D32 Essais de traction uniaxiale

Topique

Le comportement mécanique complet de la cuticule de l'insecte, depuis le moment où elle commence à se déformer élastiquement jusqu'à sa rupture finale, en passant par l'étape intermédiaire de déformation plastique, ne peut être observé dans son intégralité que par des essais de traction uniaxiaux, qui provoquent l'étirement contrôlé de l'échantillon de cuticule jusqu'à sa rupture, tout en enregistrant sa réponse à chaque instant.

Pour réaliser ce test de traction, les échantillons de cuticules sont préparés en découpant des bandes d'orientation bien définie par rapport aux fibres de chitine qui renforcent le matériau, ce qui permet de comparer la réaction d'une même cuticule lorsqu'on la tire dans le même sens que ces fibres ou dans un sens différent, révélant ainsi l'anisotropie du matériau.

Lors de ce même test de traction, la force appliquée sur la bande de cuticule est mesurée avec une résolution de l'ordre du micronewton, tandis que le déplacement subi par l'échantillon est mesuré avec une résolution de l'ordre du nanomètre, en s'appuyant sur des techniques de microscopie électronique ou de corrélation d'images numériques, et c'est cette combinaison de résolutions aussi fines qui permet de construire une courbe contrainte/déformation complète de la bande de cuticule.

De la partie initiale de cette courbe contrainte/déformation, où la réponse de la cuticule est encore purement élastique et suit une ligne droite, on extrait le module d'Young de l'échantillon, une valeur qui est déterminée directement par la pente de cette ligne droite initiale, ce qui fait que ce module d'Young reflète uniquement la rigidité élastique de la cuticule, sans aucune contribution de la déformation permanente qui viendra plus tard.

Plus tard dans cette même courbe, lorsque la cuticule cesse de se comporter de manière purement élastique et commence à se déformer de façon permanente, la limite d'élasticité de la cuticule est atteinte : tracer une ligne parallèle à la partie élastique initiale mais décalée de seulement deux millièmes en déformation signifie que le point exact où cette ligne déplacée croise à nouveau la courbe réelle de la cuticule est défini, par convention, comme cette limite d'élasticité.

Si la courbe contrainte/déformation continue d'être enregistrée jusqu'à ce que la cuticule se brise finalement, la surface totale enfermée sous toute cette courbe définit la ténacité de la cuticule, une grandeur directement proportionnelle à l'énergie que l'échantillon parvient à absorber avant de se fracturer : cela fait d'un matériau plus résistant, par définition, un matériau capable d'absorber plus d'énergie avant de se briser complètement.

En comparant ces trois grandeurs entre différentes régions de l'insecte, un contraste très marqué apparaît : la cuticule sclérifiée des mâchoires combine une dureté élevée et un module d'Young avec une faible ténacité, ce qui la rend fragile et se brise avec pratiquement aucune déformation préalable, tandis que la cuticule des articulations, renforcée de résiline et de protéines molles, combine une faible dureté avec une haute ténacité, ce qui la fait se comporter de manière ductile et absorber beaucoup d'énergie avant de se briser. pause

La répétition de ces mêmes tests de traction sur une cuticule soumise à différents niveaux d'humidité révèle également que l'eau agit comme un agent plastifiant de la cuticule : à mesure que l'humidité augmente, la cuticule devient moins rigide et plus déformable avant de se briser, ce qui signifie que la teneur en eau finit par être, avec l'orientation des fibres de chitine et la région du corps de l'insecte d'où provient l'échantillon, l'un des facteurs qui déterminent le plus le comportement mécanique complet de la cuticule sous traction.

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