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Term. S/Sc.Ing matériaux LC Matériaux Un matériau est la matière, substance, qu

Term. S/Sc.Ing matériaux LC Matériaux Un matériau est la matière, substance, qui constitue un objet, une pièce, un corps solide (non fluide). Cette leçon présente les matériaux utilisés pour fabriquer les objets courants et techniques selon une classification. Pour chaque catégorie de matériaux on y indique les avantages, inconvénients, emplois (applications), sources et procédés d'élaboration Sommaire 1.Matériaux simples....................................................................................................................................................................................1 1.1.Céramiques......................................................................................................................................................................................1 1.2.Métaux.............................................................................................................................................................................................2 1.3.Matériaux organiques......................................................................................................................................................................4 2.Matériaux hybrides...................................................................................................................................................................................6 2.1.Mousses...........................................................................................................................................................................................6 2.2.Composites......................................................................................................................................................................................7 3.Caractéristiques des matériaux.................................................................................................................................................................8 3.1.Propriétés physiques macroscopiques.............................................................................................................................................8 3.2.Propriétés techniques, économiques et écologiques........................................................................................................................9 3.3.Propriétés microscopiques...............................................................................................................................................................9 4.Références................................................................................................................................................................................................9 5.Annexe....................................................................................................................................................................................................10 5.1.caractéristiques de matériaux industriels usuels............................................................................................................................10 5.2.composition en éléments chimiques..............................................................................................................................................11 On peut distinguer les matériaux simples et matériaux hybrides (ou composés). 1. Matériaux simples Ce sont des matériaux qui sont constitués d'une seule substance ; ils sont à première vue homogènes (ont des caractéristiques constantes dans l'espace). On y distingue les matériaux minéraux (céramiques et métaux) produits à partir d'extraits du sol de la terre et les matériaux organiques (naturels ou plastiques) issus des tissus qui compose les êtres vivants. 1.1. Céramiques Ce sont des matériaux à liaisons ioniques ou covalentes. Ils ont donc une cohésion forte mais le caractère directionnelles des liaisons les rend fragiles ou peu plastiques (déformables) à température ambiante. 1.1.1 Céramiques traditionnelles La pierre est employée depuis le paléolithique pour l'outillage et depuis l'antiquité pour la construction de bâtiment et ouvrages. Disponible partout sous différentes nuances (calcaire, marbre, granit, grès, ardoise) ce matériau, ne nécessitant pas d'autre énergie que sa taille et son transport, est résistant et durable. La terre ou argile, très largement disponible, crue ou cuite à haute température (pour améliorer ses performances) permet de faire des porcelaines (au kaolin), briques modulaires pour la construction de bâtiments (dès le début de l'antiquité, notamment à Babylone, et jusqu'à aujourd'hui). Le plâtre est produit de la calcination de gypse minéral (CaSO4,2H2O) à environ 180°C ce qui permet d’enlever des molécules d’eau et de donner de l’anhydrite qui, lorsqu’on la mélange avec de l’eau se réhydrate et se fige en un solide blanc et dur qu'on utilise pour faire des moules et des pièces coulées, des revêtements muraux ignifugés (résistant au feu), des décors ainsi que des bandages orthopédiques. Le ciment est obtenu par calcination d’un mélange de craie ou de pierre à chaux avec de l’argile, suivie d’un broyage en poudre très fine. Mélangé à l’eau, il s’hydrate et se fige en un solide dur et gris. Il sert de matrice au béton (un composite). Le diamant, pierre précieuse, le plus dur et le plus cher des matériaux, est utilisé – outre la bijouterie - pour les outils de coupe d'abrasion, revêtement anti-usure, techniques laser et micro-ondes. 