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Quels sont les facteurs qui influent sur la force de cisaillement des métaux ? Relation avec les matériaux

L'ampleur et l'effet de la force de cisaillement des tôles sont influencés par de nombreux facteurs. Pour la force de cisaillement sur les tôles, les principaux facteurs d'influence comprennent les propriétés du matériau, les dimensions géométriques, le processus de cisaillement et les conditions externes. Les principaux facteurs qui affectent la force de cisaillement sont les suivants.

1. Quels sont les facteurs qui affectent la force de cisaillement du métal ?

La force de cisaillement qu'un métal peut supporter dépend de divers facteurs, notamment des propriétés du matériau et des conditions externes. Voici quelques-uns des facteurs clés :

1) Résistance au cisaillement

La résistance au cisaillement d'une tôle métallique fait référence à la contrainte de cisaillement maximale que la tôle métallique peut supporter sous cisaillement. La résistance au cisaillement d'une tôle métallique est très importante dans les processus de traitement et de fabrication des métaux tels que la découpe, l'emboutissage, l'étirage et le formage.

La résistance au cisaillement d'une tôle est généralement étroitement liée au type, à l'épaisseur, à l'état de traitement et à l'état de surface du matériau. En règle générale, la résistance au cisaillement d'une tôle est inférieure à sa résistance à la traction, mais pour le processus de traitement, la compréhension de sa résistance au cisaillement permet de déterminer la force de cisaillement requise dans le processus réel.

Résistance au cisaillement des matériaux métalliques courants :

Acier à faible teneur en carbone : la résistance au cisaillement est d’environ 250 à 300 MPa.
Acier à haute résistance (tel que l’acier de résistance et l’acier allié) : résistance élevée au cisaillement, jusqu’à 400–600 MPa.
Alliage d’aluminium : la résistance au cisaillement est d’environ 150 à 250 MPa.
Acier inoxydable : la résistance au cisaillement est d’environ 300 à 450 MPa.
Cuivre et ses alliages : la résistance au cisaillement est d'environ 150 MPa.

La résistance au cisaillement de la tôle est un paramètre clé des propriétés du matériau qui détermine le comportement au cisaillement du matériau pendant le traitement. En comprenant la résistance au cisaillement, la conception et l'optimisation du processus de production peuvent être efficacement guidées pour assurer un traitement fluide et réduire le gaspillage de matériaux.

Les matériaux à haute résistance au cisaillement (tels que l'acier à haute résistance, les alliages durcis, etc.) nécessitent généralement une force de cisaillement plus importante.
Les matériaux à faible résistance au cisaillement (tels que l’aluminium, le cuivre, etc.) nécessitent une force de cisaillement moindre.

2) Épaisseur de la plaque

L'épaisseur de la tôle influe directement sur l'ampleur de la force de cisaillement. Plus la tôle est épaisse, plus la force nécessaire au cisaillement est importante.

- Épaisseur accrue, force de cisaillement accrue :

D'après la formule, on peut voir que plus l'épaisseur t est grande, plus la force de cisaillement requise F est élevée. En effet, pendant le processus de cisaillement, la force de cisaillement agit sur toute l'épaisseur de la tôle. Par conséquent, plus la tôle est épaisse, plus la force de cisaillement requise est élevée.

Par exemple, si l’épaisseur de la tôle augmente de 5 mm à 10 mm, la force de cisaillement doublera approximativement.

- Relation linéaire entre la force de cisaillement et l'épaisseur :

Dans la plupart des cas, la force de cisaillement est linéairement liée à l'épaisseur de la tôle. En supposant que les autres conditions (comme la largeur et la résistance au cisaillement de la tôle) restent inchangées, la force de cisaillement requise doublera approximativement pour chaque doublement de l'épaisseur.

3) Longueur de cisaillement

L'effet de la longueur de cisaillement sur la force de cisaillement est similaire à celui de l'épaisseur de la plaque et joue également un rôle clé. La longueur de cisaillement fait référence à la longueur du matériau en contact avec l'outil pendant le processus de cisaillement, qui est généralement égale à la largeur de la plaque métallique. Elle détermine la surface totale du matériau cisaillé pendant l'usinage, ce qui affecte à son tour la force de cisaillement requise.

Relation linéaire entre la force de cisaillement et la longueur de cisaillement :

La force de cisaillement est linéairement liée à la longueur de cisaillement. Autrement dit, si les autres conditions restent inchangées, la force de cisaillement requise doublera approximativement pour chaque doublement de la longueur de cisaillement.

Par exemple, si la longueur de cisaillement augmente de 100 mm à 200 mm, la force de cisaillement requise doublera également.

