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Biomatériaux 2ème année Médecine dentaireLes propriétés mécaniques

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Dr Boukabache H. 201 7-2018

Plan : Introduction I/ Essais mécanique généralités A) Traction simple B) Autres directions C) Poisson… D) Caractérisation des propriétés mécaniques E) Normalisation des essais F) Différents essais 1. Les essais peu liés au temps : 2. Les essais fortement liés au temps :

II/ Essai de traction A) Déroulement du test B) Différentes phases 1. Déformation élastiques 2. Déformation plastique 3. Rupture 4. Résistance à la traction

III/ Quelques définitions A) Rigidité B) Résistance C) Ductilité D) Ténacité

IV/ Comportement microscopique A) Traction simple B) Déformation plastique C) Dislocation D) Structure cubique E) Structure hexagonale compacte HC F) Comportement des matériaux

V/ Autres essais A) Essai de compression B) Test de traction diamétrale C) Test de flexion trois points D) Essai de résilience E) Essais de fatigue F) Essais de Dureté 1. Généralités 2. Essai Brinell 3. Dureté Vickers 4. Essais Rockwell G) Test de microdureté 1. Vickers bis 2. Essai Knoop 3. Dureté Shore


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4. Dureté Barcol

Introduction Les propriétés biophysiques des matériaux dentaires ont permis leur utilisation dans de nouvelles applications cliniques. Avec le développement croissant de nouveaux produits, il est important pour le clinicien de comprendre les facteurs qui vont conduire au succès de la réalisation prothétique. Afin d’évaluer un nouveau procédé, il faut garder à l’esprit une série de questions concernant : les qualités mécaniques, l’esthétique, l’abrasion, les études cliniques et le coût. La recherche continue d’élaborer des matériaux de restauration plus résistants, plus esthétiques et permettant de multiples applications cliniques telles que couronnes, bridges, dents….

Robert HOOKE (1635-1703) définit qu’un matériau à l’état solide ne résiste à une force appliquée qu’en se déformant sous l’action de cette force. Il établit une règle, la loi de HOOKE, qui définit que la déformation est toujours proportionnelle à la force appliquée.

Cette loi de restriction n’est rigoureusement vrais que pour : les céramiques, le verre, la plupart des minéraux, les métaux les plus durs.

Augustin CAUCHY (1789-1857) :Quand on soumet un corps à l’action de forces extérieures, des contraintes s’établissent par réaction, à l’intérieur de ce corps. A ces contraintes sont associées des déformations. La contrainte : La contrainte détermine avec quelle intensité les atomes du matériau sont écartés les uns des autres ou comprimés les uns sur les autres. σ= F/S et se mesure en Pascal. La déformation Indique dans quelles proportions les liaisons interatomiques et le matériau lui-même ont été déformés. ε= (L-Lo)/Lo = ΔL/Lo I/ Essais mécanique généralités

A) Traction simple L’éprouvette subit un allongement. Pour les petites déformations, il existe une relation entre la contrainte et la déformation : σ = E.ε E est le module d’élasticité ou module de YOUNG on l'exprime en MPa. B) le Module de Young Un matériau s'allonge quand il est soumis à une force de traction. Le module de Young E correspond à la force de traction par unité de surface qu'il faudrait appliquer à un objet pour que cet allongement soit égal à sa longueur initiale (autrement dit pour doubler sa longueur). Bien entendu, il s'agit d'une considération théorique car l'objet sera rompu bien avant d'atteindre cette valeur.

C) autre traction :le module de Poisson


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L'allongement d'un objet quand il est soumis à une force de traction s'accompagne d'un rétrécissement de sa section. Le coefficient de Poisson ν est le rapport entre le rétrécissement dans une direction perpendiculaire à l'effort subi et l'allongement dans la direction de l'effort.

Le coefficient de Poisson est toujours inférieur ou égal à 1/2. S'il est égal à 1/2, le matériau est parfaitement incompressible.

D) Caractérisation des propriétés mécaniques

Nous avons besoin de connaître pour nos pièces prothétiques ou pour nos restaurations : à partir de quelle charge la pièce commence à se déformer de façon irréversible, à partir de quelle charge il y a risque de rupture. Afin de caractériser le comportement mécanique d'un matériau soumis à des forces extérieures qui engendrent des contraintes et des déformations, on a recours à un certain nombre d'essais mécaniques. états de contrainte simples et connus interprétation facile et non équivoque. reproductibles. Organismes nationaux et internationaux de normalisation (AFNOR, ISO, CEN, ADA).

