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Propriétés des Matériaux ISET Sfax E. Trabelsi, W. CHaoui, M. Boujelben, W. Ben

Propriétés des Matériaux ISET Sfax E. Trabelsi, W. CHaoui, M. Boujelben, W. Ben Selem, Ines Zarrad 1 Introduction Les matériaux sont de plus en plus développés et leur classement en familles devient de plus en plus difficile. Néanmoins, et à titre de simplifier, le classement classique des matériaux en trois grandes familles reste toujours le plus général, à savoir,  les métaux : métaux purs, alliages ferreux et non ferreurs,  l’ensemble des composés organiques qui sont basés essentiellement sur la chimie du carbone : les polymères (matières thermoplastiques, matières thermodurcissables) et les élastomères,  les céramiques qui sont des matériaux de synthèse, ni organiques ni métalliques, dont l’élaboration fait appel à des traitements thermiques,  les matériaux composites : sont composés de au moins deux constituants différents des trois différentes familles précédentes. L'utilisation de tels matériaux pour la fabrication d'objets matériels est déterminée par leurs propriétés mécaniques et physiques. Dans la pratique un matériau sera choisi en fonction des propriétés qui lui seront demandées dans des conditions d'utilisation bien déterminées mais également en fonction de la stabilité de ces propriétés avec le temps, la température, la composition de l’atmosphère, etc. En outre les propriétés des matériaux peuvent dépendre du mode d'élaboration de ceux- ci, des usinages des différents traitements subis. Le technicien et en particulier le métallurgiste pour ce qui concerne les matériaux métallique doit connaitre les principes sur lesquels reposent le comportement des matériaux ainsi que les mécanismes de transformation qui en modifient les caractéristiques et les propriétés. Au cours des dernières décennies l'utilisation de nouveaux matériaux a marqué le développement industriel, en particulier l'utilisation de matériaux de synthèse (polymères) et autres qui peuvent avoir des meilleures propriétés mécaniques. Les recherches actuelles sur les matériaux consistent à élaborer des produits peu coûteux à hautes performances physiques et mécaniques. Les métaux et leurs alliages demeurent cependant les matériaux essentiels dans la fabrication mécanique et les métallurgistes ont pour principal objectif la mise au point d'alliages à résistance mécanique de plus en plus élevée. Propriétés des Matériaux ISET Sfax E. Trabelsi, W. CHaoui, M. Boujelben, W. Ben Selem, Ines Zarrad 2 Chapitre1: Classes des matériaux et propriétés Objectif : - Savoir les différentes classes de matériaux (métaux et alliages, polymères, composites, céramiques et verres) - Connaître les propriétés physiques et mécaniques Pré-requis : Notions élémentaires de physique et de chimie Evaluation : - Formative au cours d’enseignement et des travaux dirigés. - Sommative : évaluation orale, devoir surveillé et examen de fin de semestre. Matériels didactiques : - Tableau - Polycopies Eléments de contenu : - Classes de matériaux : métaux et alliages, polymères, composites et céramiques et verres - Exemples de matériaux - Propriétés physiques (conductivité électrique et thermique, température de fusion,…) - Propriétés mécaniques (résistance, rigidité, déformabilité,…) Propriétés des Matériaux ISET Sfax E. Trabelsi, W. CHaoui, M. Boujelben, W. Ben Selem, Ines Zarrad 3 CHAPITRE I Classes des matériaux et propriétés 1. Définition Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. La nature chimique, la forme physique (phases en présence, granulométrie et forme des particules), l'état de surface des différentes matières premières qui sont à la base des matériaux confère à ceux-ci des propriétés particulières. 2. Classe des matériaux On distingue ainsi quatre grandes familles de matériaux : Fig.1.1 : Les classes de matériaux Métaux et alliages Polymères Fer, acier Aluminium et alliage Cuivre et alliage Nickel et alliage Titane et alliage Polyéthylène (PC) Nylon Polystyrène (PS) Polychlorure de vinyle (PVC) Caoutchoucs Céramiques et verres Composites Alumine (Al2O3) Silice, verres et silicates Carbure de silicium Ciment et béton Bois Fibre de verre (PRFV) Polymères renforcés par fibre de carbone (PRFC) Polymères chargés cermets Tab.1.1 : Classes et exemples de matériaux 3. Exemples de matériaux 3.1. Métaux et alliage  Le fer Le fer s'obtient industriellement en réduisant par le monoxyde de carbone (CO) provenant du carbone, les oxydes contenus dans le minerai. Béton armé « cermets » Pneus à armature en acier Céramiques et verres Polymères Polymères chargés Composites Métaux et alliages Propriétés des Matériaux ISET Sfax E. Trabelsi, W. CHaoui, M. Boujelben, W. Ben Selem, Ines Zarrad 4 C'est un métal qui, en fonction de la température, se présente sous plusieurs formes allotropiques. Dans les conditions normales de pression et de température, c'est un solide cristallin de structure cubique centré (fer α ou ferrite) ; à partir de 912 °C, il devient cubique à faces centrées. Le fer est largement utilisé sous forme d'acier dans la construction métallique. Le fer métallique et ses oxydes sont utilisés depuis des décennies pour fixer des informations analogiques ou numériques sur des supports appropriés (bandes magnétiques, cassettes audio et vidéo, disquettes). Le fer est également employé dans le fil de fer.  