité est donc la différence :
ou intervalle de plasticité ; la plasticité est nulle si R=r L, elle est maximum quand R est très grand et L très petit.
0„ mesure a„„i 1, pla„icl,é par le rapport n JtJr
MX
qu'on appelle indice de plasticité. [La limite de résistance ou charge de rupture R, dans le cas de la traction, représente la charge maximum rapportée à la section actuelle et non pas à la section primitive ou à la section rompue].
Enfin on peut mesurer la plasticité non plus par les limites de charge entre lesquelles le corps est plastique, mais par la déformation que le métal subit entre ces limites. Pour passer de la force à l'effet produit, il faut multiplier par le rapport de la déformation à la force, ou diviser par le rapport inverse. Ce dernier, dans la période d'élasticité parfaite serait évidemment le module d'élasticité ; dans la période d'élasticité imparfaite il a une valeur différente, mais de même nature et du même ordre de grandeur D. Cette troisième mesure de la plasticité qu'on peut appeler plasticité relative ou pratique est celle que l'on a en vue quand on ne définit pas autrement le mot plasticité ; de même qu'au sens vulgaire, un corps élas-
tique est un corps qui a de grandes déformations élastiques, par exemple le caoutchouc qui en réalité a un module d'élasticité très faible et qui est en réalité très peu élastique.
On voit en définitive que la plasticité est une propriété mesurable des métaux, qu'elle est une fonction de la limite élastique et de la ténacité, et qu'on peut la mesurer de trois manières diflérentes. Ces trois grandeurs s'annulent pour les corps absolument fragiles ; pour les corps absolument plas* tiques l'intervalle de plasticité devient égal à la ténacité ; l'indice de plasticité devient égal à 1 ; la plasticité relative n'a généralement pas de valeur assignable. Enfin à chaque moded'essai correspond une plasticité particulière, et les mots plasticilé, malléabililé peuvent être considérés comme synonymes.
Pour le cuivre essayé à la traction : si L = 12 kilog. ; R = 40 kilog. on trouve :
Intervalle de plasticité. 40 — 12 = 28 kilog. Indice de plasticité . . — yr: — = 0,7
Plasticité pratique . . . qooo ^ Q>QQ3
en regardant le module D comme égal, en nombre rond, à 9000 entre la limite élastique et la rupture.
— La plasticité varie singulièrement d'un métal à l'autre ; tandis quelle est nulle chez les uns comme le bismuth, l'antimoine, qui se brisent sous le choc et se laissent facilement réduire en poudre, elle est extrêmement grande chez d'autres comme l'aluminium, l'argent, le platine et l'or ; ce dernier peut être réduit en feuilles de 1/12000 de millimètre d'épaisseur, et on peut transformer un milligramme d'or en un fil de 3'°,40 de long. La plasticité devient dans certains cas un défaut grave ; c'est ainsi que le plomb et Tétain sont trop plastiques pour pouvoir résister à la compression, à la traction, à la flexion ; que l'or et l'argent n'offrent que peu de résistance à la flexion transversale, et que beaucoup de métaux purs sont dans le même cas.
Ces différences de plasticité sont nettement mises en évidence par les expériences de M. W. Spring, relatives à la compression de limailles métalliques.
Son appareil de compression est constitué par un cylindre d'acier fondu de SS'millimètres de diamètre sur 50 de hauteur, coupé en deux moitiés par un plan passant par Taxe et portant à son intérieur une cavité cylindrique ayant même axe que lui, dans laquelle seront placées les matières à comprimer; grâce à cette disposition, il est facile d'extraire les blocs solides formés sous l'influence de la pression. Les deux moitiés du cylindre entrent exactement dans un logement pratiqué à l'intérieur d'une pièce de fonte de 22 centimètres de diamètre sur 5 d'épaisseur et, afin d'éviter tout écartement des deux moitiés du cylindre, l'ensemble est fileté coniquement à l'extérieur et les deux parties sont serrées l'une contre l'autre d'une façon inébranlable par un un écrou puissant. Dans le vide cylindrique s'engage un piston en acier de même forme qui reçoit la pression au moyen d'un système particulier de leviers.
De la limaille de plomb soumise dans cet appareil à une pression de 2000 atmosphères se prend en une masse compacte, dans laquelle le microscope ne peut distinguer le moindre vestige des grains primitifs de limaille ; celle-ci est soudée en un seul bloc identique à une masse obtenue par fusion. Sous une pression de 5000 atmosphères, le plomb ne résiste plus à la poussée du piston de l'appareil, il fuit par tous les joints, comme s'il était liquide, et le piston est pressé jusqu'au fond du cylindre; quand on ouvre l'appareil on trouve partout des plaques minces de plomb qui ont exactement l'aspect de lames obtenues par voie de laminage. La densité du plomb ainsi obtenu est 11,50, celle du plomb fondu est de 11,3.
