Fracture ductile

Plonge dans les subtilités de la fracture ductile dans ce guide complet. Ce guide clarifiera le concept et révélera les mécanismes à l'origine de la rupture ductile, proposera des exemples réels et examinera les facteurs critiques et les caractéristiques de surface. En comprenant cet aspect fondamental de l'ingénierie, tu amélioreras considérablement tes connaissances et obtiendras de nouvelles perspectives dans ce domaine.

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    Ductile Fracture : Une vue d'ensemble

    Dans le domaine fascinant de l'ingénierie, tu rencontreras souvent le terme "Ductile Fracture". Plongeons donc dans ce qu'il signifie, comment il fonctionne et pourquoi il s'agit d'un concept essentiel dans l'ingénierie des matériaux.

    Décoder la définition de la rupture ductile

    Avant de plonger dans le vif du sujet, il est essentiel de comprendre la définition d'une "fracture ductile".

    La rupture ductile est un type de défaillance structurelle observée lorsqu'un matériau se déforme plastiquement avant de se briser ou de se rompre.

    Voici quelques caractéristiques clés de la fracture ductile :
    • Contrairement à la rupture fragile, la déformation est assez importante avant que la fracture ne se produise
    • Elle absorbe une quantité considérable d'énergie
    • fait preuve d'un haut degré de ténacité, et
    • Fournit des signes d'avertissement clairs d'une fracture imminente.

    La caractéristique d'absorption d'énergie de la rupture ductile est un facteur critique dans la conception de nombreuses structures - en particulier dans des domaines tels que l'aviation, où un degré élevé de ténacité des matériaux peut faire la différence entre la sécurité et la catastrophe.

    Comprendre la rupture ductile dans le contexte de l'ingénierie des matériaux

    Dans le contexte de l'ingénierie des matériaux, la rupture ductile est souvent considérée en fonction des caractéristiques du matériau spécifique. Or, la rupture ductile peut être très différente selon le matériau en question. Prenons par exemple une tige métallique ou un câble de pont. Voici quelques signes courants de fractures ductiles dans ces matériaux :
    • Augmentation de la résistance sous charge
    • un collet ou une réduction notable de la surface de la section transversale, et
    • Séparation finale avec un aspect relativement rugueux et fibreux.
    Maintenant, replaçons ceci dans le contexte d'une courbe de contrainte et de déformation. Les matériaux ductiles présentent généralement une région distincte de déformation plastique sur la courbe contrainte-déformation avant de se fracturer, comme le montre la figure ci-dessous :
    ContrainteContrainte
    HautPoint de rendement (début de la déformation plastique)
    Plus élevéRésistance ultime à la traction (tension maximale que le matériau peut supporter)
    Plus faibleFracture (le matériau se brise à cet endroit)
    Pour résumer, essaie de te rappeler ce qui suit :

    Imagine que tu plies un trombone. Au début, il se plie (déformation plastique), mais si tu continues, il se cassera soudainement à un endroit (fracture ductile). Les photos des extrémités cassées montreront une surface métallique étirée, signe de la déformation plastique avant la rupture proprement dite.

    Dans la prochaine section, nous nous pencherons sur les mécanismes à l'origine de la rupture ductile - garde donc tous ces concepts de base à l'esprit au fur et à mesure que nous progressons dans notre voyage pour comprendre la rupture ductile !

    Exemples réels de fractures ductiles

    N'oublie pas que la fracture ductile implique une déformation importante avant que la rupture ne se produise. Ce fait est fondamental car, dans le monde réel, ces déformations agissent de manière productive comme des signes d'avertissement, indiquant qu'une structure ou un composant est proche de la rupture et doit être réparé ou remplacé.

