Les matériaux présentent différentes caractéristiques qui les distinguent les uns des autres.
Certains sont fragiles, ce qui signifie qu'ils se cassent facilement sous contrainte. D'autres sont ductiles, ce qui implique qu'ils peuvent être étirés ou allongés sans se rompre. Il existe même des matériaux complètement ductiles, qui peuvent être étirés de manière significative sans se rompre.
En outre, les matériaux peuvent être classés en fonction de leur isotropie ou anisotropie. Un matériau isotrope possède les mêmes propriétés dans toutes les directions, tandis qu'un matériau anisotrope (ou orthotrope) présente des propriétés différentes et indépendantes dans au moins trois directions orthogonales.
Un exemple d'un matériau orthotrope est le bois, qui possède des propriétés mécaniques distinctes selon les directions longitudinale, radiale et tangentielle. Ces directions correspondent respectivement à l'axe parallèle aux fibres du bois, à l'axe normal aux anneaux de croissance et à l'axe tangent aux anneaux de croissance.
La masse volumique, également appelée densité volumique de masse, est une mesure de la quantité de masse contenue dans une unité de volume d'une substance. Elle est exprimée en kilogrammes par mètre cube (kg/m3), avec le symbole ρ dans le Système international.
Le module de Young (E), également connu sous le nom de module d'élasticité ou de traction, est une mesure de la rigidité d'un matériau. Il existe différents types de modules d'élasticité, tels que le module de compression, de flexion, etc. Ces modules sont exprimés en pascals (Pa), mais souvent mesurés en mégapascals (MPa) ou gigapascals (GPa) pour des valeurs pratiques.
Le module de cisaillement (G), également appelé module de rigidité ou module de cisaillement tangentiel, est une mesure de la résistance d'un matériau à la déformation sous contrainte de cisaillement. Il est souvent représenté par la lettre G et est exprimé en pascals (Pa), bien que des multiples tels que le gigapascal (GPa) soient couramment utilisés pour des mesures pratiques.
Le coefficient de Poisson est une mesure de la relation entre la déformation longitudinale et la déformation transversale d'un matériau soumis à une contrainte. Pour les matériaux isotropes, il est lié au module d'élasticité (E) et au module de cisaillement (G) par une expression spécifique.
La loi de Hooke décrit le comportement élastique des solides soumis à des contraintes. Elle établit que la déformation élastique est proportionnelle à la contrainte appliquée. En d'autres termes, elle relie l'allongement ou la compression d'un matériau à la force exercée sur celui-ci. Cette relation est exprimée par la formule :
σ=E⋅ε
Où :
σ représente la contrainte en pascals (Pa),
E est le module de Young en pascals (Pa), et
ε est la déformation ou l'allongement relatif, sans unité.
Cette équation linéaire caractérise le comportement élastique des matériaux conformément à la loi de Hooke.
La limite d'élasticité d'un matériau représente la contrainte à partir de laquelle il cesse de se déformer de manière élastique et commence à subir une déformation irréversible. Elle est généralement symbolisée par Re. Pour les matériaux où la transition élastique-plastique n'est pas clairement définie, on utilise parfois Rp0,2, correspondant à la contrainte qui provoque 0,2 % de déformation plastique. En simplifiant, la limite d'élasticité en compression (Rec) est souvent considérée égale à celle en traction (Re), tandis que la résistance mécanique, Rm, représente la contrainte maximale supportée par le matériau avant la rupture, également appelée résistance à la rupture, aussi appelée contrainte ultime en traction.
Pour garantir que la déformation reste dans la plage élastique, on utilise la résistance pratique à l'extension (traction/compression), Rpe, ou la résistance pratique au glissement (cisaillement), Rpg. Ces valeurs sont définies comme la limite d'élasticité divisée par un coefficient de sécurité (s). La relation est exprimée comme suit : σ ≤ Rpe, où σ est la contrainte appliquée. Le coefficient de sécurité varie selon le niveau de maîtrise des charges et la caractérisation du matériau : de 1 à 2 pour un fonctionnement constant et maîtrisé, de 2 à 3 pour un usage habituel, et de 3 à 5 pour des conditions moins contrôlées ou un matériau mal caractérisé. Pour les matériaux fragiles, la résistance pratique à l'extension est basée sur la résistance à la traction, nécessitant un coefficient de sécurité plus élevé.
L'essai de traction est une expérience physique permettant d'analyser le comportement d'un matériau sous contrainte uniaxiale. Il fournit plusieurs données clés :
Le module de Young (E), exprimé en mégapascals (MPa) ou gigapascals (GPa), qui mesure la rigidité du matériau.
La limite d'élasticité (Re ou σe), qui caractérise la limite de déformation réversible.
La résistance à la traction (Rm ou σm), qui indique la limite maximale supportée par le matériau avant la rupture.
L'allongement à la rupture (A%), qui mesure la capacité du matériau à s'étirer avant la rupture.
Le coefficient de Poisson (ν), qui représente la relation entre la déformation transversale et la déformation longitudinale du matériau dans le domaine élastique.