E) Normalisation des essais

Préparation et géométrie des éprouvettes, Machines d’essai et étalonnage, Techniques expérimentales, Dépouillement et présentation des données

F) Différents essais

1. Les essais peu liés au temps :

L'essai de traction, de compression ou de flexion, détermine l'aptitude à la déformation d'un matériau soumis à un effort progressif L'essai de dureté fournit des renseignements sur la résistance à la pénétration d'une pièce dure soumise à un effort constant L'essai de résilience caractérise la résistance au choc

2. Les essais fortement liés au temps :

L'essai de fatigue étudie le comportement du matériau vis à vis de sollicitations alternées bien inférieures à la contrainte nécessaire pour le rompre L'essai de fluage mesure la déformation, en fonction du temps, du matériau sous charge constante.

II/ Essai de traction A) Déroulement du test

Traction sur un barreau de dimension standardisée, jusqu'à sa rupture, en suivant un processus de mise en charge à une vitesse de déformation constante. L’éprouvette d'essai est prélevée dans le matériau à caractériser et usinée à des dimensions normalisées, afin d'assurer une meilleure comparaison des essais effectués dans différents laboratoires.


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Pour chaque type de matériau, il existe un type d’éprouvette.

Diagramme contrainte-déformation en traction d’une éprouvette en métal

B) Différentes phases

1. Déformation élastiques L'application d'une force provoque initialement une déformation élastique de l’éprouvette. Si la contrainte est annulée, l’éprouvette revient instantanément à sa forme initiale

2. Déformation plastique Cette déformation élastique est suivie d’une déformation irréversible (permanente) appelée déformation plastique.

La limite d'élasticité Re est la contrainte à partir de laquelle un matériau arrête de se déformer d'une manière élastique, réversible et commence donc à se déformer de manière irréversible. Pour un matériau fragile, c'est la contrainte à laquelle le matériau se rompt, notamment du fait de ses micro-fissures internes.

3. Rupture

Si l’essai est poursuivi : il se termine par la rupture de l’éprouvette. Le niveau de contrainte baisse avec l’augmentation de la déformation

On enregistre l’allongement à la rupture


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4. Résistance à la traction La résistance à la traction Rm se définit comme la contrainte maximale atteinte durant l’essai de traction.

III/ Quelques définitions A) Rigidité La rigidité est fonction de l'énergie des liaisons entre les atomes ou les molécules constituant le matériau.(On mesure la rigidité principalement par le module d’YOUNG. Plus ce module est élevé, plus le matériau est rigide.)

B) Résistance La résistance caractérise la contrainte maximale qu’un matériau supporte avant de se rompre.(Cette résistance est fonction de l’intensité des liaisons mais également de la forme des pièces ou de ses défauts.)


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C) Ductilité La ductilité correspond à la capacité d’un matériau à se déformer de façon permanente avant de se rompre.

D) Ténacité Représente la quantité d'énergie absorbée à la rupture par un matériau. Elle caractérise la résistance à la propagation brutale de fissures. Sa valeur est égale à la surface sous la courbe contrainte-déformation.

V/ Autres essais A) Essai de compression

L’essai de compression consiste à soumettre une éprouvette de forme cylindrique, placée entre les plateaux d’une presse, à deux forces axiales opposées.


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B) Test de traction diamétrale

Le test de traction simple est difficile à réaliser pour les matériaux fragiles. Le test de traction diamétrale consiste à appliquer une charge sur le côté d’un échantillon cylindrique court jusqu’à la rupture.

D) Essai de résilience En mécanique, la résilience est l'énergie nécessaire pour produire la rupture d'un échantillon entaillé section droite de l'entaille (appelé éprouvette).Essai de flexion par choc sur une éprouvette entaillée qui mesure la résistance d’un matériau à la rupture brutale.

L'essai de résilience se fait sur une machine du nom de Mouton de Charpy

E) Essais de fatigue Déroulement de l’essai

o L’éprouvette d’essai est soumise: à une charge moyenne donnée (qui peut être égale à zéro) et à une charge alternée donnée et on note le nombre de cycles nécessaires pour provoquer la défaillance (rupture par

fatigue). Généralement, on effectue plusieurs essais avec des charges variables différentes sur des

éprouvettes identiques.