    Application et analyse de la fracture ductile

    La rupture ductile joue un rôle impératif dans une myriade d'industries et d'applications. Des structures de génie civil telles que les ponts et les bâtiments aux systèmes mécaniques tels que les moteurs et les turbines, il est essentiel de comprendre la rupture ductile. En bref, la rupture ductile a tendance à se produire après qu'un matériau a dépassé sa résistance ultime à la traction, et qu'il commence à se rétrécir et à s'amincir. À ce stade, un aspect clé que les ingénieurs prennent en compte lors de l'évaluation des fractures ductiles sont les paramètres de la mécanique des fractures, notamment le déplacement de l'ouverture de la pointe de la fissure (CTOD) et le rayon de la pointe de la fissure. Ces paramètres, appelés \(\delta\) et \(r\), sont mathématiquement calculés comme suit : \[ \delta=2r \] Cette équation est essentielle lorsque l'on examine les fissures à un niveau microscopique. Elle peut fournir des informations précieuses sur les contraintes subies par un matériau juste avant qu'il ne présente une fracture ductile. Au niveau macroscopique, une autre considération importante est la déformation de rupture, désignée par \(\varepsilon_f\). Elle est calculée à l'aide de l'équation suivante : \[ \varepsilon_f = \ln{\left(\frac{l_f}{l_0}\right)} \] où \(l_f\) est la longueur finale de la jauge après la fracture et \(l_0\) est la longueur initiale de la jauge.

    Interprétation de la rupture ductile à l'aide d'exemples pratiques

    Pour mieux comprendre la rupture ductile, on peut replacer le concept dans son contexte à l'aide de quelques exemples pratiques. Considérons un matériau omniprésent - l'aluminium. Lorsqu'une tige d'aluminium est pliée à un degré important, elle atteint un point au-delà duquel il n'est plus possible de la plier, et la tige se casse ou subit une fracture ductile. Ici, la forme initiale courbée de la tige avant la fracture est une indication claire de la déformation plastique ou de la nature ductile de l'aluminium. En revanche, un matériau cassant comme le verre ne présenterait pas une telle déformation avant la rupture. Lors de ces ruptures ductiles, tu peux remarquer un schéma de rupture caractéristique en forme de "coupe et de cône". La zone interne de la "coupe" a un aspect fibreux et étiré, ce qui témoigne de la déformation importante avant la rupture. Autour de cette "coupe" se trouve la zone extérieure du "cône", qui est relativement lisse et présente une déformation plastique minimale. Du point de vue de l'intégrité structurelle, la rupture ductile est préférable à la rupture fragile. Dans le cas d'une rupture fragile, le matériau se brise soudainement sans déformation importante, ce qui ne laisse pas le temps de prendre des mesures correctives. En revanche, dans le cas de la rupture ductile, les déformations importantes servent d'alerte précoce, ce qui laisse le temps d'intervenir. De plus, la rupture ductile peut notamment être observée dans les boulons ou les câbles lourds soumis à des contraintes de traction (tirant). Lorsque ces éléments sont chargés au-delà de leur capacité, ils ne se cassent pas sans prévenir. La prochaine fois que tu rencontreras un objet métallique déformé, étiré ou effiloché, rappelle-toi le processus de la rupture ductile. La compréhension de la rupture ductile fournit aux ingénieurs les outils nécessaires pour prédire et prévenir les défaillances catastrophiques des structures et des matériaux. Elle les dote également de connaissances approfondies qui leur permettent de concevoir et d'innover des matériaux dotés des propriétés mécaniques souhaitées. La connaissance de la rupture ductile est donc un outil inestimable dans le monde de l'ingénierie !

    Dévoiler le mécanisme de la rupture ductile

    Tu te demandes peut-être pourquoi certains matériaux se déforment ou se "coulent" avant de se briser - le processus que nous appelons "fracture ductile". La science qui sous-tend ce phénomène est fascinante et révèle pourquoi certains matériaux sont de nature ductile alors que d'autres sont cassants.