4) Écart de cisaillement

Taille de l'espace :

Un écart de cisaillement trop petit ou trop grand affectera la force de cisaillement. Un écart approprié peut réduire la force de cisaillement et améliorer la qualité de la section de cisaillement.

Uniformité de l'écart :

Des écarts irréguliers peuvent entraîner une augmentation des forces de cisaillement locales, affectant ainsi l'effet de cisaillement.

5) Angle de la lame de cisaillement

Angle de cisaillement :

Un angle de cisaillement du métal approprié peut réduire la force de cisaillement. Plus l'angle de cisaillement est grand, plus la force de coupe est dispersée pendant le processus de cisaillement, réduisant ainsi la force de cisaillement instantanée.

Tranchant de la lame :

Plus la lame est tranchante, plus la force de cisaillement est faible. L'émoussement de la lame augmente la force de cisaillement de la tôle.

6) Vitesse de cisaillement

L'effet du taux de cisaillement sur la force de cisaillement est un élément important à prendre en compte dans le travail des métaux, en particulier lors de la coupe et de l'usinage à grande vitesse. Le taux de cisaillement fait référence à la vitesse relative du bord de cisaillement pendant l'opération de cisaillement, généralement la vitesse de déplacement de l'outil ou de la table.

Lors du processus de cisaillement, la force de cisaillement dépend non seulement de la nature et de l'épaisseur du matériau, mais également de la vitesse de cisaillement. L'effet de la vitesse de cisaillement sur la force de cisaillement est généralement non linéaire et les facteurs d'influence spécifiques dépendent de divers facteurs, tels que le type de matériau, la température, la méthode de traitement, etc.

Effet du taux de cisaillement sur la force de cisaillement :

Au cours du processus de cisaillement, une augmentation du taux de cisaillement aura des effets différents sur la force de cisaillement, qui se reflètent principalement dans les aspects suivants :

– Effet de la température

Un taux de cisaillement élevé entraînera une augmentation locale de la température, car la surface du matériau subira une friction et une déformation plastique plus importantes lors de la coupe à grande vitesse, générant ainsi plus de chaleur. Cette augmentation de température entraînera une diminution de la résistance du matériau métallique, ce qui réduira à son tour la force de cisaillement.

– Chauffage des métaux

Par exemple, les matériaux tels que l'aluminium et l'acier perdent leur résistance au cisaillement à des taux de cisaillement élevés, en particulier à des températures élevées, le matériau devient plus mou et la force de cisaillement diminue. D'un autre côté, des taux de cisaillement faibles peuvent entraîner une accumulation de chaleur moindre et une force de cisaillement relativement élevée.

– Effet dynamique et inertie

Lorsque la vitesse de cisaillement est élevée, des effets dynamiques se produisent dans la zone de cisaillement du matériau, notamment la réponse élastique et l'écoulement plastique du matériau. Dans le cas d'un cisaillement à grande vitesse, la vitesse de réponse du matériau peut être plus sensible que celle d'un cisaillement à faible vitesse, ce qui peut entraîner une instabilité ou des fluctuations instantanées de la force de cisaillement.

Effet d'inertie : lors d'un cisaillement à grande vitesse, le matériau peut produire une vibration instantanée ou une concentration de contrainte en raison de l'inertie, ce qui affectera la stabilité de la force de cisaillement.

– Flux plastique et rendement des matières

Lorsque la vitesse de cisaillement est élevée, les caractéristiques d'écoulement plastique du matériau dans la zone de cisaillement changent et la force de cisaillement peut changer. En raison de l'augmentation du taux de déformation plastique dans la zone de cisaillement à des vitesses plus élevées, la limite d'élasticité du matériau peut diminuer, ce qui entraîne une réduction de la force de cisaillement.

Lors de la découpe à grande vitesse de certains matériaux (en particulier les métaux), différents modes de fracture peuvent se produire dans le processus de cisaillement, tels qu'une fusion locale ou des microfissures dans la zone de cisaillement, ce qui affecte la force de cisaillement.

Analyse quantitative de la vitesse de cisaillement sur la force de cisaillement :

La relation entre la vitesse de cisaillement et la force de cisaillement n'est pas une simple relation linéaire, mais est influencée par l'influence combinée des propriétés du matériau, des effets de la température et des méthodes de traitement. En général, la force de cisaillement a tendance à diminuer à des vitesses de cisaillement élevées, mais l'ampleur spécifique de l'impact dépend des facteurs suivants :

– Type de matériau

Différents matériaux ont des sensibilités à la température différentes. Les vitesses de cisaillement élevées ont un impact plus important sur certains métaux mous (tels que l'aluminium et le cuivre) et un impact plus faible sur certains métaux durs (tels que l'acier trempé).

