Chap-1-2-Choix Des Matériaux [PDF]

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Chapitre 1 : Classes des matériaux

Sciences des matériaux

Chapitre 1

Classes des matériaux Objectifs  Connaître les diverses classes de matériaux et leurs propriétés  Définir la science des matériaux Sommaire I-

Sciences d es matériaux

II-

Comment définir un matériau ?

III-

Groupes des matériaux III.1 - Les métaux et les leurs alliages : III.2 - Les polymères : III.3 - Les céramiques : III.4 – Les matériaux composites :

IV-

Propriétés des matériaux

V-

Utilisation des matériaux

I-

Sciences des matériaux

La science des matériaux à pour objectif d’établir les relations existantes entre la composition et l’organisation atomique ou moléculaire, la microstructure et les propriétés macroscopiques des matériaux. La science des matériaux est multidisciplinaire car elle fait appel aux connaissances du chimiste et du physicien du coté des sciences de base, et à celles de l’ingénieur (mécanicien, électricien, du génie civil) du côté des applications et des procédés de fabrication. II-

Comment définir un matériau ?

La matière dont est formé le monde qui nous entoure est composée de particules discrètes, ayant une taille submicroscopique. Nous définissons les matériaux comme les solides utilisés par l’homme pour la fabrication d’objets qui constituent le support de son cadre de vie.

III- Groupes des matériaux On distingue habituellement quatre groupes principaux de matériaux : -

Les métaux et leurs alliages ;

-

Les polymères ;

-

Les céramiques et les verres ;

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Les matériaux composites.

III.1 - Les métaux et les leurs alliages : Les métaux les plus utilisés sont le fer, aluminium et le cuivre. Les alliages métalliques sont, en général, les combinaisons de deux ou de plusieurs métaux comme dans le cas des laitons (alliages de cuivre et de Zinc), mais ils peuvent également contenir des éléments non métalliques. Parmi ce type d’alliage on trouve, par exemple, les aciers (alliages fer- carbone).  Aluminium Il pèse environ le tiers de l'acier ou du cuivre (faible densité); il est ductile et facilement usiné et moulé. Il possède une excellente résistance à la corrosion et une grande longévité. Les composants structuraux faits à partir de l'aluminium sont essentiels à l'industrie aérospatiale et très importants dans d'autres secteurs du transport et de la construction où sa faible densité, sa longévité et sa résistance sont nécessaires.  cuivre Le cuivre est un élément chimique, de symbole Cu et de numéro atomique 29. C’est un Métal de couleur rougeâtre, il possède une haute conductivité thermique et électrique. Principaux alliages •

fonte : fer + carbone (à plus de 2,1 % en masse de carbone)

•

acier : fer + carbone (à moins de 2,1 % en masse de carbone) o

acier inoxydable : fer + carbone + chrome, et parfois nickel, molybdène, vanadium

•

bronze : cuivre + étain ;

•

laiton : cuivre + zinc

Les métaux et les leurs alliages sont ordinairement très bons conducteurs de la chaleur et de l’électricité et opaques à la lumière visible. Ils sont le plus souvent durs, rigides et déformables plastiquement.

III.2 - Les polymères : Les polymères sont des matériaux composés de molécules formant en général de longues chaînes d’atome de carbone sur lesquels sont fixés des éléments comme le hydrogène ou le chlore, ou des groupements d’atomes comme le radical méthyle (CH3). D‘autre éléments comme le soufre, l’azote, le silicium, etc., peuvent également intervenir dans la composition de la chaîne. Les polymères les plus connus sont le poly chlorure de vinyle (PVC), le polyéthylène (PE) et le polystyrène (PS).

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Ils sont souvent connus par leur marque de fabrique : Poly méthacrylate de méthyle (PMMA : Plexiglas), le polyamides (PA : Nylons) et le polytétrafluoroéthylène (PTFE : Téflon). Ils sont presque toujours des isolants électrique et thermiques. Ils sont légers et très faciles à mettre en forme. Contrairement aux métaux, ils sont peu rigides et ne supportent pas, la plupart des temps, des températures supérieures à 200°C. Les polymères sont donc l'élément essentiel de nombreux matériaux. Citons notamment : les matières plastiques, qui sont

•

rigides ; •

les adhésifs, qui sont mous ;

•

les élastomères, qui sont élastiques.

Les matières plastiques sont des matériaux de synthèse (La synthèse consiste à créer, à unir, à synthétiser), fondés sur l'emploi des macromolécules (polymères). Les caoutchoucs sont aussi regroupés sous cette appellation. Thermoplastiques Les thermoplastiques se déforment et sont façonnables sous l'action de la chaleur, reprennent leur forme initiale en refroidissant sauf dans le cas de réchauffements répétés. Les plus célèbres sont le PVC (gaines de câble, tubes, etc), le polystyrène (jouets, ustensiles de cuisine, etc), les acryliques, les polyamides. Thermodurcissables Les thermodurcissables prennent leur forme définitive au premier refroidissement, la réversibilité est impossible. Les plus célèbres sont les phénoplastes (bakélite), les polyesters. Les élastomères ou « caoutchoucs » On peut les considérer comme une famille supplémentaire de polymères aux propriétés très particulières. Ils sont caractérisés par une très grande élasticité.

