Introduction au cours de science des matériaux Les matériaux Matériau = solide utilisé par l’homme pour la fabrication d’objets. Exclus : gaz, liquides, matières énergétiques (charbon, combustibles nucléaires, …) Les matériaux sont en général le facteur limitant des machines définissent le niveau de développement de l’humanité Exemple : âge de pierre, puis de bronze, puis de fer maîtrise de l’acier trains, automobile, … maîtrise des semi-conducteurs informatique moitié de la recherche du programme Apollo : matériaux nouveaux La science des matériaux date des années 1950 avant : procédés empiriques depuis : matériaux élaborés selon les caractéristiques voulues avions, ouvrages d’art, ordinateurs, téléphones mobiles, prothèses, satellites, … Les matériaux Science des matériaux propriétés liaison chimique arrangement atomique microstructure Génie des matériaux : fabrication et mise en forme des matériaux L’utilisation d’un matériau dépend : de ses propriétés de ses ressources de son coût des méthodes de synthèse de sa compatibilité avec l’environnement de la possibilité de mise en forme de son aspect esthétique cours de science des matériaux pas traités dans ce cours Propriétés des matériaux Propriété : Propriétés de volume / propriétés de surface Classes de propriétés : mécaniques : chimiques : électrique : physiques magnétique : optique : thermique : La structure des matériaux pièce cours : « propriétés mécaniques des matériaux » m (100 m) oeil composant cours : « défaillances en service » « corrosion » mm (10-3 m) µm (10-6 m) nm (10-9 m) microstructure (grains/joint de grains) microscopie optique cours : « diagrammes de phase » arrangement atomique cours : « défauts dans les cristaux » microscopie électronique cours : « cristallographie » liaison chimique Å (10-10 m) Fe cours : « la liaison chimique » Fe diffraction / champ proche Les classes de matériaux Métaux et alliages : Exemples : Fe, Cu, Al, acier et fonte (Fe-C), laiton (Cu-Zn), bronze (Cu-Sn), … Solides atomiques à liaison métallique Propriétés mécaniques : Propriétés physiques : Propriétés chimiques : Polymères (matériaux organiques) : Exemples : PVC, PE, PS, PMMA (« plexiglas »), PA (« nylon »), PTFE (« teflon »), … intrachaîne : liaison covalente Chaînes d’atomes entremêlées Propriétés mécaniques : Propriétés physiques : Propriétés chimiques : interchaîne : liaison faible Les classes de matériaux Céramiques (matériaux minéraux) : Exemples : silice (SiO2), alumine (Al2O3), carbure de tungstène (WC), diamant (C) , verres minéraux (ex. : SiO2-CaO-Na2O), béton, plâtre, brique, porcelaine, faïence, … Solides atomiques à liaisons covalentes et ioniques Propriétés mécaniques : très résistants, fragiles Propriétés physiques : température de fusion très élevée, isolants Propriétés chimiques : inertes Composites : Exemples : « fibre de verre » = fibres de verre dans une matrice époxide pneu = fils d’acier dans une matrice de caoutchouc « béton armé » = ferraillage noyé dans du béton bois = fibres de cellulose dans une matrice de résine Coût €/kg 105 coût pondéral 104 brosse à dent 103 Rolls Royce 102 biomédical sport aéronautique 101 automobile électroménager 100 10-1 emballage naval construction produits manufacturés d’après Ashby, 1992 Cycle de vie des matériaux minerai de fer + charbon matière première minière extraction purification, fusion … élaboration acier matériau recyclage fabrication tréfilage, traitements, … déchet composant utilisation mât produit manufacturé assemblage éolienne Recyclage Coût énergétique des matériaux : fabrication des matériaux = moitié de l’énergie utilisée par l’industrie manufacturière Exemple : usine d’élaboration de l’aluminium = une tranche de centrale nucléaire (910 MW) Intérêt du recyclage : 1) Préserver les ressources naturelles et éviter les dommages dus à l’extraction ; 2) Economiser l’énergie ; Exemple : recyclage de l’aluminium = 28 fois moins d’énergie que la fabrication de l’aluminium 3) Eviter l’enfouissement ou la destruction. $/tonne prix pondéral du cuivre (London Metal Exchange) source : INSEE Recyclage cuivre : - 40% de la demande européenne a été pourvue par le recyclage - 80% du cuivre déjà produit est encore en utilisation Recyclage actuel : - métaux aluminium (très rentable) acier : 61% des emballages en acier sont recyclés en Europe Ex. : 2 incinérateurs de déchets du Grand Lyon 5700 tonnes par an pour les aciéries - papier - verre (mais peu rentable) - certains polymères (reformage, charges inertes) thermoplastiques thermodurcissables Recyclage impossible : - certains polymères - composites Bibliographie Introduction générale à la science des matériaux : Science et génie des matériaux Callister, éd. Dunod (2003) Des matériaux Baïlon, Ecole Polytechnique de Montréal (2000) Introduction à la science des matériaux Mercier, Zambelli et Kurz, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (1999) Matériaux, tome 1, propriétés et applications Ashby et Jones, éd. Dunod (1991) Précis de métallurgie Barralis et Maeder, éd. Nathan (2005) Aide-mémoire : Aide-mémoire – science des matériaux Dupeux, éd. Dunod (2004)