Étain. — Sous une pression de 2000 atmosphères il donne lieu à une liaison de sa limaille aussi parfaite que celle du plomb; dès 4000 atm. il commence à couler par tous le« joints, puis bientôt l'écoulement s'arrête pour recommencer sous la pression de 5500 atm.; quand on continue de comprimer, il s'arrête encore de nouveau, reprend sous une
LES mAtAUX considérés EN EUX-MÊMES 185
charge plus forte et ainsi de suite jusqu'à 7500 atm. où la coulée du métal est continue.
Le bismuth eu poudre fine soumis à une pression de 6000 atm. se prend en un bloc identique à du métal fondu, et dont la cassure est cristalline comme la sienne ; sa densité est 9,893, celle du bismuth fondu 9,9.
Les parcelles de limaille de zinc ne se soudent pas sous une pression de 260 atm. ; sous 700 atm., il y a commencement de liaison, mais le bloc se brise facilement et tombe en poussière ; avec un grossissement de 50 diamètres, on distingue très nettement des vides entre les grains de limaille qui ne se touchent que par quelques points. Sous 2000 atm. l'union devient telle qu'on peut limer le bloc, mais sous le marteau il se brise, et la cassure, examinée au microscope, montre encore des vides qui séparent certains grains de limaille, tandis que d'autres sont très nettement soudés ; sous 4000 atm. il ne reste que quelques rares vides qu'on a souvent de la peine à découvrir ; sous 5000 atm. enfin, la continuité est parfaite dans le bloc qu'on peut limer et marteler comme une masse obtenue par fusion.
A 130 degrés, température à laquelle la plasticité du zinc est la plus grande, la poudre de ce métal se soude mieux encore et donne un bloc à cassure cristalline.
La liaison de la limaille d'alumitîitirn est faible sous la pression de 4000 atm. et on ne peut limer, le bloc sans en arracher des grains mal adhérents ; sous 5000 atm. le bloc peut être limé mais il se brise encore sous le marteau ; enfin à 6000 atm. la liaison est parfaite, l'aluminium est devenu malléable, sa densité, 2,561, est celle d'un bloc de métal fondu.
La limaille de cuivre se comporte comme celle d'aluminium.
L'antimoine pris en poudre fine et tout à fait dépourvu de l'éclat métallique, se soude plus difficilement que ne le font le cuivre et l'aluminium ; à 5000^ la surface du bloc prend l'éclat métallique, tandis que le centre demeure pulvérulent etgris mat ; à partir de 5000 atm., l'éclat métallique gagne de plus en plus la profondeur.
Enfin, la mousse de platine éprouve un commencement de liaison à 5000 atm. mais le bloc est encore friable avec une cassure terne. Des pressions plus élevées ne lui donnent pas une liaison aussi parfaite que celle observée avec les métaux précédents.
On le voit, la faculté qu'ont les métaux de se souder par pression, est en raison inverse de leur dureté.
MM. Ewing et Rosenhain qui ont examiné au microscope une surface métallique bien polie, puis légèrement attaquée, ont remarqué que sa structure la montre comme constituée par des grains de forme irrégulière à contours bien délimités, la surface de chaque grain consistant en une multitude de facettes cristallines, d'orientation déterminée. Lorsqu'on soumet le métal, à froid, à des actions mécaniques telles que martelage, tréfilage, laminage, les grains qui le composent sont déformés; par Tétirement ils deviennent plus longs dans la direction suivant laquelle l'opération a lieu, mais cet effet disparaît quand on chauffe à une température convenable et les grains ne présentent plus alors de dimension prédominante dans un sens déterminé. Ces grains ne sont, en somme, que le résultat de cristallisations parties d'un certain nombre décentres et qui, en se rencontrant, ont occasionné les formes plus ou moins irréguliëres de ces cristaux élémentaires.
Lorsqu'on observe une surface polie, pendant que le métal est soumis à une traction croissant graduellement jusqu'à la chargede rupture, cette surface subit des changements remarquables; vue sous une illumination verticale, elle montre un grand nombre de lignes noires qui apparaissent sur les faces des grains, sur chacun d'eux elles sont plus ou moins droites et parallèles, mais elles n'ont pas la même direction sur tous ; ces lignes sombres ne sont pas des fissures, mais bien des bandes situées le long des plans de glissement; au-delà de la limite d'élasticité, en effet, les cristaux dont chaque grain est formé, glissent les uns sur les autres en prenant la forme de gradins obliques, et ce sont les parties de surfaces obliques ainsi mises au jour, qui, ne réfléchissant pas verticalement la lumière, se présentent sous l'aspect de lignes ou d étroites
bandes noires ; en lumière oblique au contraire on les voit brillaotes sur fond noir. Quand i'étirement dépasse un certain degré, on voit se former sur certains grains, un second système de bandes qui croisent les premières ; elles sont dues à un glissement suivant un nouveau plan de clivage, et Tangle sous lequel les deux systèmes de bandes se croi^ sent dépend de Tinclinaison de la surface polie sur les plans de clivage ou de glissement. Pendant letirement, la surface, d'abord polie, devient inégale par suite du chevauchement des grains, elle est pleine de trous et de bosses, son étude microscopique nécessite un perpétuel changement de mise au point.