III.3 - Les céramiques : Les céramiques sont des matériaux qui résultent de la combinaison d’un certain nombre d’éléments métalliques (Mg, Al, Fe,…) avec des éléments non métalliques dont le plus courant est l’oxygène. Originalement, le terme céramique était réservé aux oxydes (Silice Sio 2, alumine Al2O3,…). On a de plus en plus tendance à élargir cette classification en y incluant d’autres combinaison d’atomes comme le carbone de tungstène (WC) ou le nitrure de silicium (Si3N4). On cite :

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 Les céramiques traditionnelles Elles regroupent les ciments, les plâtres… et les produits à base de silice (Sio2).  Les céramiques techniques Plus récentes, elles sont soit fonctionnelles, à « usage électrique », soit structurales, à usage mécanique ou thermomécanique. 

Utilisations : fibre optique (silicium), outils de coupe (carbures), joints d’étanchéité, isolants…

Les matériaux céramiques se distinguent par leur caractère réfractaire, càd qu’ils ont des résistances mécaniques et thermiques élevées. La plus part de ces matériaux sont des isolants électriques et thermiques, quoique qu’on trouve parmi les céramiques les meilleurs conducteurs thermiques (exemple : diamant, graphite, etc.). Les céramiques sont en général très dures et très fragiles. Les verres minéraux, qui sont des combinaisons d’oxydes (SiO4+Na2O+CaO) à structure amorphe, appartiennent également à la classe des céramiques.  verre Le verre est un matériau dur, fragile (cassant) et transparent. C'est un solide amorphe (c'est-à-dire non cristallin) composé essentiellement d'oxyde de silicium ou silice (SiO2). Applications du verre Il est utilisé essentiellement en optique pour ses propriétés transparentes (lentilles, vitres, verres de lunette), ainsi qu'en chimie et dans l'industrie agro-alimentaire : il réagit très peu, c'est donc un matériau idéal pour les contenants (bouteilles, pots de yahourt, bechers, colonne de distillation, éprouvettes, tubes à essai...) et les tubes.

III.4 – Les matériaux composites : Les trois types de matériaux peuvent ère combinés pour former des matériaux composites. Un matériau composite est constitué de deux ou plusieurs matériaux différents qui combinent leurs propriétés spécifiques. Ils sont composés d’un matériau de base (matrice ou liant) renforcé par des fibres, d’un autre matériau. En renfort, on utilise la fibre de verre (économique) et la fibre de carbone (plus coûteuse). Exemples  Les résines époxydes (polymère) renforcées par des fibres de verre qui forment un composite léger et à haute résistance mécanique ; Département : Génie Mécanique

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 Le béton, agglomérat de ciment et de gravier, représente un autre exemple de matériau composite.

IV- Propriétés des matériaux Le comportement d’un matériau est caractérisé par sa réaction à une sollicitation. On définit une propriété d’un matériau comme étant la mesure d’un comportement par essai. On peut distinguer trois catégories de propriétés selon le type de sollicitation extérieure :  Les propriétés mécaniques qui reflètent le comportement des matériaux déformés par des systèmes de forces (ductilité, dureté, rigidité, résistance).  Les propriétés physiques qui mesurent le comportement des matériaux soumis à l’action de la température, des champs électriques ou magnétiques, ou de la lumière.  Les propriétés chimiques qui caractérisent le comportement des matériaux soumis à un environnement plus ou moins agressif.

V- Utilisation des matériaux Les critères de choix des matériaux doivent tenir compte des facteurs suivants :  Des propriétés principales de la construction : càd des modes de mise en charge, des températures et conditions générales d’utilisation.  Du comportement intrinsèque du matériau : résistance à la rupture, à l’usure, à la corrosion et conductibilité, etc.  Du prix de revient des diverses solutions possibles. Dans le développement d’une technologie, il est fréquent de substituer un matériau à un autre, soit pour des raisons de performance, soit pour des motifs économiques. Exemples  Carrosserie des voitures automobiles  Bois  Métal  polymère Verre des montres  Verre minéral fragile  Verre organique (polymère)  Céramique

VI- Résumé et conclusion

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Les matériaux jouent un rôle essentiel dans notre société. Tout progrès technologique important est, dans bien des cas, conditionné par l’amélioration des propriétés des matériaux existants, ou par l’apparition de matériaux nouveaux. Les matériaux peuvent être classés en quatre catégories : les métaux, les polymères, les céramiques et les composites. Chaque catégorie de matériaux possède un certain nombre de propriétés spécifiques qui caractérisent leur réponse à l’action des sollicitations auxquelles ils sont soumis. L’un des objectifs de la science des matériaux est de connaître la variation des propriétés en fonction des modifications de la microstructure et de mettre en évidence les phénomènes responsables de ces modifications.