    La science derrière le mécanisme de la fracture ductile

    La rupture ductile est fondamentalement une séquence de deux étapes principales. Il y a d'abord la déformation plastique, dans laquelle un matériau s'étire ou change de forme sous l'effet d'une contrainte sans se rompre. Vient ensuite l'étape finale, c'est-à-dire la fracture ou la rupture proprement dite du matériau. Les atomes et les molécules qui composent le matériau sont au cœur de ce processus. Lorsqu'un matériau subit une déformation plastique, ses atomes se réorganisent, glissent les uns sur les autres et modifient leur orientation spatiale sous l'influence de la contrainte appliquée. Dans le cas du métal et d'autres matériaux ductiles, ce glissement se produit généralement le long de certains plans d'atomes, appelés "plans de glissement". Ces plans facilitent le déplacement des atomes sous l'effet de la contrainte, contribuant ainsi de manière significative à la ductilité du matériau. Mais comment ces événements microscopiques aboutissent-ils à une fracture macroscopique ? C'est là qu'intervient le concept de "microvide". Un microvide est une minuscule cavité ou un trou microscopique qui se forme dans un matériau ductile sous l'effet d'une contrainte. Cependant, le voyage ne s'arrête pas à la formation des vides. Avec le temps, sous l'effet d'une contrainte croissante, ces petits vides s'agrandissent peu à peu et fusionnent, ce qui entraîne la formation d'une fissure. Finalement, cette fissure se propage à travers le matériau, ce qui entraîne une fracture ductile... En bref :
    • La fracture ductile commence au niveau atomique avec le réarrangement des atomes sous l'effet d'une contrainte.
    • Cette déformation crée des vides microscopiques dans le matériau.
    • Ces vides se développent et fusionnent pour former des fissures.
    • Les fissures continuent de croître jusqu'à ce que le matériau se brise, ce qui entraîne une fracture ductile.

    Fracture ductile : Que se passe-t-il pendant la rupture ?

    Tu as donc appris les principes scientifiques qui sous-tendent la rupture ductile. Mais que se passe-t-il exactement lors d'une rupture ductile ? Lorsque le matériau est soumis à une contrainte croissante, il atteint un point où il ne peut plus supporter la charge. La région du matériau compactée avec une concentration de contraintes - les zones de tension - a tendance à se déformer le plus. La déformation commence par la formation de microvides. La densité de ces microvides est la plus élevée près du centre et tend à diminuer vers la périphérie. Au fur et à mesure que ces vides se regroupent, une cavité interne plus grande ou une "fissure" se forme. Ce processus est souvent appelé nucléation des vides. Vient ensuite l'étape de la croissance des v ides, au cours de laquelle la taille de ces vides ou fissures augmente sous l'effet de la contrainte incessante. Les vides s'allongent et se rejoignent ou se "regroupent", ce qui entraîne la formation d'un "col" interne dans le matériau. À ce stade, le matériau subit une réduction notable de sa section transversale, appelée "col macroscopique". Il s'agit de l'avant-dernière étape avant la fracture finale, qui constitue un signe clair de défaillance imminente. La phase finale est la coalescence des vides, dans laquelle ces vides croissants fusionnent pour former une fissure plus importante qui s'étend sur toute la section transversale du matériau. C'est à ce moment-là que le matériau ne peut plus supporter la charge et finit par céder, entraînant une fracture. Fait crucial, une fracture ductile est généralement précédée de trois signes : une déformation irrégulière, un collet microscopique et macroscopique, et la coalescence des vides.Concrètement :
    • La fracture ductile commence par la nucléation de microvides au niveau atomique.
    • Les microvides s'agrandissent au cours de la phase de croissance des vides.
    • Le collet macroscopique apparaît comme une indication d'une défaillance imminente.
    • Enfin, la coalescence complète des vides conduit à la fracture ductile proprement dite.
    Cette séquence de transformations étape par étape souligne les multiples facettes de la mécanique d'une fracture ductile. Elle témoigne des implications considérables des processus microscopiques sur le comportement macroscopique des matériaux. Il est essentiel de comprendre cette séquence car elle constitue la base de la prédiction et de la gestion des défaillances des matériaux dans le domaine de l'ingénierie.

    Facteurs affectant la rupture des matériaux

    Dans le vaste domaine de la mécanique des fractures, ce n'est pas seulement le mécanisme d'une fracture ductile qui est important. Il est également crucial de connaître les différents facteurs qui peuvent influencer la rupture des matériaux. Ces connaissances peuvent grandement aider les ingénieurs à concevoir des structures et des matériaux plus résistants.

