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Matériau

Introduction

Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et mise en œuvre en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'un usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) spécifique. La nature chimique, la forme physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) (phases en présence, granulométrie et forme des particules, par exemple), l'état de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec...), des différentes matières premières qui sont à la base des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) confère à ceux-ci des propriétés particulières. On distingue ainsi quatre grandes familles de matériaux :

Les grandes classes de matériaux. Les matériaux minéraux sont des roches, des céramiques ou des verres. Les matériaux métalliques sont des métaux ou des alliages de métaux.

Exemples

Voici quelques exemples de matériaux :

  • Bois
  • Papiers et cartons
  • Chaux
  • Céramiques, verres
  • Matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) plastique, silicones
  • Métaux et alliages métalliques
  • Matériau composite (Le matériau composite est un assemblage d'au moins deux matériaux non miscibles (mais ayant une forte capacité d'adhésion). Le nouveau matériau ainsi constitué possède des propriétés que les éléments seuls ne...) comme les bétons
  • Pierre
  • Plâtre (Le plâtre est un matériau de construction ignifuge. Il est utilisé sous forme de pâte constituée d'un mélange de poudre et d'eau, ou préparé sous forme de plaques. La matière première est, à...)
  • Pigment
  • Sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites particules provenant de la désagrégation d'autres roches dont la dimension est comprise entre 0,063 et 2...)
  • Polystyrène
  • Colle (Une colle ou la glu est un produit de nature liquide ou gélatineuse servant à lier des pièces entre elles. Ces pièces peuvent être de même nature ou de...)

Caractéristiques des matériaux

Un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison...) peut être caractérisé selon de nombreux paramètres : caractérisation des matériaux

  • Sa contrainte (souvent notée en sigma, son unité est le Pascal. Voir Tenseur des contraintes).
  • Sa déformation (voir Tenseur des déformations).

La contrainte est proportionnelle à la déformation, le facteur de proportionnalité (On dit que deux mesures sont proportionnelles quand on peut passer de l'une à l'autre en multipliant par une constante appelée coefficient de proportionnalité.) est noté E et appelé module d'élasticité (ou module de Young).

  • contrainte = (Module d'élasticité) × (déformation)

Propriétés physiques

  • Masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité choisie : c'est...).

Les matériaux à masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave)....) volumique importante sont utilisés à la fabrication de contre-poids (équilibrage), volants d'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en mouvement rectiligne uniforme (se déplaçant sur une droite à vitesse constante) n'est soumis à...), etc.
Ceux à faible masse volumique sont utilisés dans l'aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de faire évoluer un aéronef dans l'atmosphère terrestre.) par exemple.

  • Coefficient de dilatation (Les coefficients de dilatation mesurent l'augmentation relative de volume d'un système lorsque l'on ne fait varier qu'un seul paramètre, en général la pression ou la température.).

Entre en jeu, par exemple pour des matériaux soumis à des écarts de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) importants.

  • Chaleur massique (La chaleur massique (symbole c ou s), qu'il convient d'appeler capacité thermique massique[1] est déterminée par la quantité d'énergie à apporter par échange thermique pour élever d'un degré la température de...).

Utilisés dans les accumulateurs thermiques des habitations.

  • Température de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une...).

Matériaux appelés à fondre (fusibles)

  • Module de Young
  • Coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un...) de Poisson (Dans la classification classique, les poissons sont des animaux vertébrés aquatiques à branchies, pourvus de nageoires et dont le corps est le plus...)
  • Aspect du produit
  • Surface.
  • Couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).).
  • Conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction. Cette constante apparaît par exemple...), conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du courant électrique.)
  • Porosité, perméabilité

Voici quelques caractéristiques physiques des matériaux : solidité, dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et pour l'eau.), couleur, poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé de la résultante des...), rigidité et forme.

