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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 ;
- Les matériaux composites.
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Chapitre 1 : Classes des matériaux Sciences des matériaux
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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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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Chapitre 1 : Classes des matériaux Sciences des matériaux
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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