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Introduction à la science des matériaux/Propriétés générales des matériaux Résu

Introduction à la science des matériaux/Propriétés générales des matériaux Résumé Introduction Être lourd ou léger Propriétés électromagnétiques Conduire l'électricité ou isoler Résister au claquage Être attiré par un aimant, être aimanté Propager les ondes radio Propriétés thermiques Résister à la température Conduire la chaleur ou isoler Conserver la chaleur « Pomper » la chaleur Se dilater ou se contracter Résister aux agressions extérieures (corrosion) Respecter l'environnement Résister aux actions mécaniques Respecter les contraintes économiques Graphique de choix Démarche générale Exemples : choix selon la masse et le prix de la pièce Bilan Notes Nous allons voir de manière concrète comment l’on caractérise un matériau, en fonction des applications : construction, électricité, … Durée recommandée : 3 h (incluant les exercices). Sommaire Résumé Introduction Masse volumique (kg/m3). Densité (sans dimension). Nous avons vu dans le chapitre précédent que pour choisir un matériau, il faut d’abord s'intéresser aux fonctions que doit remplir le produit. Une fois ceci fait, il faut indiquer un critère d'adéquation : le matériau permet-il au produit de remplir la fonction ou pas ? C'est à ce critère d'adéquation que nous nous intéressons maintenant. Comme tout objectif, une fonction doit être « smart[1] » : spécifique (adaptée) ; mesurable (quantitatif) ; accessible (possible) ; réalisable dans le temps imparti (délais de conception, d'approvisionnement, de mise en œuvre, selon les moyens disponibles). Nous avons vu jusqu'ici une description qualitative des matériaux (cf. supra). Mais dans l'idéal, il nous faut un critère chiffré : cela lève toute ambiguïté, tout problème d'interprétation ; cela permet d'introduire une fourchette de valeurs acceptables ; cela permet de réaliser des calculs, des simulations, donc de modifier la conception avant la réalisation ; éventuellement, cela permet d'automatiser la décision, de créer un algorithme de décision. La masse volumique est la masse d'une pièce divisée par son volume. Elle est désignée par la lettre grecque ρ (rhô), et s'exprime en kilogramme par mètre cube. Un matériau de masse volumique élevée est dit « lourd » ; un matériau de masse volumique faible est dit « léger ». On prend souvent comme référence l'eau : ρeau = 1 000 kg/m3. On parle souvent de densité. La densité d est le rapport entre la masse volumique du matériau et la masse volumique de l'eau ; elle est sans unité. Le nombre obtenu est en fait la masse volumique exprimée en kilogramme par décimètre cube (kg/dm3). Être lourd ou léger On a : 1 g/cm3 = 1 kg/dm3 = 1 kg/L = 1 t/m3. La masse volumique est importante pour déterminer : le dimensionnement de la structure supportant le produit (coût) ; l'inertie du produit, donc la puissance des actionneurs (moteurs, vérin, ressorts,…) ; le coût de transport, la capacité à être manutentionné ; la vitesse de propagation des ondes mécaniques (résonance). Nous indiquons ci-dessous quelques masses volumiques typiques pour des grandes classes de matériaux, classé du moins dense au plus dense (du « plus léger » au « plus lourd », bien que ces termes soient impropres). Masses volumique typiques Matériau ρ (kg/m3) d Bois 450 – 1 170 0,45 – 1,17 Alcool 789 0,789 Huile 900 0,9 Eau 1 000 1 Polymères 850 – 1 410 0,85 – 1,41 Roches, verre, béton, céramiques 1 250 – 2 800 1,25 – 2,8 Métal 1 750 – 23 000 1,75 – 23 Rappel — loi d'OHM La loi fondamentale de la conduction de l'électricité est la loi d'OHM : U = R × I avec U : tension appliquée aux extrémités de la pièce, en volts (V) ; on parle parfois de « voltage » ; R est la résistance de la pièce, exprimée en ohms (Ω) ; I : intensité du courant, exprimée en ampères (A) ; c’est le nombre de charges traversant la section droite de la pièce par seconde, on parle parfois d'« ampérage ». Résistivité et conductivité La résistance électrique R d'une pièce dépend de sa forme et du matériau. Propriétés électromagnétiques Conduire l'électricité ou isoler Résistance d'un barreau et résistivité ρ avec ρ : résistivité, en Ω⋅m, dépend du matériau ; L : longueur de la pièce S : aire de la section de la pièce Conductivité σ avec en siemens par mètre (S⋅m-1) On a donc : facteur dépendant du matériau : ρ (rhô) ; facteur dépendant de la forme : , plus une pièce est longue, plus sa résistance est grande, plus sa section est grande, plus