1.1.2 Verres Les verres, principalement constitués de silice (SiO2) comme le quartz des grains de sable, sont d'un grand emploi pour leur propriétés de transparence et de stabilité chimique. Le verre sodocalcique communément appelé verre blanc est utilisé pour les vitres, les bouteilles et les ampoules électriques ; bon marché et consommé en très grande quantités, c'est le plus commun des verres. Son nom suggère sa composition : 13-17% de NaO (la soude), 5-10% CaO (chaux) et 70-75% SiO2 (silice). Il a une basse température de fusion, est facilement soufflé et moulé ; il est optiquement clair à moins qu'il ne soit impur, comme c'est le ces verres verts ou bruns qui filtrent la lumière. udpsi.fr/danee materiaux_LC_v2016-02-04.odt 1/11 base de la pyramide de Khéops en calcaire bas-relief de Babylone en brique verre sodocalcique Term. S/Sc.Ing matériaux LC Le verre de silice, de grande transparence, est pratiquement du SiO2 pur. Il a un point de fusion exceptionnellement élevé et il est difficile à travailler, mais, plus que tout autre verre, il résiste à la température et aux chocs thermiques. Il est utilisé pour les ampoules électriques de haute puissance. Le verre de borosilicate (Pyrex) est utilisé pour des plats de cuisson et l'équipement de laboratoire de chimie. C'est du verre sodocalcique où la chaux a été remplacée par du borax (B2O3), ce qui confère un point de fusion et une résistance au choc thermique plus élevés mais rend sa mise en forme plus difficile ; il a un coefficient d'expansion plus bas. 1.1.3 Céramiques techniques Développées récemment à partir de techniques coûteuses, les céramiques techniques ont des performances de dureté et résistance à l'abrasion qui leur permet une large application dans les procédés industriels. L'alumine (Al2O3) bon marché, facile à mettre en œuvre (notamment par oxydation contrôlée de l'aluminium) très largement utilisé dans l'industrie. Le plus souvent fabriquée en pressant ou en frittant des poudres, l'alumine, qui est blanche lorsqu'elle est pure, présente de nombreux avantages : isolant électrique, haute résistance mécanique, bonne résistance à l'abrasion et tenue en température jusqu'à 1650°C, excellente stabilité chimique et conductivité thermique modérée. Cependant l'alumine a une résistance limitée au chocs thermiques et mécaniques. Elle sert à réaliser des bougies d'allumage, isolateurs électriques, cadrans de montre et des vitres résistantes. Le carbure de silicium (SiC), fabriqué en faisant fondre du sable et du coke à 2200°C. Il est très dur et maintient sa résistance à haute température; il a une bonne résistance au choc thermique, d'excellentes résistance à l'abrasion et stabilité chimique mais il est fragile comme toutes les céramiques. Application : outils de coupe, abrasif des « papiers de verre » de haute qualité Le carbone (C). Il est disponible sous forme de charbon (tourbe, lignite, houille dont on tire le coke pour réduire pour réduire le minerai de fer) peut se présenter sous la forme de graphite qui a de nombreuses applications : mine de crayon, pièces de frottement (balais de moteurs), joints d'étanchéité, lubrifiants, absorbant ou réducteur chimique, notamment en sidérurgie (coke des hauts- fourneaux), électro-chimie, modérateur dans des réacteurs nucléaires, bombe de désactivation des réseaux électriques. Il peut être produit par sous forme de fibres de carbone (à partir d'un polymère acrylique oxydé puis carbonisé) ayant une faible densité (1,7 à 1,9), une résistance élevée à la traction-compression, une bonne flexibilité, faible résistivités électrique et thermique tenue en température et son inertie chimique (sauf à l’oxydation).Faible résistance à l'abrasion et aux chocs, peu recyclables. Application : aérospatial, équipement sportifs. Des nanotubes de carbone, observés dès 1952 et synthétisés en 1993, montrent au stade de recherches de très grandes résistances, rigidité, conductivités thermique et électriques et une faible densité. Les nitrures dont le nitrure de bore BN ont de grandes duretés et résistance à l'abrasion utiles pour l'usinage et le traitement des métaux. 1.2. Métaux Leur cohésion est due à la liaison métallique : elle est forte et non directionnelle (isotrope) ce qui confère aux métaux une bonne ductilité (déformabilité plastique). Cette liaison réfléchissant la lumière, ces matériaux sont opaques et brillants. Leur structure est cristalline. 1.2.1 Alliages ferreux Les alliages de fer sont les plus utilisés des métaux, à la base de toutes les grandes constructions métalliques. Les fontes, directement issues de la réduction du minerai de fer par la coke dans un haut fourneau, sont les moins coûteux de tous les métaux, très utilisé depuis la révolution industrielle. Elles contiennent pour la plupart de 3 à 4 % de carbone et de 1 à 3 % de silicium. Le carbone rend le fer très fluide lorsqu’il est fondu, lui permettant d’être coulé dans des formes compliquées pour réaliser des bâtis et carters de machines et ayant un bon amortissement. Plus fragile que l'acier mais bon conducteur thermique, elle servent à réaliser des ustensiles de cuisine. Les aciers contiennent du fer et du carbone à une teneur inférieure à 1,7 %. Obtenus pas décarburation (par oxydation) des fontes ou recyclage des ferrailles. Leurs propriétés et usages dépendent de leur teneur en carbone : Les acier à basse teneur en carbone servent à réaliser chemins de fer, plates-formes pétrolières, coques de bateaux (tankers, paquebots etc) et charpente de bâtiments car il sont à la fois solide, robuste, relativement mous donc facilement mis en forme et d'usage le plus général car bon marché. udpsi.fr/danee materiaux_LC_v2016-02-04.odt 2/11 bougie en alumine outil de coupe en carbure ampoule de lampe halogène en verre de silice Pyrex tour Eiffel en fer puddlé (fonte décarburée), première de plus de 300 m (pendant 41 ans) roulement en acier dur (100 Cr6) Term. S/Sc.Ing matériaux LC Les aciers à hautes teneurs en carbone (0,5-1,7%) durcissent lorsqu'ils sont trempés dans l'eau ou l'huile froide. Ils sont utilisés comme outils de coupe, cisailles, câbles et toute une multitude d'autres applications. Les aciers alliés utilisent les effets d'un métal d'addition pour améliorer certaines de leur performance. Par exemple, l'acier inoxydable ((en) : stainless : « sans tache »), grâce au chrome et au nickel entre autres éléments qu'il contient, résiste à la corrosion dans les environnements les plus courants et reste ductile aux températures les plus basses. 1.2.2 Alliages de cuivre ou cuivreux Le cuivre et ses alliages (appelés bronzes - désignait à l'âge du bronze 3000 – 1000 avant JC un alliage de cuivre et d’étain, aujourd'hui à l'aluminium, au phosphore dont le laiton alliage de cuivre et de zinc) est utilisé pour sa haute ductilité (martelé en chaudronnerie) sa basse uploads/s3/ sciences-et-techniques-industrielles.pdf