Généralités sur les Matériaux Dr. Yousra Abdallah Polytech Intl Spécialité Génie Industriel Niveau: 2ème Année Dr.Yousra Abdallah 2020/2021 1 Généralités sur les matériaux Un matériau désigne toute matière utilisée pour réaliser un objet au sens large. Ce dernier est souvent une pièce d'un sous-ensemble. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et mise en ouvre en vue d'un usage spécifique. Derrière toutes inventions technologiques se trouvent les matériaux Substance quelconque utilisé pour la construction des objets, machine, bâtiment etc. Il ne faut pas confondre le matériel ( qui est façonné par l’homme) et matériau ( qui sert à fabriquer cet objet) 2 Dr. Yousra Abdallah – 2020/2021 I. Les grandes familles des matériaux 3 Dr. Yousra Abdallah – 2020/2021 I. Les grandes familles des matériaux 1. Matériaux Métalliques 1.1 Matériaux Métalliques: Ferreux Les aciers et les fontes sont les alliages du fer et du carbone avec éventuellement des éléments d'addition (aciers alliés). Ils sont peu coûteux (le fer, métal de base le moins cher, existe en grande quantité sur la planète) et sont facilement recyclable. 1.2 Matériaux Métalliques: Non Ferreux Tous les métaux et alliages qui ne contiennent pas de fer sont appelés métaux non-ferreux. On répartit généralement ces métaux non-ferreux en métaux lourds (masse volumique > 4 kg/dm3) et métaux légers (masse volumique p < 4 kg/dm3. Ils sont pour la plupart non magnétiques. Exemple: Cu, Alliage de cuivre, Pb, Al, Ag, etc Mme Yousra Abdallah - 2019/2020 4 I. Les grandes familles des matériaux 2. Matériaux Organiques Les matériaux organiques ou polymères organiques : matériaux constitués de molécules formant de longues chaines de carbone, matériaux faciles à mettre en oeuvre, ils supportent rarement des températures supérieures à 200 °C. Ce sont des matériaux d'origine animale, végétale ou synthétique : bois, coton, laine, papier, carton, matière plastique,caoutchouc, cuir, etc. Ce sont presque toujours des isolants thermique et électrique ; 2.1 Polymères a) Les thermoplastiques peuvent être dissous dans certains solvants et se ramollissent à la chaleur d'où le terme « thermoplastique » (bougie) b) Les thermodurcissables sont des matières plastiques qui sous l'action de la chaleur, se durcissent progressivement pour atteindre un état solide irréversible. Ces matières ne peuvent être recyclées.(œuf) 2.2 Elastomères Un élastomère est un polymère présentant des propriétés « élastiques », obtenues après réticulation. Il supporte de très grandes déformations avant rupture. Le terme de caoutchouc est un synonyme usuel d'élastomère. Le caoutchouc naturel est resté longtemps le seul élastomère connu. Mme Yousra Abdallah - 2019/2020 5 I. Les grandes familles des matériaux 3. Matériaux inorganiques 3.1 Les céramiques Une céramique est un objet en argile cuite. La céramique est le matériau, ou bien la technique qui permet de le confectionner. Par extension, de nombreux matériaux contemporains non métalliques et inorganiques entrent dans le champ des céramiques techniques. Parmi les produits que nous considèrerons à base de céramiques, ont retrouve : •La vaisselle ; •Les produits sanitaires (toilettes, bidets, lavabos, etc.) ; •Les poteries ; •Les isolateurs électriques ; •Etc. Mme Yousra Abdallah - 2019/2020 6 A. Les matériaux non métalliques I.1 Les céramiques 7 Dr. Yousra Abdallah – 2020/2021 Les céramiques 8 I. Les grandes familles des matériaux 3. Matériaux inorganiques 3.2 Les verres Le verre est un solide transparent donc amorphe. Le verre est utilisé pour ses propriétés optiques ainsi que pour ses autres propriétés similaires aux céramiques. Le verre est essentiellement constitué de silicate SiO₂. Le verre (contrairement à la céramique) devient ductile au fur et à mesure qu’il est exposé à la chaleur. Le passage de l’état solide à l’état liquide est appelé transition vitreuse. Ainsi, selon le procédé utilisé, le verre n’a pas à être fondu complètement pour être mis en forme. Le point de fusion de la silice est d’environ 1800 °C, mais il peut être abaissé en ajoutant des adjuvants. Cela permet de souffler du verre dans un moule, de le former par compression et même de le couler. Mme Yousra Abdallah - 2019/2020 9 3.2 Matériaux inorganiques : Les verres Le verre 10 3.2 Matériaux inorganiques : Les verres 11 I. Les grandes familles des matériaux 3. Matériaux inorganiques : Les céramiques et Les verres Les matériaux non métalliques et non organiques , les céramiques et les verres sont des matériaux qui: a) Résistent à des températures très élevées b) Résistent à la corrosion c) Résistent aux frottement d) Mais sont très fragiles 12 Généralités sur les matériaux II. Les propriétés recherchées des matériaux 13 Dr. Yousra Abdallah – 2020/2021 Généralités sur les matériaux II. Les propriétés recherchées des matériaux 1. Quelques notions de propriétés mécaniques des matériaux 1. Rigide ( Rigidité ) : un matériau est dit rigide s’il garde sa forme et ne se déforme pas 2. Ductile: c’est un matériau qui peut être allongé , étendu et étiré sans se rompre. 