Coût

En général, pour une application donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.), plusieurs matériaux ou combinaisons de matériaux sont susceptibles de répondre au cahier des charges (Un cahier des charges est un document visant à définir exhaustivement les spécifications de base d'un produit ou d'un service à réaliser. Outre les spécifications de...). Le concepteur (Un concepteur est une personne qui imagine et réalise quelque chose. Ce mot vient du verbe concevoir.), l'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation et à la mise en œuvre de produits, de...) et l'architecte (L'architecte est le professionnel du bâtiment dont la fonction est de concevoir et de diriger la réalisation d'une œuvre d'architecture pour le compte d'un propriétaire...) sont donc amenés à rechercher le meilleur rapport coût/fonctions remplies.

Matériaux et Ingénierie technique

La place du matériau en ingénierie technique

L'ingénierie technique a pour objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette...) de transformer un produit brut en un produit possédant une fonction souhaitée par l'utilisateur. Cette transformation, ici la conception mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un...), est sujette à 4 interactions fondamentales :

  • La fonction
  • Le matériau
  • La géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les...)
  • Le procédé

La "fonction de service" est modélisée sous la forme d'un "système technique" qui représente chaque petite partie d'un mécanisme. Elle est issue d'un cahier des charges. On fait ensuite appel à une "analyse de la valeur (L'analyse de la valeur (AV) est une méthode née aux USA juste à la fin de la deuxième guerre mondiale grace aux efforts de M Larry Miles, ingénieur à la General Electric qui devait...)" de chacune des parties afin d'évaluer les objectifs d'optimisation.

L'ingénierie des matériaux s'intéresse aux propriétés mécaniques (résistance des matériaux), à leur comportement sous l'action de forces et contraintes extérieures. Pour cela, on dispose d'un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de lois de la physique que l'on appelle Lois de comportement (de la statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :), de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :)...). En résistance des matériaux, la géométrie intervient toujours dans ces lois de comportement. L'ingénierie des matériaux s'intéresse maintenant de façon courante aux autres caractéristiques : physiques, thermiques, électriques, environnementales, sécuritaires et économiques.

Enfin, comme il faut transformer le matériau, la prise en compte du procédé est incontournable. La difficulté à ce stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.) est qu'il en existe de nombreux et dont les caractéristiques sont très différentes : mouler, extruder, souffler ; usiner à la fraise, au fil, à l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), au laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...), à l'acide ; meuler, polir, éroder, électroformer ; forger, couler, fritter ; découper, emboutir...

Dans chacune de ces étapes, le matériau est central, car il est, in fine, l'objet ou le support d'un service.

Le classement des matériaux en conception

On recense environ 80 000 matériaux utilisés en constructions diverses et, pour mieux se repérer, les matériaux sont souvent regroupés en six à huit familles (selon les références) :

  • Céramiques (SiC, AlO, ZrO, diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui cristallise dans le système cristallin...), ciment (Le ciment (du latin caementum, signifiant moellon, pierre de construction) est une matière pulvérulente, formant avec l’eau ou avec une solution saline une pâte plastique liante, capable...), béton…)
  • Métaux ferreux (aciers fortement et faiblement alliés, fontes)
  • Métaux non-ferreux (alliages d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.), de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à...), de nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.), de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.), de zinc…)
  • Polymères thermoplastiques
  • Polymères thermodurcissables
  • Élastomères et mousses (silicone, EPDM, gomme de nitrile (en), polyuréthane…)
  • Verres
  • Composites et naturels (bois, stratifié…)

Pour des besoins de distinction des propriétés spécifiques et/ou d'une garantie sur ces propriétés, certaines références distinguent les céramiques poreuses (béton, briques), les polymères techniques (PMMA)…, ou même la destination de leur usage (normes américaines AISI, ASTM, internationales ISO, européennes EN…), ou encore la performance qu'apporte le matériau à la fonction souhaitée.

