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 ;

- Les matériaux composites.

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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).

Ils sont souvent connus par leur marque de fabrique : Poly méthacrylate de méthyle (PMMA :

Plexiglas), le polyamides (PA : Nylons) et le polytétrafluoroéthylène (PTFE : Téflon).

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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 Sio2, 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 :

Les céramiques traditionnelles

Elles regroupent les ciments, les plâtres… et les produits à base de silice (Sio2).

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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 ;

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

composite.

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Chapitre 1 : Classes des matériaux Sciences des matériaux

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

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.

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Chapitre 1 : Classes des matériaux Sciences des matériaux

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

Table périodique des élémentsGroupe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

I II III IV V VI VII VIIIPériode

11H

2He

23Li

4Be

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

311Na

12Mg

Métaux de transition 13Al

14Si

15P

16S

17Cl

18Ar

419K

20Ca

21Sc

22Ti

23V

24Cr

25Mn

26Fe

27Co

28Ni

29Cu

30Zn

31Ga

32Ge

33As

34Se

35Br

36Kr

537Rb

38Sr

39Y

40Zr

41Nb

42Mo

43Tc

44Ru

45Rh

46Pd

47Ag

48Cd

49In

50Sn

51Sb

52Te

53I

54Xe

655Cs

56Ba

*71Lu

72Hf

73Ta

74W

75Re

76Os

77Ir

78Pt

79Au

80Hg

81Tl

82Pb

83Bi

84Po

85At

86Rn

787Fr

88Ra

**103Lr

104Rf

105Db

106Sg

107Bh

108Hs

109Mt

110Ds

111Uuu

112Uub

113Uut

114Uuq

115Uup

116Uuh

117Uus

118Uuo

Lanthanides *57La

58Ce

59Pr

60Nd

61Pm

62Sm

63Eu

64Gd

65Tb

66Dy

67Ho

68Er

69Tm

70Yb

Actinides **89Ac

90Th

91Pa

92U

93Np

94Pu

95Am

96Cm

97Bk

98Cf

99Es

100Fm

101Md

102No

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Séries chimiques du tableau périodique

Métaux alcalins Métaux alcalino-terreux Lanthanides ActinidesMétaux de transition

Métaux pauvres Métalloïdes Non-métaux Halogène Gaz rares

6

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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

Matériaux

Acier Alliage

d’aluminium

Bronze

Nylon

caoutchouc

Fibres de

verre

Fibres de

carbone

en kg/m3 7800

2700 8900 1100

1000 2500 1750

Propriétés électriques

Type de matériau

Résistivité en Ohm.cm

Comportement électrique

Polystyrène Nylon Verre

10-17

10-14

10-10 ISOLANT

Silicium pur 106 SEMI CONDUCTEUR Alliages ferreux

Aluminium cuivre

1017

3 1017

1,5 1017 CONDUCTEUR

Propriétés thermiques

Type de matériau

Conductibilité W/m/C°

Comportement thermique

Nylon Verre

0.2 1

ISOLANT

Fer Aluminium

Cuivre

62 210 380

CONDUCTEUR

Département génie mécanique

ISET DE SOUSSE

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Sciences des

matériaux

GM1. TD n° 1 : Les classes des matériaux

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 surface1. 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:Les matériaux peuvent être classés en 4 catégories : les métaux, les polymères ; les céramiques et les composites.

1. Donner les principales propriétés des matériaux composites.2. Donner une application dans laquelle on introduit les matériaux composites.3. Justifier le choix de ce matériau.

Exercice 4:

Fourche de vélo de course

1. Quels sont les principaux paramètres à prendre en compte dans la conception d’une bicyclette (Fig.1)

2. 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

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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