Propriétés des matériaux : Mécanique, Électrique, Thermique

Une propriété de matériau est une grandeur intensive généralement avec une unité de mesure qui peut être
ulisée comme métrique de la valeur pour comparer les avantages d'un matériau plutôt qu'un autre dans un
choix de matériaux. Une propriété du matériau peut être une constante, ou une foncon de plusieurs variables
indépendantes (comme la température).
Pour les matériaux, il existe trois catégories de propriétés :
• Les propriétés mécaniques qui reètent le comportement des matériaux déformés par un ensemble de forces
• Les propriétés physiques qui mesurent le comportement des matériaux soumis à l’acon de la température,
des champs électriques ou magnéques ou de la lumière.
• Les propriétés chimiques qui caractérisent le comportement des matériaux dans un environnement réacf
Propriétés mécaniques
Le comportement mécanique d’un matériau est foncon des forces extérieures appliquées et traduit les
évoluons de la cohésion du matériau. Les principales propriétés mécaniques sont :
1. La rigidité : foncon de l’intensité des liaisons entre atomes ou molécules.
2. La résistance : caractérise la contrainte maximale que peut supporter un matériau avant de se rompre.
3. La duclité : capacité d’un matériau à se déformer de manière irréversible avant de se rompre.
4. La tenacité : capacité d’un matériau à emmagasiner de l’énergie avant sa rupture.
5. La dureté : résistance d’un matériau à la pénétraon
Les propriétés mécaniques dépendent de la température d’ulisaon, de l’état de surface, des condions
d’applicaon des eorts, de la vitesse de déformaon ... .
En dessous d’une certaine valeur de l’eort appliqué, la déformaon observée est réversible : c’est le domaine
élasque. Au-delà d’une certaine valeur de l’eort appliqué, des transformaons irréversibles sont créées : c’est
le domaine plasque.
Rigidité
Il y a diérents types de déformaon : tracon, compression et cisaillement

Un matériau fragile ne se déforme pas avant de se rompre => pas de déformaon plasque. Au contraire, un
matériau ducle se déforme. On parle de stricon lorsque la force nécessaire pour déformer le matériau diminue
alors que l’allongement connue d’augmenter. => Zone instable !
L’allongement à la rupture est une propriété mécanique qui mesure la capacité d’un matériau à s’érer avant de
se rompre.
Le coecient de Poisson (aussi appelé coecient principal de Poisson ou
encore coecient de contracon latérale) permet de caractériser la
contracon de la maère perpendiculairement à la direcon de l'eort
appliqué.
Tenacité (PENDULE DE CHARPY)
La ténacité est la capacité d’un matériau à absorber de l’énergie avant de se rompre, ce qui caractérise sa
résistance à la propagaon des ssures. Elle est essenelle pour les matériaux soumis à des contraintes
mécaniques importantes. Ca correspond à l’aire sous la courbe contrainte ) déformaon
La tenacité Kc est déterminée expérimentalement au moyen
d’éprouvees préssurées. Elle correspond à la valeur crique
de K pour laquelle se produit une propagaon brutale d’une
ssure d’une certaine longueur sous une charge. => on lache
le pet couteau (pour frapper l’éprouvee) de plus en plus
haut et on regarde la hauteur crique
Dureté (PRINCIPE DE VICKERS AVEC LE CONE OU PRINCIPE DE BRINELL AVEC LA BOULE)
La dureté est la résistance à la pénétraon. La mesure consiste à appliquer une charge, dans des condions
déterminées, à la surface du matériau, à l'aide d'un indenteur ou pénétrateur. Après l'essai, le matériau s'étant
déformé, on observe une empreinte dont on peut mesurer la hauteur.
Pour la nano-indentaon, on ulise des pointes en diamant ou saphir
PS : plus la pente de la courbe contrainte-déformaon est grande,plus le matériau est dur
Viscoélascité
En rhéologie, le comportement d'un matériau viscoélasque linéaire est intermédiaire entre celui d'un solide
élasque idéal symbolisé par un ressort de module E (ou G) et celui d'un liquide visqueux newtonien symbolisé
par un amorsseur de viscosité. L'élascité d'un matériau traduit sa capacité à conserver et restuer de l'énergie
après déformaon. La viscosité d'un matériau traduit sa capacité à dissiper de l'énergie.
On introduit le module de conservaon qui ent compte des pares visqueuses et élasques :
Pour cela, on place un échanllon dans un rhéomètre qui exerce une contrainte (compression ou cisaillement)