L’acier L'acier est un alliage à base de fer additionné d'un faible pourcentage de carbone (de 0,008% à environ 2,14% en masse). La teneur en carbone a une influence considérable sur les propriétés de l'acier : en dessous de 0,008%, l'alliage est plutôt malléable et on parle de fer ; au-delà de 2,14%, les inclusions de carbone sous forme graphite fragilisent la microstructure et on parle de fonte. Entre ces deux valeurs, l'augmentation de la teneur en carbone a tendance à améliorer la résistance mécanique et la dureté de l'alliage ; on parle d’aciers doux, mi-doux, mi-durs, durs ou extra-durs. L’ajoute d'autres éléments modifie également les propriétés des aciers, et on parle d'aciers alliés. De plus, on peut encore améliorer grandement leurs caractéristiques par des traitements thermiques (notamment les trempes) prenant en surface ou à cœur de la matière ; on parle alors d'aciers traités. L'intérêt majeur des aciers réside d'une part dans les valeurs élevées des propriétés mécaniques fondamentales :  résistance aux efforts : module d'élasticité, limite élastique, résistance mécanique ;  dureté ;  résistance aux chocs (résilience). D'autre part, leur coût d'élaboration reste relativement modéré, car le minerai de fer est abondant sur terre (environ 5% de l'écorce) et sa réduction assez simple (par addition de carbone à haute température). Enfin les aciers sont pratiquement entièrement recyclable grâce à la filière ferraille. Mais ils présentent une mauvaise résistance à la corrosion, à laquelle on peut remédier, soit par divers traitements de surface, soit par l'addition d'éléments réalisant des nuances dites « inoxydables ». Par ailleurs, les aciers sont difficilement moulables. Enfin, lorsque leur masse volumique est pénalisante (dans le secteur aéronautique par exemple), on se tourne vers des matériaux plus légers (alliages à base d'aluminium, composites, etc.), mais parfois beaucoup plus chers. De ce fait, les aciers restent privilégiés dans presque tous les domaines d'application technique : équipements publics, industrie chimique, pharmaceutique et nucléaire, agro- alimentaire, bâtiment, moyens de transport, médical, composants mécaniques (visserie, ressorts, câbles, roulements, engrenages), outillage de frappe et de coupe.  L’aluminium L’aluminium est un élément chimique, de symbole Al. C'est un élément important sur la planète Terre avec 1,5 % de la masse totale en élément Al. C'est un métal argenté et malléable. Il est remarquable pour sa résistance à l'oxydation et sa faible densité. En fait, il est très oxydable mais à l'air, il se forme une couche de quelques micromètres d'oxyde d'aluminium (Al2O3) imperméable qui protège le reste du métal et qui se reforme très rapidement. Il est principalement extrait d'un minerai appelé bauxite où il est présent sous forme d'oxyde hydraté dont on extrait l'alumine (Al2O3). L'aluminium est employé dans beaucoup Propriétés des Matériaux ISET Sfax E. Trabelsi, W. CHaoui, M. Boujelben, W. Ben Selem, Ines Zarrad 5 d'industries pour faire de nombreux produits différents et il est très important pour l'économie mondiale. Les composants structuraux faits à partir d'aluminium sont essentielles 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. L'aluminium a une densité environ trois fois plus faible que celle de l'acier ou du cuivre ; il est malléable, ductile et facilement usiné et moulé. Il est également non magnétique et ne provoque pas d'étincelles. C’est le métal le plus utilisé après le fer, grâce à sa légèreté et sa bonne conductivité électrique et thermique. L'aluminium pur est mou et fragile, mais avec des petites quantités de cuivre, magnésium, manganèse, silicium et d'autres éléments, il peut former des alliages aux propriétés variées. Parmi les secteurs utilisant l'aluminium, on peut citer : - les transports (automobiles, avions, camions, trains, bateaux, etc.) ; - l'emballage (boîtes de conserve, papier aluminium, canettes, barquettes, aérosols, etc.) et notamment les emballages alimentaires ; - la construction (fenêtres, portes, gouttières, etc.) ; - les biens de consommation (appareils, ustensiles de cuisine etc.) ; - les fils électriques (la conductivité de l'aluminium ne représente que 60 % de celle du cuivre, mais l'aluminium est plus léger et moins cher). 3.2. La céramique Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre), la céramique désigne l’ensemble des objets fabriqués en terre cuite qui ont subi une transformation physico- chimique irréversible uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-proprietes-des-materiaux.pdf