    Exploration de l'impact des différents facteurs sur la rupture ductile

    La rupture ductile ne se produit pas de façon isolée. Elle est le résultat de l'interaction de divers facteurs - certains internes au matériau, d'autres externes. La découverte de ces facteurs peut fournir une perspective inestimable sur les raisons pour lesquelles certains matériaux échouent, alors que d'autres restent robustes dans des conditions de stress similaires. Pour commencer, la rupture ductile est principalement influencée par les propriétés du matériau. Il s'agit notamment des propriétés mécaniques telles que la limite d'élasticité, la résistance ultime à la traction, la ductilité, la malléabilité et la dureté. Toutes ces propriétés déterminent le comportement d'un matériau sous l'effet d'une contrainte extérieure et, par conséquent, influencent sa propension à subir une rupture ductile. Un autre facteur qui a un impact significatif sur la probabilité qu'un matériau subisse une rupture ductile est la température. En général, un matériau est plus ductile à des températures élevées qu'à des températures plus basses. Par conséquent, sa capacité à résister à la rupture dépend également des conditions de température ambiante. La structure des grains est un autre facteur déterminant du comportement de rupture ductile d'un matériau. La taille et l'orientation des grains peuvent influencer de manière significative l'initiation et la propagation des microvides et, par conséquent, la rupture ductile. Vient ensuite la vitesse de chargement. Si la contrainte appliquée à un matériau augmente trop rapidement, le matériau risque de ne pas avoir le temps de subir une déformation plastique et de se rompre brusquement, même s'il est qualifié de matériau "ductile". Par conséquent, un taux de charge plus lent permet généralement au matériau de montrer sa ductilité dans une plus large mesure. Enfin, l'historique des contraintes et des déformations du matériau a également de l'importance. Des charges et décharges répétées ou des conditions de contrainte fluctuantes peuvent conduire à un phénomène connu sous le nom de "fatigue", qui entraîne des dommages structurels progressifs et localisés. Ces dommages peuvent, avec le temps, entraîner une rupture ductile, même dans des conditions de contrainte bien inférieures à la limite d'élasticité du matériau. En résumé, les principaux facteurs qui influencent la rupture ductile sont les suivants :
    • Propriétés du matériau
    • la température
    • La taille et l'orientation des grains
    • La vitesse de chargement
    • L'historique de la contrainte et de la déformation du matériau

    Influence des propriétés du matériau et des forces extérieures

    Nous allons maintenant approfondir les deux principaux facteurs d'influence : les propriétés mécaniques du matériau et les forces extérieures. Du point de vue des propriétés d'un matériau, la ténacité est une caractéristique importante qui dénote la capacité d'un matériau à absorber l'énergie avant de se fracturer. Mathématiquement, la ténacité (\(T\)) est donnée par la surface sous la courbe contrainte-déformation (\(\sigma - \epsilon\)) : \[ T = \int_0^{\varepsilon_f} \sigma \, d\varepsilon \] où \(\varepsilon_f\) est la déformation à la rupture. Les matériaux à forte ténacité sont plus susceptibles de subir une fracture ductile, étant donné leur capacité à supporter de grandes déformations plastiques sans se rompre. Au contraire, les matériaux à faible ténacité peuvent se briser soudainement, subissant une fracture fragile malgré leur nature potentiellement "ductile". Deuxièmement, les limites d'élasticité et de résistance à la traction sont également cruciales. Les matériaux ayant une limite d'élasticité élevée peuvent supporter des contraintes importantes sans subir de déformation permanente, ce qui réduit leurs chances de fracture ductile. De même, une résistance élevée à la traction implique qu'un matériau peut supporter des charges de traction importantes sans se rompre, ce qui le rend résistant à la rupture ductile. En outre, la dureté a également des implications pour la rupture ductile. Les matériaux plus durs peuvent mieux résister à la déformation plastique et sont donc plus résistants à la rupture ductile. Cependant, une dureté excessive peut rendre un matériau plus fragile, augmentant ainsi la probabilité d'une fracture fragile. La ductilité et la malléabilité, qui représentent la capacité d'un matériau à se déformer sous l'effet de forces de traction et de compression respectivement, influencent également la propension à une fracture ductile. Les matériaux présentant une ductilité élevée sont plus susceptibles de subir une fracture ductile à la suite d'une déformation importante sous une contrainte de traction. En examinant les facteurs externes, le taux de chargement et l'historique des contraintes sont dignes d'intérêt. Si un matériau est chargé trop rapidement ou soumis à des contraintes fluctuantes au fil du temps, sa nature ductile peut ne pas être pleinement réalisée, ce qui entraîne une rupture prématurée et soudaine. En outre, la température peut influencer de manière significative le comportement de rupture ductile d'un matériau. À basse température, les matériaux peuvent devenir plus fragiles et sujets à des défaillances soudaines. Inversement, à des températures élevées, les matériaux sont plus susceptibles de subir une déformation plastique substantielle avant de se rompre. En conclusion, les propriétés des matériaux et les forces externes jouent un rôle essentiel pour déterminer si et quand une fracture ductile se produira. Une compréhension globale de ces influences est indispensable lorsqu'il s'agit de prédire et de gérer les défaillances des matériaux dans divers domaines de l'ingénierie.