Propriétés électriques
Loi Ohm
Lorsqu’un courant électrique est soumis à une ddp, le courant est proporonnel à la
ddp moyennent la résistance du matériaux.
Loi de Pouillet
La résisvité électrique d'un matériau, généralement symbolisée par ρ, représente sa capacité à s'opposer à la
circulaon du courant électrique. Elle correspond à la résistance d'un tronçon de matériau de 1 m de longueur et
de 1 m 2 est exprimée en ohmmètres (Ω·m).
- pour les métaux, à la température ambiante, elle croit linéairement avec la température. Cet eet est
ulisé pour la mesure de température (thermistance)
- pour les semi-conducteurs, elle décroît avec la température, la résisvité peut aussi dépendre de la
quanté de rayonnement (lumière visible, infrarouge, etc.), absorbé par le composant.
La résistance électrique R (en ohms) d'une pièce recligne d'un matériau de résisvité ρ,
de longueur L (en mètres) et de secon droite d'aire S (en mètres carrés) vaut donc :
Densité de courant
Au lieu de dénir l'intensité dans un conducteur, c'est à dire la totalité des charges
traversant une secon du conducteur, on peut considérer les charges traversant l'unité de
surface par unité de temps. On introduit pour cela une nouvelle grandeur: le vecteur
densité de courant. [A/m^2]
La densité de courant dépend de plusieurs facteurs, notamment la charge et la densité des électrons, ainsi que
leur mobilité. L’intensité totale du courant traversant un matériau est dénie par la relaon I=j×SI = j \mes S, où
jj représente la densité de courant et SS la secon de l’échanllon.
Principe de conducon électrique
La conducon électrique est le phénomène par lequel un courant électrique circule à travers un matériau sous
l’eet d’un champ électrique appliqué.

La conducon électrique dans les métaux repose sur le mouvement des électrons libres, qui permeent le
passage du courant. Pour expliquer ce phénomène de manière rigoureuse, il est nécessaire de faire appel à la
mécanique quanque et à la stasque de Fermi-Dirac. Toutefois, une modélisaon plus classique, proposée par
Drude et Lorentz, considère les électrons libres comme un gaz de parcules suivant la stasque de Maxwell-
Boltzmann.
Lorsqu’aucune tension électrique n’est appliquée au matériau, les électrons se déplacent librement sans
accéléraon. En revanche, dès qu’un potenel électrique est imposé, les électrons sont accélérés, créant ainsi un
courant électrique. Cependant, leur mouvement n’est pas totalement libre, puisqu’ils subissent des collisions
avec les défauts structuraux du matériau, comme les dislocaons et les joints de grains, ainsi qu’avec les
vibraons du réseau cristallin, appelées phonons. Ces interacons inuencent la vitesse moyenne des électrons,
qui correspond à la vitesse de Fermi.
Propiétés thermiques
Les propriétés thermiques des matériaux jouent un rôle essenel dans la compréhension et la modélisaon des
transferts de chaleur au sein des systèmes complexes. Elles permeent de prédire le comportement thermique
des matériaux et d’opmiser les disposifs d’évacuaon de chaleur ou d’isolaon thermique an de limiter les
pertes d’énergie. La thermique est une branche de la physique qui étudie les échanges thermiques, qu’ils
entraînent ou non une transformaon du matériau, et qui s’intéresse à la généraon, au stockage et à la
transmission de l’énergie thermique.
Les transferts thermiques sont régis par le principe de conservaon de l’énergie, appelé bilan énergéque (avec
la quanté de chaleur (Q), le ux de chaleur () et la densité de ux de chaleur () ). Ils se produisent dès qu’il
existe un écart de température entre deux zones d’un matériau ou entre un matériau et son environnement. Ces
échanges peuvent être accompagnés ou non de transfert de masse ou de changement de phase. On disngue
trois modes de transfert thermique :
 La conducon thermique, qui se produit par contact direct entre les parcules du matériau, sans
déplacement de maère. Elle est décrite par la loi de Fourier, qui relie le ux de chaleur au gradient de
température.
 La convecon thermique, qui intervient dans les uides et implique un déplacement de maère sous
l’eet des variaons de température et de densité.
 Le rayonnement thermique, qui correspond à l’émission d’un rayonnement électromagnéque par un
corps chaud, sans nécessiter de support matériel pour sa propagaon.
Les propriétés thermiques des matériaux permettent de quantifier leur comportement face aux transferts de
chaleur.
 Conductivité thermique (λ) : Quantifie la capacité d’un matériau à transmettre la chaleur. Plus sa valeur
est faible, plus le matériau est isolant.
où e est l’épaisseur du matériau (m).
 Diffusivité thermique (a) : Détermine la rapidité d’évolution de la température dans un matériau, et
s’exprime par :