– Température de cisaillement

Pendant le processus de cisaillement, des vitesses de cisaillement plus élevées augmenteront la température locale, réduisant ainsi la résistance du matériau et réduisant la force de cisaillement.

– Méthode de coupe

L'impact de la découpe à grande vitesse est différent dans des processus tels que découpe laser, découpe et emboutissage à la machine à cisailler. Par exemple, dans la découpe au laser, la force de cisaillement sera considérablement réduite en raison de la température élevée générée par le laser.

– Usure des outils

Lors du cisaillement à grande vitesse, le temps de contact entre l'outil et le matériau est plus court, ce qui réduit le degré d'usure de l'outil, mais peut également entraîner des problèmes de qualité de surface du matériau.

Contrôle de la vitesse de cisaillement dans les applications pratiques :

Dans le processus de traitement réel, la vitesse de cisaillement appropriée est sélectionnée en fonction des besoins pour optimiser la force de cisaillement et la qualité de coupe :

– Vitesse de cisaillement élevée

Dans les processus d'usinage à grande vitesse tels que la découpe et le marquage au laser, il est généralement nécessaire d'augmenter la vitesse d'usinage pour améliorer l'efficacité de la production. Dans le même temps, en raison de l'augmentation de la température du matériau, la force de cisaillement est souvent plus faible. Convient aux matériaux qui nécessitent une qualité de coupe élevée et peuvent tolérer une augmentation de la température.

– Faible vitesse de cisaillement

Dans le cisaillage mécanique conventionnel (comme l'emboutissage, cisaille), la vitesse est généralement faible et la force de cisaillement est importante. Cela convient aux situations avec des exigences élevées en matière de qualité et de précision de coupe.

Effet de la vitesse de cisaillement et de la température du matériau :

La vitesse de cisaillement est étroitement liée à l'effet de la température du matériau, en particulier lors de la coupe à grande vitesse, l'augmentation de la température de surface du matériau peut affecter la résistance au cisaillement et les performances de coupe du matériau. Pour certains matériaux (tels que les alliages d'aluminium), la force de cisaillement sera considérablement réduite lors du cisaillement à grande vitesse en raison de l'augmentation de la température et du ramollissement du matériau. Pour certains matériaux à dureté élevée (tels que l'acier à outils), la variation de la force de cisaillement peut être faible.

Une vitesse de cisaillement élevée entraîne généralement une réduction de la force de cisaillement, principalement en raison de l'effet combiné de facteurs tels que l'augmentation de la température, le ramollissement du matériau et l'intensification de l'écoulement plastique. Une faible vitesse de cisaillement peut entraîner une force de cisaillement plus importante car le matériau a une résistance au cisaillement plus élevée et le processus de déformation est plus lent.

Dans le processus de traitement des métaux, l'optimisation de la vitesse de cisaillement est un moyen important d'améliorer l'efficacité de la production, de réduire la consommation d'énergie et de prolonger la durée de vie de l'outil. Par conséquent, lors du choix de la vitesse de cisaillement, des facteurs tels que la nature du matériau, la qualité de coupe requise, la capacité de l'équipement et l'efficacité de la production doivent être pris en compte de manière exhaustive.

7) Méthode et outils de coupe

Coupe unique vs coupes multiples :

Certains matériaux peuvent nécessiter plusieurs coupes étape par étape pour terminer l’ensemble du processus de coupe, ce qui peut réduire la force requise pour chaque coupe.

Forme et matériau de l'outil :

La forme de l'outil de coupe (comme l'angle de courbure de la lame, le tranchant du bord) et le matériau (comme l'acier à outils trempé) affectent directement la force de cisaillement.

8) Lubrification et friction

Lubrification:

Pendant le processus de cisaillement, la lubrification peut réduire la friction entre la lame et la surface du matériau, réduire la force de cisaillement et augmenter l'efficacité de la coupe.

Friction:

Un frottement élevé entraînera une augmentation de la force de cisaillement car la force de frottement doit surmonter plus de résistance, ce qui augmente la consommation d'énergie dans le processus de cisaillement.

9) Température du matériau

L'effet de la température sur la résistance au cisaillement :

À haute température, la résistance au cisaillement des métaux est généralement plus faible, donc la force de cisaillement est plus faible. Inversement, à basse température, la résistance au cisaillement du matériau est plus élevée et une force de cisaillement plus importante est nécessaire.