sa résistance est faible, c’est pour cela que plus le courant est fort, plus la section du câble doit être grande. On définit aussi la conductance G, exprimée en siemens (S) : G = 1/R. ainsi que la conductivité σ (sigma) par : On a donc des matériaux plus ou moins conducteurs selon la valeur de ρ ou σ : ρ faible, σ élevé : matériau bon conducteur d'électricité ; ρ élevé, σ faible : matériau isolant. Exemple Pour limiter l'échauffement d'un conducteur dans lequel doit circuler un courant de 10 A, on désire limiter la résistance à 0,002 Ω par mètre de conducteur. Pour du cuivre, on a ρe = 1,7⋅10−8 Ω⋅m. Cela signifie pour un conducteur de L = 1 m : = 8,5⋅10−6 m2 = 8,5 mm2. La densité du cuivre étant d = 8,92, une barre d'un mètre de long a pour volume V = S × L = 8,5⋅10-6 × 1 = 8,5⋅10−6 m3 donc une masse de m = V × ρm = 8,5⋅10-6 × 8 920 = 7,53⋅10−2 kg = 75,3 g. Le conducteur a donc une masse linéaire de ml = 7,53 g/m. L'expression littérale est Le cuivre est à environ 2 000 €/tonne (en 2009) soit 0,002 €/g, cela représente un prix 0,002 × 75,3 = 0,15 €/m = 15 cts/m. Résistivité et conductivité selon la classe de matériau Matériau ρ (Ω⋅m) σ (S⋅m-1) plastique 1020 10-20 verre 1017 10-17 eau distillée 109 10-9 métaux 10-8 à 10-5 105 à 108 Notons que l'eau pure est une assez mauvaise conductrice ; c’est la présence d'ions (sels minéraux) qui la rend conductrice. Notons également que dans le cas du courant alternatif, la conduction de l'électricité se fait essentiellement en surface (effet de peau). Exercice Faire le calcul de section, de masse linéaire et de prix linéaire avec de l'aluminium (ρe = 2,7⋅10−8 Ω⋅m ; d = 2,70 ; 600 €/tonne) pour le même cahier des charges. Comparer avec le cuivre. Lorsqu'un isolant — appelé dans ce contexte « diélectrique » — sépare deux conducteurs, il est soumis à une tension électrique. Lorsque cette tension devient trop forte, il se produit un claquage : la matière s'ionise et il se produit un courant électrique qui dégrade l'isolant. La tension de claquage dépend de la distance séparant les deux conducteur ; on caractérise donc la résistance au claquage de la matière par le champ électrique limite, en volt par mètre (V/m), appelé « champ disruptif » ou « rigidité diélectrique ». Rigidité diélectrique de quelques matériaux usuels Matériau Rigidité diélectrique (MV/m) air 3 quartz 8 néoprène 12 Nylon 14 Pyrex 14 huile silicone 15 papier 16 Bakelite 24 polystyrène 24 Teflon 60 On a = 1,35⋅10−5 m2 = 13,5 mm2. ml = S × ρm = 1,35⋅10-5 × 2 700 = 3,65⋅10−2 kg/m = 36,5 g/m. Cela représente un prix 0,0006 × 36,5 = 0,022 €/m = 1,8 cts/m. Le conducteur en aluminium occupe donc un volume plus important — la section est 1,6 fois plus grande, le diamètre est 1,3 fois plus grand —, mais sa masse est 2 fois plus petite, et aux prix de début 2009 il coûte 8 fois moins cher. Solution Résister au claquage Être attiré par un aimant, être aimanté Transformateurs utilisés en électronique ; on distingue bien le bobinage de fil autour du noyau cylindrique ou torique Ferrites utilisées pour réduire les parasites électromagnétiques Certain matériaux ont des propriétés magnétiques. On distingue : le ferromagnétisme : les matériaux sont attirés par les aimants et gardent une aimantation rémanente, ils peuvent constituer des aimants permanents : Fe α (ferrite), Co, Ni, alliages (SuperMalloy Fe-Ni-Mo, Heusler Cu-Mn-Al, Sm-Fe-Co, …) ; au delà d'une certaine température dépendant du matériau (température de CURIE), les matériaux ferromagnétiques perdent leur aimantation ; le ferrimagnétisme : les matériaux sont des aimants naturels : magnétite Fe3O4 ; le paramagnétisme : les matériaux sont attirés par les aimants mais mal, ils s'aimantent sous l’effet d’un champ magnétique, mais ne conservent pas leur aimantation : Fe γ (austénite, plupart des inox), Al, Ca, Pt, Na, U ; le diamagnétisme : les matériaux ne sont pas attirés par un aimant, ils ne s'aimantent pas ; c’est le cas de la très grande majorité des matériaux. Les matériaux diamagnétiques ne sont influencés que par des champs magnétiques extrêmement puissants. Le passage d'un courant électrique provoque un champ magnétique induit (électroaimant). La présence à proximité d'un matériau plus ou moins ferro- ou paramagnétique va modifier ce champ magnétique. Par exemple, on utilise des noyaux dans les électroaimants ou les transformateurs de courant pour améliorer leurs performances, uploads/Ingenierie_Lourd/ introduction-a-la-science-des-materiaux-proprietes-generales-des-materiaux.pdf