Annexes Symbole chimique des éléments Tableau périodique Groupe 1 I Période 1 1 H 2 3 4 5 6 7

2 II

3

4

Table périodique des éléments 5 6 7 8 9 10 11 12

16 17 18 VI VII VIII 2 He

3 4 Li Be 11 Na 19 K 37 Rb 55 Cs

13 14 15 III IV V

12 Mg 20 21 Ca Sc 38 39 Sr Y 56 71 * Ba Lu

Métaux de transition 22 Ti 40 Zr 72 Hf

23 V 41 Nb 73 Ta

24 Cr 42 Mo 74 W

25 Mn 43 Tc 75 Re

26 Fe 44 Ru 76 Os

27 Co 45 Rh 77 Ir

28 Ni 46 Pd 78 Pt

29 Cu 47 Ag 79 Au

30 Zn 48 Cd 80 Hg

87 88 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 ** Fr Ra Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Uuu Uub 57 La 89 ** Ac

Lanthanides * Actinides

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58 Ce 90 Th

59 Pr 91 Pa

60 Nd 92 U

61 Pm 93 Np

62 Sm 94 Pu

63 64 Eu Gd 95 96 Am Cm

6/7

65 Tb 97 Bk

66 Dy 98 Cf

5 B

6 C

7 N

8 O

9 F

10 Ne

13 Al 31 Ga 49 In 81 Tl

14 Si 32 Ge 50 Sn 82 Pb

15 P 33 As 51 Sb 83 Bi

16 S 34 Se 52 Te 84 Po

17 Cl 35 Br 53 I 85 At

18 Ar 36 Kr 54 Xe 86 Rn

113 114 115 116 117 118 Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo 67 Ho 99 Es

68 69 70 Er Tm Yb 100 101 102 Fm Md No

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Séries chimiques du tableau périodique Métaux de transition

Métaux alcalins Métaux alcalino-terreux Lanthanides Actinides Métaux pauvres

Métalloïdes

Non-métaux Halogène

Gaz rares

Ce tableau est dit périodique car tous les atomes situés dans une même colonne (de 1 à 18), présentent des propriétés chimiques proches. Dans la colonne 1, le lithium Li et le sodium Na ont un comportement chimique proche. L'explication de ce comportement repose sur le fait que le nombre d'électrons de leur couche la plus périphérique est identique. Li et Na ont un seul électron qui circule sur leur couche la plus externe : Or c'est cet électron externe qui sera disponible pour les réactions chimiques avec d'autres atomes. D'où des propriétés chimiques proches et par conséquent leur regroupement. Masse volumique Matériau x

Acie r

Alliage d’aluminium

en kg/m3

7800

2700

Bronze Nylon caoutchouc 8900

1100

1000

Fibres de verre 2500

Fibres de carbone 1750

Propriétés électriques Type de matériau Polystyrène Nylon Verre Silicium pur Alliages ferreux Aluminium cuivre

Résistivité en Ohm.cm 10-17 10-14 10-10 106 1017 3 1017 1,5 1017

Comportement électrique ISOLANT SEMI CONDUCTEUR CONDUCTEUR

Propriétés thermiques Type de matériau Conductibilité W/m/C° Département : Génie Mécanique

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Comportement ISET de Sousse

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thermique Nylon Verre

0.2 1

ISOLANT

Fer Aluminium Cuivre

62 210 380

CONDUCTEUR

Département génie mécanique GM1.

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Exercice 1: La fabrication des verres des montres a subi, au fil des ans, une évolution considérable. On a d’abord remplacé le verre minéral fragile par un verre organique (polymère) résistant à l’impact mais rayable. On revient actuellement, au moins partiellement, à un matériau céramique. Impact : Choc Rayer : faire des raies sur une surface 1. Donner les principales propriétés du céramique. 2. Donner les principales propriétés des matériaux polymères. 3. Expliquer l’évolution de ce matériau pour une telle application.

Exercice 2: 1. Expliquer pourquoi, actuellement on introduit dans la construction automobile, de nombreux polymères organiques.

Exercice 3: 1. 2. 3.

Les matériaux peuvent être classés en 4 catégories : les métaux, les polymères ; les céramiques et les composites. Donner les principales propriétés des matériaux composites. Donner une application dans laquelle on introduit les matériaux composites. Justifier le choix de ce matériau.

Exercice 4:

Fourche de vélo de course 1. 2.

Quels sont les principaux paramètres à prendre en compte dans la conception d’une bicyclette (Fig.1) Quel est le meilleur matériau à utiliser pour fabriquer ce vélo. (Acier ou les polymères renforcées par des fibres de carbone CFRP).

Exercice 5:

Matériaux pour pieds de table

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1. Quels sont les principaux paramètres à prendre en compte dans la conception des pieds de table. 2. Quel est le meilleur matériau à utiliser pour fabriquer ces pieds. (Bois ; Les composites CFRP ; les polymères, les métaux ou les polymères renforcées par des fibres de verre GFRP).

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