Cisaillement à chaud :

Certains procédés de travail des métaux, comme le cisaillement à chaud, chauffent la tôle pour réduire sa résistance au cisaillement, réduisant ainsi la force de cisaillement.

10) Structure cristalline des matériaux

La structure cristalline des matériaux métalliques affecte leur résistance au cisaillement. Par exemple, lorsque les grains de métal sont plus fins, leur résistance au cisaillement est plus élevée et une force de cisaillement plus importante est nécessaire. Les défauts du réseau métallique (tels que les dislocations) affectent également la force de cisaillement.

11) Ductilité et dureté des matériaux

Les matériaux ayant une meilleure ductilité (comme le cuivre et l'aluminium) sont généralement plus faciles à cisailler que les matériaux ayant une dureté plus élevée (comme l'acier dur). Par conséquent, les matériaux plus ductiles peuvent nécessiter une force de cisaillement moindre.

Les matériaux ayant une dureté plus élevée (tels que l'acier à haute résistance, le carbure cémenté, etc.) ont généralement une résistance au cisaillement plus élevée, ce qui nécessite une force de cisaillement plus importante.

12) Prétraitement du matériau (tel que recuit, durcissement, etc.)

Recuit :

Le recuit rend le matériau métallique plus mou et réduit sa résistance au cisaillement, réduisant ainsi les forces de cisaillement.

Durcissement :

Les matériaux métalliques traités par durcissement (comme la trempe) sont plus durs et ont une résistance au cisaillement plus élevée, ils nécessitent donc une force de cisaillement plus importante pour être coupés.

Dans l'ensemble, la force de cisaillement est le résultat de plusieurs facteurs. Dans le traitement réel, des conditions de cisaillement appropriées doivent être sélectionnées en fonction des propriétés du matériau et des exigences de traitement pour obtenir des effets de cisaillement idéaux.

2. Relation entre la force de cisaillement et les propriétés de la tôle

Il existe une relation étroite entre la force de cisaillement et les propriétés de la tôle, qui se reflète principalement dans la résistance au cisaillement, la dureté, la ductilité et d'autres aspects du matériau. Les propriétés physiques et mécaniques des différents matériaux affectent directement leur comportement lors du cisaillement et la force de cisaillement requise. Explorons en détail la relation entre la force de cisaillement du métal et les propriétés du matériau.

Résistance au cisaillement :

La résistance au cisaillement est la résistance maximale d'une tôle métallique en état de cisaillement, indiquant la contrainte critique à laquelle le matériau commence à se briser sous l'action de la force de cisaillement. Plus la résistance au cisaillement est élevée, plus la force de cisaillement est importante.

Les différents matériaux métalliques ont des résistances au cisaillement différentes. Par exemple, l'acier a généralement une résistance au cisaillement plus élevée que les alliages d'aluminium.

Épaisseur du matériau :

Plus la plaque est épaisse, plus la force de cisaillement est importante. En effet, la force de cisaillement requise pour les plaques épaisses est proportionnelle à l'épaisseur.

Longueur de cisaillement :

Plus la lame de cisaillement reste longtemps en contact avec la plaque métallique, plus la force de cisaillement est importante. Une longueur de cisaillement plus longue signifie une zone de cisaillement plus grande, ce qui nécessite une force de cisaillement plus importante pour surmonter la résistance au cisaillement du matériau.

La capacité de la tôle à résister aux forces de cisaillement dépend d'une combinaison de propriétés du matériau (comme la résistance au cisaillement, la résistance à la traction, la dureté et la ductilité) et de facteurs externes comme l'épaisseur, la structure du grain et les conditions de surface. Les matériaux plus épais, plus durs et plus résistants résistent généralement à des forces de cisaillement plus élevées, tandis que les matériaux plus souples et plus ductiles se déforment plus facilement. La relation entre ces facteurs joue un rôle essentiel dans des processus tels que la découpe, le poinçonnage et le formage de la tôle.

3. Conclusion

La force de cisaillement des plaques métalliques est affectée par de nombreux facteurs, notamment :

La résistance au cisaillement du matériau.
L'épaisseur de la plaque et la longueur de cisaillement.
Le tranchant, la conception et l'angle de la lame.
La température, la vitesse de cisaillement et les conditions de lubrification.
Le prétraitement et la dureté du matériau.

Dans les applications pratiques, l'optimisation de ces facteurs (tels que la sélection d'outils de cisaillement appropriés, le réglage de la vitesse de cisaillement et le chauffage raisonnable des matériaux) peut réduire efficacement la force de cisaillement du métal, améliorer l'efficacité de la coupe et la qualité du traitement.

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