    Caractéristiques de surface de la rupture ductile

    L'aspect extérieur ou les "caractéristiques de surface" d'une fracture peuvent offrir des indices cruciaux sur le type et le mécanisme de la fracture. Dans le contexte d'une fracture ductile, certaines caractéristiques distinctives peuvent être observées à la surface, qui constituent collectivement les "caractéristiques de surface" d'une fracture ductile.

    Caractéristiques distinctives des surfaces de fractures ductiles

    Lorsque tu rencontres une fracture ductile dans le domaine de l'ingénierie, certains traits caractéristiques peuvent la distinguer d'une fracture fragile. Comprendre ces caractéristiques de surface distinctives peut grandement faciliter l'identification et l'analyse des fractures. Tout d'abord, la surface typique d'une fracture ductile présente un aspect terne ou fibreux - un contraste frappant avec la surface brillante ou granuleuse que l'on observe dans le cas d'une fracture fragile. Cet aspect terne résulte de la déformation plastique importante qui précède une fracture ductile, où les vides et les déformations microscopiques entraînent une texture de surface inégale et fibreuse. Passons maintenant à la topographie. Tu peux remarquer une caractéristique particulière appelée "marques de plage" ou "marques de coquille" sur la surface d'une fracture ductile, en particulier lorsque la fracture s'est produite dans des conditions de charge cyclique. Ces anneaux ou ondulations concentriques, qui ressemblent à une carte topographique, partent du point d'initiation de la fracture et s'étendent vers l'extérieur. Chaque anneau marque la progression du front de fracture à chaque cycle de chargement, fournissant ainsi une chronologie de la progression de la fracture. La direction d'observation ajoute une autre couche aux caractéristiques de signature d'une fracture ductile. Dans le cas d'une fracture fragile, la surface de la fracture est la même quelle que soit la direction à partir de laquelle tu l'observes. En revanche, la surface d'une fracture ductile présente un aspect directionnel - lorsqu'elle est observée sous différents angles, son apparence diffère. Dans la région centrale ou "zone d'origine", où la fracture prend naissance, la surface présente souvent des motifs de fossettes indiquant comment les vides microscopiques se sont regroupés pour former la fracture. En rayonnant à partir de la région centrale, tu peux trouver des motifs en forme de veines connus sous le nom de "lèvres de cisaillement". Ces motifs résultent de la déformation et de la rotation intenses des éléments matériels, qui se produisent surtout sur les bords extérieurs de la surface de fracture. En résumé, les traits caractéristiques d'une surface de fracture ductile sont les suivants :
    • Aspect terne ou fibreux
    • Marques de plage ou de coquille
    • Aspect directionnel
    • Motifs de fossettes dans la zone d'origine
    • Lèvres de cisaillement rayonnant à partir de la région centrale

    Comment se présente une surface de rupture ductile et pourquoi ?