Pour éviter une distinction en classes et en sous-classes moyennement fructueuse (car redondantes entre les systèmes), des outils de sélection des matériaux (CES3 de Cambridge, FuzzyMat de Grenoble…) ont été élaborés. Ils permettent d'intégrer aisément les nouvelles avancées de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) en nanomatériaux et d'intégrer leurs propriétés physiques (microscopiques) tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait particulières ainsi que leur condition de transformation. Ils permettent d'intégrer la contrainte (ou fonction) environnementale d'une manière dynamique plutôt que réglementaire.

Le classement des matériaux pour le calcul

En général, on différencie les matériaux ductiles et les matériaux fragiles et un grand nombre de lois bien connues de la mécanique s'appliquent. Le cas des polymères est un cas à part, car à température ambiante, on peut avoir différents états de la matière et donc différentes lois applicables selon la nature du polymère. En effet, à température ambiante ou à quelques dizaines de degrés Celsius, on peut rencontrer l'état fondu, caoutchoutique, vitreux ou semi-cristallin. Ce n'est pas le cas des métaux qui sont plutôt stables à quelques centaines de degrés près. Pour étudier avec suffisamment de certitude la bonne utilisation d'un polymère, on considère tout d'abord les 2 grandes catégories, où les élastomères sont inclus :

  • Thermodurcissables (noté TD) : obtenus par réaction de polymérisation, en général irréversible, donc non-recyclables (insolubles et infusibles)
  • Thermoplastiques (noté TP) : classés en 4 catégories (du moins cher au plus cher) :
    • Polymères de grande diffusion : polyéthylène PE, polypropylène PP, polychlorure de vinyl PVC, polystyrène PS, poly-éthylène-théréphtalate PET
    • Polymères intermédiaires : acrylonitrile, butadiène, styrène, ABS (ABS est un sigle qui désigne :), PMMA, acétate de cellulose
    • Polymères techniques : polyamide PA, polycarbonate PC, polyoxyde de diphénylène PPO
    • Polymères de spécialité :
      • polysulfurés : polysulfone PSU
      • polyfluorés : polyvinylidène PVDF, téflon PTFE;
      • silicones

Pour une utilisation technique (calcul et caractéristiques physiques), on classe les polymères selon les caractéristiques de leurs monomères (molécule primaire du poly-mère avant réticulation) :

  • Semi-cristallins (50 % de la production) : polyoléfines (PE, PP), polyesters et polyamides (PEST, PA); polyuréthanes (PU), polymères fluorés (PTFE, PCTFE, PVFD);
  • Amorphes : polymères chlorés (PVC), cellulosiques (acétate, acéto-butyrate), silicones (SAN), polyacryliques (PMMA, PAN), styréniques (SAN,SB,ABS), polycarbonates (PC);
  • Elastomères : polyisobutylène, caoutchouc butyle, butadiène styrène (SBR), butadiène acrylonitrile (NBR), néoprène polychloroprène, éthylène propylène (EPR), silicone (Les silicones, ou polysiloxanes, sont des composés inorganiques formés d'une chaine silicium-oxygène (...-Si-O-Si-O-Si-O-...) sur laquelle des groupes se...), polyphosphazènes;
  • Thermo-durs (utilisation en dessous de la température de transition vitreuse): phénoplastes, aminoplastes, polyesters insaturés, polyépoxydes (EP), polyuréthanes (PU), polyimides (PI), silicones.

Cette classification peut paraître indigeste, mais les distinctions à l'échelle microscopiques sont les suivantes :

  • Amorphe (ou fondu) : les chaînes de polymère reposent les unes sur les autres et leur distribution est statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode statistique à un ensemble de...) (gaussienne);
  • Elastomère (ou gel) : les chaînes possèdent des points de réticulation (liaisons fortes)
  • Thermo-durs : les chaînes sont constituées de molécules tri- ou tétra- fonctionnelles (liaisons fortes sur 3 axes);
  • Semi-cristallins : des morceaux de chaînes sont cristallisées et d'autres morceaux sont amorphes de façon alternée.
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