3. Ductilité : c’est la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre 4. Dure (Dureté): un matériau est dit dure s’il est résistant à la pression, au choc et à l’usure 5. Fragile ( Fragilité): c’est un matériau qui se brise et se casse facilement 6. Tenace : c’est un matériau qui résiste à la propagation de la fissure 7. Ténacité: la quantité d’énergie absorbé par un matériau avant de se rompre 8. Souple: un matériau est dit souple si on peut le plier et replier facilement sans le détériorer ni le casser 14 Dr. Yousra Abdallah – 2020/2021 Généralités sur les matériaux II. Les propriétés recherchées des matériaux 2. Quelques notions de propriétés chimiques des matériaux 1. La corrosion affecte tous les matériaux : Métalliques – organiques (polymères) et minéraux (céramiques). La corrosion est une dégradation ou transformation du matériau et de ses propriétés par réaction physico-chimique avec l’environnement. La CORROSION traduit donc L’INTERACTION entre la SURFACE d’un MATERIAU et son ENVIRONNEMENT 2. L’oxydation c’est une réaction chimique entre deux corps par transfert d’électrons. Le corps qui libère des électrons est oxydé et est nommé le réducteur de la réaction. L’oxydation d'un corps s'accompagne toujours de la réduction d'un autre (les électrons ne peuvent pas se balader tous seuls et sont nécessairement captés). 15 Dr. Yousra Abdallah – 2020/2021 Généralités sur les matériaux III. Les propriétés recherchées des matériaux 3. Quelques notions de propriétés physiques des matériaux 1. Dilatation thermique: c’est l’expansion volumique d’un corps provoquée par un réchauffement à une pression constante. 2. Conductivité thermique= conductibilité: c’est l’aptitude d’un matériau à transférer la chaleur, un transfert par conduction 3. Conductivité électrique: c’est l’aptitude d’un matériau à transférer l’électricité 4. La masse volumique d'une substance, aussi appelée densité volumique de masse, est une grandeur physique qui caractérise la masse de cette substance par unité de volume. C'est l'inverse du volume massique. 16 Dr. Yousra Abdallah – 2020/2021 Généralités sur les matériaux III. Les performances recherchées des matériaux Reproductibilité Fiabilité Durabilité Efficacité Coût Absence de nocivité Capacité de recyclage Notion de cycle de vie 17 Dr. Yousra Abdallah – 2020/2021 Propriétés mécaniques des matériaux 18 Dr. Yousra Abdallah – 2020/2021 Distribution des modules de Young selon les différentes classes des matériaux 19 Distribution des modules de Young selon les différentes classes des matériaux 20 Propriétés selon les différentes familles des matériaux 21 Les matériaux combinés : les composites • Définition : Un composite est constitué de l'assemblage de plusieurs matériaux non miscibles de natures différentes, et dont les qualités complémentaires permettent des performances supérieures à celles de chacun de ses composants. Un matériau composite est composé : o Du renfort, qui constitue l'ossature de la pièce, et supporte l'essentiel des contraintes o De la matrice, qui assure la liaison de l'ensemble, répartit les efforts, et protège les renforts 22 Matériau composite • Structure : Matrice Renfort Zone d’interface Dr. Yousra Abdallah – 2020/2021 Les matériaux combinés : les composites Les avantages des composites sur les métaux Les matériaux composites présentent des avantages indéniables par rapport aux alliages et métaux classiques parmi lesquels on peut citer (Viago et Kinzig ,1992) Une flexibilité de conception accrue. Une meilleure tolérance aux dommages : Meilleure résistance aux chocs Meilleure résistance à la fracture Meilleure résistance aux éraflures Une meilleure résistance à la corrosion. Une haute résistance spécifique et rigidité. 24 Les matériaux combinés : les composites Les avantages des composites sur les métaux Un faible coefficient de dilatation thermique. Une meilleure résistance à la fatigue. Des coûts de composants potentiellement plus faibles : Coûts de fabrication réduits Coûts d'assurance qualité Taux de mise à la casse inférieur Une construction intégrale des structures composites Plis minimaux Moins de joints Les dimensions des plis peuvent correspondre au chemin de charge principal 25 Les matériaux combinés : les composites Utilisation industrielle des composites 26 Moulage par compression Exemple Les matériaux combinés : les composites Classifications des composites Les composites peuvent être classés en fonction du type des fibres ou de la matrice utilisée Classification selon le type de la matrice : on peut les classés sur trois grandes catégories composites à matrice métallique (alliages d’aluminium, de titane…) composites à matrice céramique (carbure de silicium, carbone …) composites à matrice polymère (thermoplastiques et thermodurcissable) 28 Les matériaux combinés : les composites Classifications des composites Il existe 3 catégories principales de renforts : Organique : Fibres de verre, d'aramide ... Minéral : Fibre de carbone, de céramiques ... Métallique : Fibre de bore, d'alumine ... Non-tissé bidirectionnel Mat de fibre isotrope 29
