Comment s’y retrouver parmi les mythes, discours marketing et conseils du beau-frère quant au matériau idéal pour votre prochain vélo?
Afin de clarifier le sujet et comprendre les critères de choix de matériau dans la conception d’un vélo, nous allons aborder, au cours de la saison, les éléments de design et de fabrication spécifiques aux différents alliages d’aluminium, de titane et d’acier ainsi que les incontournables matériaux composites. Au préalable, il est essentiel de définir les termes utilisés pour caractériser les propriétés de ces matériaux.
La rigidité d’un matériau est la première caractéristique considérée par le concepteur. Aussi nommée module élastique, ou module de Young, elle représente l’énergie nécessaire pour déformer temporairement le matériau. Contrairement à la croyance populaire, pour un même matériau de base, le type d’alliage ou le traitement thermique appliqué n’influe pas sur la rigidité.
Évidemment, le poids d’un cadre est aussi un élément fondamental. Pour ce qui est du matériau, on considère donc sa densité, soit sa masse par unité de volume.
On remarque que le rapport rigidité/densité de l’aluminium, du titane et de l’acier est pratiquement le même, c’est-à-dire 25:1. C’est une des raisons qui expliquent le peu de différence de poids entre les cadres des différents matériaux. Dans le cas des composites, la densité de la fibre elle-même a peu d’intérêt. On comprendra pourquoi lorsqu’on abordera le sujet spécifique des composites.
La résistance d’un matériau est spécifiée pour deux conditions: la limite élastique représente la contrainte maximale qui peut être appliquée sans qu’il y ait déformation permanente du matériau: une contrainte plus grande entraînera une déformation permanente, jusqu’à ce qu’on atteigne la limite de rupture, où le matériau cède. Comme un cadre se doit d’être conçu pour éviter les déformations permanentes, on utilise la limite élastique comme paramètre de conception.
L’élongation, ou ductilité, dénote la capacité d’un matériau à se déformer de façon permanente, avant sa rupture. Le phénomène survient lorsque la contrainte appliquée se situe entre la limite élastique et la limite de rupture. Il s’agit en quelque sorte d’une marge de sécurité. Un morceau de caramel a beaucoup de ductilité; un morceau de verre, pas du tout. Un vélo qui brise comme du verre, voilà ce qu’on veut éviter!
On doit aussi s’assurer que le cadre d’un vélo résiste aux impacts. La ténacité est l’aptitude d’un matériau à absorber l’énergie et à se déformer plastiquement, sans se fracturer. Le phénomène est complexe mais crucial, particulièrement dans le cas des matériaux composites.
Finalement, il est impératif de caractériser la capacité d’un matériau à résister dans le temps, ou sa résistance à la fatigue. La fatigue est le phénomène par lequel une contrainte, si appliquée assez souvent, aussi infime soit-elle, peut faire céder un matériau. La norme européenne EN 14781 définit d’ailleurs un test standard qui permet de garantir la durabilité d’un cadre. Le test est l’équivalent d’un intense effort de pédalage appliqué 100 000 fois!