    Après avoir identifié les principales caractéristiques, cherchons maintenant à comprendre pourquoi une surface de fracture ductile apparaît comme elle le fait. En commençant par l'aspect terne ou fibreux, il s'agit d'une manifestation de la déformation plastique que le matériau subit avant de se fracturer. Lorsqu'un matériau ductile est soumis à une contrainte, il se déforme intérieurement - les atomes se déplacent, des vides se forment et s'agrandissent, et finalement, ceux-ci s'alignent le long du plan de contrainte de cisaillement maximale, formant une surface de fracture très déformée et irrégulière. Les marques de plage ou de coquille observées sont le résultat d'une charge cyclique. Dans les situations impliquant des chargements et déchargements répétés ou des conditions de contrainte fluctuantes, la fracture ne se produit pas en une seule fois. Au contraire, elle progresse de façon incrémentielle à chaque cycle de chargement, approfondissant la fissure petit à petit jusqu'à ce que le matériau finisse par céder. Chacune de ces marques témoigne donc d'un instant particulier dans le cheminement du matériau vers la rupture. En ce qui concerne l'aspect directionnel, il est dû à l'anisotropie introduite par le processus de déformation plastique, où des niveaux variés de déformation se produisent le long de différents plans et directions au sein du matériau. Ce processus donne lieu à une surface de rupture inégale dont l'apparence varie en fonction de l'angle sous lequel elle est observée. Les motifs de fossettes et les lèvres de cisaillement sont les manifestations microscopiques et macroscopiques du processus de formation et de coalescence des vides. Les vides microscopiques se combinent pour former des cavités plus grandes ou des "fossettes" - signes évidents de la lutte du matériau sous la contrainte. À mesure que ces vides se développent et s'étirent sous l'effet d'une contrainte continue, ils forment des lignes de fracture étendues ou "lèvres de cisaillement", en particulier sur le bord extérieur de la surface de fracture où la contrainte de cisaillement est la plus importante. Tout comme le chef-d'œuvre d'un peintre témoigne de son talent, les caractéristiques distinctives d'une surface de fracture ductile témoignent de la série d'événements qui ont conduit à la fracture. Elles constituent l'épine dorsale de la science médico-légale des matériaux et de l'analyse des défaillances, où il est tout aussi important de comprendre pourquoi un matériau s'est rompu que de savoir comment il s'est rompu. La capacité à lire ces signes sur la surface d'une fracture ductile est une compétence essentielle pour un ingénieur, car elle permet de tirer des leçons des défaillances passées afin de prévenir les défaillances futures.

    Fracture ductile - Principaux points à retenir

    • Définition et interprétation de la fracture ductile : La fracture ductile tend à se produire après qu'un matériau ait dépassé sa résistance ultime à la traction, subissant une déformation plastique avant de se rompre. Elle présente des signes précoces de défaillance, tels que la déformation et le "collet", et est observée dans des matériaux tels que l'aluminium ou les câbles à usage intensif soumis à une contrainte de traction.
    • Mécanisme de la rupture ductile : La rupture ductile implique deux étapes principales - la déformation plastique où un matériau change de forme sous l'effet d'une contrainte sans se rompre, puis la rupture proprement dite. Cette déformation entraîne la création de vides microscopiques, ou microvides, dans le matériau, qui se développent, fusionnent et forment des fissures, conduisant à la rupture.
    • Facteurs affectant la rupture ductile : Les propriétés du matériau, notamment sa limite d'élasticité, sa résistance ultime à la traction, sa ductilité, sa malléabilité, sa dureté, la taille et l'orientation de ses grains, et l'historique des contraintes et des déformations, jouent un rôle important dans la détermination de l'apparition d'une fracture ductile. Des facteurs externes tels que la température et la vitesse de chargement ont également un impact significatif sur la susceptibilité d'un matériau à la rupture ductile.
    • Signes de fracture ductile : La fracture ductile est connue pour certains signes tels que la déformation irrégulière, le "collet" microscopique et macroscopique, et la phase finale "coalescence des vides". De plus, une surface de fracture ductile est souvent caractérisée par un aspect terne ou fibreux.
    • Rôle des paramètres de la mécanique de la rupture : Importance de paramètres tels que le déplacement d'ouverture de la pointe de la fissure (CTOD) et le rayon de la pointe de la fissure dans l'évaluation des fractures ductiles. Ces paramètres fournissent des indications précieuses sur les contraintes subies par un matériau juste avant la rupture ductile.
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    Questions fréquemment posées en Fracture ductile
    Qu'est-ce qu'une fracture ductile?
    Une fracture ductile est un type de rupture où le matériau subit une déformation importante avant de se séparer. Cela se produit souvent dans des matériaux comme les métaux.
    Quels sont les signes d'une fracture ductile?
    Les signes d'une fracture ductile incluent une grande déformation plastique et un aspect de surface rugueuse et fibrée à l'endroit de la rupture.
    Pourquoi la fracture ductile est-elle importante en ingénierie?
    La fracture ductile est importante en ingénierie car elle permet de prévoir et de prévenir des défaillances catastrophiques en observant la déformation plastique.
    Quels matériaux sont propices à la fracture ductile?
    Les matériaux propices à la fracture ductile incluent les métaux comme l'acier doux, l'aluminium et le cuivre, qui peuvent absorber beaucoup d'énergie avant de se rompre.

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