Matériau - Définition et Explications

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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...) 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...) (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...), 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...) 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 plastique (Une matière plastique ou en langage courant un plastique est un mélange contenant une...), silicones
  • Métaux et alliages métalliques
  • Matériau composite (Le matériau composite est un assemblage d'au moins deux matériaux non miscibles (mais ayant une...) comme les bétons
  • Pierre
  • Plâtre (Le plâtre est un matériau de construction ignifuge. Il est utilisé sous forme de...)
  • Pigment (Un pigment est une substance colorée, naturelle ou artificielle, d'origine minérale ou...)
  • Sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites...)
  • Polystyrène (Le polystyrène (PS en abrégé) est le polymère -(CH2-CH(Ph))n-, obtenu par la...)
  • Colle (Une colle ou la glu est un produit de nature liquide ou gélatineuse servant à lier des...)

Caractéristiques des matériaux

Un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) peut être caractérisé selon de nombreux paramètres : caractérisation des matériaux

  • Sa contrainte (souvent notée en sigma, son unité est le Pascal. Voir Tenseur (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...) est noté E et appelé module d'élasticité (ou module de Young).

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

Propriétés physiques

  • Masse volumique (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par...).

Les matériaux à masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) 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...), 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...) par exemple.

  • Coefficient de dilatation (Les coefficients de dilatation mesurent l'augmentation relative de volume d'un système lorsque...).

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...) importants.

  • Chaleur massique (La chaleur massique (symbole c ou s), qu'il convient d'appeler capacité thermique massique[1] est...).

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...).

Matériaux appelés à fondre (fusibles)

  • Module de Young (Le module de Young ou module d'élasticité (longitudinale) ou encore module de traction...)
  • Coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain...) de Poisson (Dans la classification classique, les poissons sont des animaux vertébrés aquatiques...)
  • Aspect du produit
  • Surface.
  • Couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...).
  • Conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des...), conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se...)
  • Porosité, perméabilité

Voici quelques caractéristiques physiques des matériaux : solidité, dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et...), couleur, poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...), rigidité et forme.

Coût

En général, pour une application donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...), 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...). Le concepteur (Un concepteur est une personne qui imagine et réalise quelque chose. Ce mot vient du verbe...), l'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature...) et l'architecte (L'architecte est le professionnel du bâtiment dont la fonction est de concevoir et de diriger...) 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...) 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...), 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...)
  • 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...)" 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...) 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...), de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...)...). En résistance des matériaux (La résistance des matériaux, aussi appelée RDM, est une discipline particulière...), 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...) 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...), au laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...), 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...), ciment (Le ciment (du latin caementum, signifiant moellon, pierre de construction) est une matière...), 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....), de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...), 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...), 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...) 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...) 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 (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) et donc différentes lois applicables selon la nature du polymère (Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est un...). 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 (Le polyéthylène, ou polyéthène (sigle générique PE), est un des...) PE, polypropylène (Le polypropylène (ou polypropène) isotactique, de sigle PP (ou PPi) et de formule...) PP, polychlorure de vinyl PVC, polystyrène PS, poly-éthylène-théréphtalate PET
    • Polymères intermédiaires : acrylonitrile (L' Acrylonitrile (CH2=CH-C≡N), est un nitrile liquide hautement inflammable d'odeur...), butadiène, styrène (Le styrène est un composé organique aromatique de formule chimique C8H8. C'est un liquide...), ABS (ABS est un sigle qui désigne :), PMMA, acétate de cellulose (L'acétate de cellulose est une matière plastique inventée en 1865. C'est l'ester...)
    • 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 (Le propylène ou propène (nomenclature IUPAC) est un produit chimique organique de formule...) (EPR), silicone (Les silicones, ou polysiloxanes, sont des composés inorganiques formés d'une chaine...), 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....) (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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