où ρ est la masse volumique et Cₚ la capacité thermique massique.
 Effusivité thermique (b) : Quantifie la capacité d’un matériau à échanger la chaleur avec son
environnement :
 L’émissivité thermique (ε) d’un matériau caractérise sa capacité à émettre un rayonnement thermique.
Elle est définie comme le rapport entre la luminance énergétique d’un matériau (L) et celle d’un corps
noir idéal (L₀) à la même température :
 La capacité thermique traduit l’aptitude d’un matériau à absorber une quantité de chaleur (Q) et à
s’échauffer (élévation de sa température) de T.
Parmi elles, la conductivité thermique mesure la capacité d’un matériau à transmettre la chaleur, tandis que la
résistance thermique caractérise son pouvoir isolant. La diffusivité thermique détermine la rapidité avec laquelle
un matériau atteint un nouvel équilibre thermique après une perturbation, et l’effusivité thermique quantifie sa
capacité à changer de température lorsqu’il reçoit un apport d’énergie. L’émissivité thermique, quant à elle,
renseigne sur l’aptitude d’un matériau à émettre un rayonnement thermique.
Enfin, la capacité thermique traduit l’aptitude d’un matériau à absorber une quantité de chaleur et à s’échauffer.
Elle est souvent exprimée sous forme de capacité thermique massique, qui dépend de la masse du matériau. Ces
propriétés sont essentielles dans de nombreux domaines industriels, tels que la sidérurgie, l’aéronautique, le
bâtiment, la médecine et l’agroalimentaire, où elles permettent d’optimiser les performances des matériaux et
de garantir leur adaptabilité aux environnements extrêmes.
Les propriétés optiques
Indice de réfraction
L’indice de réfraction (n) est une grandeur sans dimension qui décrit le comportement de la lumière lorsqu’elle
traverse un milieu donné. Il dépend de la longueur d’onde de la lumière et des caractéristiques du matériau,
telles que ses propriétés optique, cristallographique et diélectrique.
L’indice de réfraction est défini comme le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide (c) et la vitesse de
phase de la lumière dans le matériau (v) :
Dans le vide, l’indice de réfracon est n = 1, mais dans les matériaux transparents comme l’eau ou le verre, il est
supérieur à 1. Certains matériaux peuvent avoir un indice inférieur à 1 dans des condions spéciques,
notamment les métamatériaux.
L’indice de réfracon intervient dans la loi de Snell-Descartes, qui décrit la déviaon d’un rayon lumineux lorsqu’il
passe d’un milieu à un autre :