Les résultats des essais de fatigue sont souvent présentés sous la forme d’un diagramme σ-N (ou de Wöhler) qui représente:

le nombre de cycles nécessaires pour amener la défaillance de l’éprouvette

Contraintes cycliques & Diagramme d’endurance (de Wöhler)


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Essai de fluage

Déformation lente d’un matériau qui se produit sous l’effet d’une contrainte constante à température constante.

Métaux: fluage haute température.

Matières plastiques: fluage à température ambiante appelé « fluage à froid » ou « déformation sous charge ».

le matériau est soumis à une charge constante de traction ou de compression sur une durée prolongée et à température constante.

La déformation est enregistrée selon une périodicité donnée

La rupture, si elle intervient, termine l’essai et l’instant de la rupture est enregistré.

première étape, ou fluage primaire, commence à vitesse rapide et ralentit avec le temps ; la vitesse de fluage diminue avec le temps, ce qui correspond à une augmentation de la résistance du matériau, ou encore à une consolidation ;

deuxième étape (fluage secondaire) s’effectue à vitesse relativement constante.

troisième étape (fluage tertiaire) présente une accélération et s’achève avec la défaillance du matériau à l’instant de rupture.

F) Essais de Dureté 1. Généralités Estimation qualitative de la dureté :échelle de MOHS Estimation quantitative de la dureté : Les essais consistent à enfoncer un pénétrateur (indenteur) dans le matériau. La charge est constante pendant un temps donné et on mesure la dimension de l'empreinte. La dureté H (hardness) s'exprime par le rapport dela force sur la surface de l'empreinte.

Quelque soit la méthode d'essai, la réalisation de mesures de dureté exige certaines précautions : opérer sur une surface planeet polie la charge doit être appliquée perpendiculairement à la surface et sans choc. Suivant principalement la forme du pénétrateur, on définit:


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dureté Brinell; dureté Vickers ; dureté Rockwell .

2. Essai Brinell bille en acier ou en carbure de tungstène, maintenue pendant un temps bien défini et avec une force bien

déterminée. la dureté Brinell: HB

3. Dureté Vickers La mesure de dureté Vickers se fait avec une pointe pyramidale normalisée en diamant de base carrée et

d'angle au sommet entre face égal à 136°. HV : dureté Vickers

4. Essais Rockwell

5-Comparaison entre les trois méthodes

Type d'essai

Préparation de la pièce Utilisation principale

Commentaire

Brinell La surface de la pièce ne nécessite pas une préparation extrêmement soignée

En atelier La méthode ayant la mise en œuvre la plus facile des trois méthodes.


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(tournage ou meulage)

Rockwell

Bonne préparation de surface (au papier de verre OO par exemple). La présence de rayures donne des valeurs sous estimées.

En atelier

L'essai est simple et rapide

Convient bien pour des duretés plus élevées (supérieures à 400 Brinell). Elle est plutôt utilisée pour les petites pièces (il est nécessaire que la pièce soit parfaitement stable)La dureté Rockwell présente l'inconvénient d'avoir une dispersion relativement importante.

Vickers

État de surface très soigné (on obtient de petites empreintes, la présence d'irrégularité gène la lecture).

En laboratoire

C'est un essai assez polyvalent qui convient aux matériaux tendres ou très durs.

Il est utilisé généralement pour des pièces de petites dimensions. La lecture des longueurs de diagonale est généralement lente.

G) Test de micro dureté

1. Vickers bis Identique à la dureté Vickers Sous très faibles charges inférieures à 0,2 daN Avec une pyramide diamant Vickers. La mesure de la dimension se fait avec un microscope métallographique. Les empreintes font quelques microns.

3. Dureté Shore


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4. Dureté Barcol

Conclusion

Les propriétés mécaniques des biomatériaux sont pour nous d'une grande importance, tant au laboratoire où leur connaissance permet un choix plus judicieux des matériaux d'usinage et de polissage, qu'en


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clinique où les contraintes subies lors de la mastication quoique difficiles à déterminer, supposent une sélection encore aussi rigoureuse.

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