Les bandes apparaissent également bien sur une surface polie, non attaquée où les grains ne sont pas visibles avant la traction, et en se croisant elles forment des sortes de hachures qui déterminent nettement le contour des grains.. Ces bandes de glissement se manifestent aussi bien par compression que par traction et, dans les deux cas, elles présentent exactement les mêmes caractères ; la torsion d'une barre au delà de la limite d'élasticité fait apparaître des bandes semblables, parallèlement et perpendiculairement à l'axe de torsion.
L'aspect de ces bandes de glissement varie un peu suivant le métal sur lequel elles se produisent. Avec l'argent elles se montrent particulièrement bien, les cristaux sont grands et les lignes sombres, droites ; avec le cuivre elles sont plus droites et plus régulièrement espacées qu'avec le fer. Les bandes des métaux à structure cristalline sont quelquefois parallèles, mais le plus souvent inclinées par rapport aux faces des cristaux ; avec l'or et le plomb, comme avec le cuivre, elles sont particulièrement droites et il en est de même avec tous les métaux très plastiques. On voit aussi fréquemment des lignes en gradins, et même des lignes courbes, qui ne se résolvent pas en gradins sous les plus forts grossissements employés.
Pour plusieurs métaux, des macles apparaissent dans la structure cristalline après la tension : le cuivre fondu qui n'en montre pas, en paraît rempli quand il a été forgé, et le recuit
188 INTRODUCTION A L'ÉTIfDB DES MÉTAUX
ne les fait pas disparaître ; Y or et V argent, après forgeage et recuit, offrent des macles analogues ; le nickel, le cadmium, le zinc, le plomb en présentent également, soit avant, soit après avoir été soumis à un effort mécanique.
La plasticité des métaux parait donc due au glissement d'une partie des cristaux qui les composent le long des surfaces de clivage ou de glissement ; chaque grain est déformé par les mouvements nombreux qui se produisent, par intervalles, à travers sa masse suivant trois plans ou davantage et qui se combinent de manière à permettre au grain de s'accommoder pendant Tétirement à Tenveloppe que lui font les grains voisins; la déformation est discontinue, elle s'effectue par une série de petits mouvements et peut être comparée à celle d'un liquide visqueux.
On peut déduire de là que la déformation non élastique des métaux a lieu par le glissement l'une sur l'autre de parties de cristal dans le grain cristallin, le long de surfaces de clivage ou de glissement ; c'est parce que le métal est un agrégat de cristaux irréguliers élémentaires qu'il est plastique et qu'il est déformable d'une manière quelconque, la plasticité n'étant possible que lorsque chaque partie élémentaire peut changer de forme et de position. Du reste ces parties gardent leur caractère cristallin et dans leur mouvement, qui est une translation, leur orientation reste la même ; en effet l'examen de métaux ayant été soumis à des déformations violentes, montre que leur surface polie et attaquée présente toujours les grains cristallins ; leur forme est modifiée, mais s'ils sont toujours soumis à une tension additionnelle, on voit se développer les bandes obscures comme il a été dit ; l'attaque produit également des cavités polyédriques semblables et orientées de la même façon sur chaque grain, malgré la distorsion que celui-ci a subie.
— De nombreuses propriétés des corps qui ont reçu des noms usuels ne sont que les précédentes considérées dans certains cas particuliers ; par exemple la ductilité est la propriété de s'étirer à la filière ou par tout autre mode de compression latérale; la rigidité est la résistance à la flexion et s'oppose à la flexibilité ; la fissilité est la résistance
plus OU moins grande à la fissuration, etc. Toutes ces dénominations ont ce défaut commun qu'on ne sait jamais "^^lles s'appliquent aux forces seules, aux déformations seules, ou aux deux à la fois. On ne sait pas davantage, quand on a en vue les déformations, s'il s'agit de déformations élastiques ou permanentes ; enfin il n'y a pas toujours de terme qui réponde à un certain mode d'essai, ainsi on n'a pas donné de nom spécial à la résistance au cisaillage, au poinçonnage, à la torsion, etc. Pour ces différentes raisons, il est préférable que la même propriété générale garde le même nom dans tous les modes d'essai, et que les propriétés spéciales soient désignées par le nom de la propriété générale à laquelle elles correspondent, suivi du nom de l'essai considéré; on dira donc :
à la traction, à la compression à la flexion
— Dureté ou douceur
Consistance ou mollesse
Ténacité ou faiblesse
— Elasticité. f à la pénétration
Ténacité élastique ou faiblesse élastique. / au cisaillement Consistance élastique ou mollesse élastiq*" \à la fissuration
— Plasticité ou fragilité
Aigreur ou corps
au striage eic ■ « •
Ckftuses qui niodilieni les propriétés des métaox. —
Les causes principales qui modifient les propriétés des métaux solides sont le chauflageetle refroidissement lents ou rapides, et le travail mécanique de déformation à chaud ou à froid.
