Matériau

Un matériau désigne toute matière utilisée pour réaliser un objet au sens large. Ce dernier est souvent une pièce d'un sous-ensemble. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et mise en œuvre en vue d'un usage spécifique. La nature chimique, la forme physique (phases en présence, granulométrie et forme des particules, par exemple), l'état de surface des différentes matières premières, qui sont à la base des matériaux, leur confèrent des propriétés particulières. On distingue ainsi quatre grandes familles de matériaux.

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Grandes classes de matériaux. Les matériaux minéraux sont des roches, des céramiques ou des verres. Les matériaux métalliques sont des métaux ou des alliages.

En science des matériaux, par exemple, « matériau » est un terme générique employé dans le sens de matière, substance, produit, solide, corps, structure, liquide, fluide, échantillon, éprouvette, etc., et désignant notamment l'eau, l'air, et le sable (dans des tableaux de caractéristiques) ; un matériau viscoélastique est souvent qualifié de « fluide à mémoire ».

La classification de matériaux en solides, liquides, semi-solides, etc., est primitive et parfois non valable. En effet, en rhéologie, il est possible d'observer un comportement de type liquide dans un matériau solide et un comportement de type solide dans un matériau liquide (viscoélasticité, seuil d'écoulement).

Les matériaux servent à fabriquer des objets, qui constituent le matériel.

Éléments historiques

Les matériaux scandent l'histoire de l'humanité. Au système des trois âges préhistoriques (âge de pierre, âge du bronze, âge du fer) ont succédé des âges historiques : âge de l'acier au XIXe siècle, celui des polymères au milieu du siècle suivant (âge du plastique) et âge du silicium dans la seconde moitié du XXe siècle.

Classification selon l'utilisation

La sélection des matériaux est le processus qui consiste à déterminer quel matériau doit être choisi pour la confection d'un objet.

Classification selon la structure atomique

Les matériaux peuvent être classés selon leur structure atomique[1],[2]. On peut distinguer :

Ingénierie technique

L'ingénierie est une technique qui a pour objet de transformer un produit brut en un produit possédant une fonction souhaitée par l'utilisateur. Cette transformation, ici la conception mécanique, est sujette à quatre interactions fondamentales : la fonction ; le matériau ; la géométrie ; le procédé.

La « fonction de service » est modélisée sous la forme d'un « système technique » qui représente chaque petite partie d'un mécanisme. Elle est issue d'un cahier des charges. On fait ensuite appel à une « analyse de la valeur » de chacune des parties afin d'évaluer les objectifs d'optimisation. L'ingénierie des matériaux s'intéresse aux propriétés mécaniques (résistance des matériaux), à leur comportement sous l'action de forces et contraintes extérieures. Pour cela, on dispose d'un grand nombre de lois de la physique que l'on appelle « lois de comportement » (de la statique, de la dynamique, etc.). En résistance des matériaux, la géométrie intervient toujours dans ces lois de comportement. L'ingénierie des matériaux s'intéresse maintenant de façon courante aux autres caractéristiques : physiques, thermiques, électriques, environnementales, sécuritaires et économiques.

Enfin, comme il faut transformer le matériau, la prise en compte du procédé est incontournable. La difficulté à ce stade est qu'il en existe de nombreux et dont les caractéristiques sont très différentes : mouler, extruder, souffler ; usiner à la fraise, au fil, à l'eau, au laser, à l'acide ; meuler, polir, éroder, électroformer ; forger, couler, fritter ; découper, emboutir, etc. Dans chacune de ces étapes, le matériau est central, car il est, in fine, l'objet ou le support d'un service.

Classement en conception

On recense environ 80 000 matériaux utilisés en constructions diverses et, pour mieux se repérer, les matériaux sont souvent regroupés en six à huit familles (selon les références) :

Pour des besoins de distinction des propriétés spécifiques et/ou d'une garantie sur ces propriétés, certaines références distinguent les céramiques poreuses (béton, briques), les polymères techniques (PMMA…), ou même la destination de leur usage (normes américaines AISI, ASTM, internationales ISO, européennes EN, etc.), ou encore la performance qu'apporte le matériau à la fonction souhaitée[3].

Pour éviter une distinction en classes et en sous-classes moyennement fructueuse (car redondantes entre les systèmes), des outils de sélection des matériaux (CES3 de Cambridge, FuzzyMat de Grenoble, etc.) ont été élaborés. Ils permettent d'intégrer aisément les nouvelles avancées de la recherche en nanomatériaux et d'intégrer leurs propriétés physiques (microscopiques) tout à fait particulières ainsi que leur condition de transformation. Ils permettent d'intégrer la contrainte (ou fonction) environnementale d'une manière dynamique plutôt que réglementaire.

Classement pour le calcul

On distingue les matériaux ductiles et les matériaux fragiles, et en général, un grand nombre de lois bien connues de la mécanique s'appliquent. Le cas des polymères est un cas à part, car à température ambiante, on peut avoir différents états de la matière et donc différentes lois applicables selon la nature du polymère. En effet, à température ambiante ou à quelques dizaines de degrés Celsius, on peut rencontrer l'état fondu, caoutchouteux, la transition vitreuse, l'état vitreux ou semi-cristallin. Ce n'est pas le cas des métaux qui sont plutôt stables à quelques centaines de degrés près. Pour étudier avec suffisamment de certitude la bonne utilisation d'un polymère, on considère tout d'abord les deux grandes catégories, où les élastomères sont inclus :

Pour une utilisation technique (calcul et caractéristiques physiques), on classe les polymères selon les caractéristiques de leurs monomères (molécules primaires du polymère) :

Cette classification peut paraître complexe, mais les distinctions à l'échelle microscopique sont les suivantes :

  • amorphe (ou fondu) : les chaînes de polymère reposent les unes sur les autres et leur distribution est statistique (gaussienne) ;
  • élastomère (ou gel) : les chaînes possèdent des points de réticulation (liaisons covalentes, fortes) ;
  • thermodurs : les chaînes sont constituées de molécules tri- ou tétra- fonctionnelles (liaisons fortes sur trois axes) ;
  • semi-cristallins : des fragments de chaînes sont cristallisés, d'autres sont amorphes.

Caractéristiques

Mécaniques

Un matériau peut être caractérisé selon de nombreux paramètres :

En régime linéaire, la contrainte est proportionnelle à la déformation, le facteur de proportionnalité est par exemple le module d'Young, noté E.

Physiques

Voici quelques caractéristiques physiques des matériaux :

Conformité

En dehors de cette caractérisation des propriétés d'un matériau, nécessitant des moyens assez lourds seulement disponibles dans des laboratoires de recherche, un industriel est souvent amené à vérifier la conformité du matériau par rapport à un cahier des charges : c'est le contrôle qualité au moment de la réception d'un produit (essais mécaniques, examen de structure, contrôles non destructifs)[5].

Coût

En général, pour une application donnée, plusieurs matériaux ou combinaisons de matériaux sont susceptibles de répondre au cahier des charges. Le concepteur, l'ingénieur, l'architecte paysagiste ou l'architecte sont donc amenés à rechercher le meilleur rapport coût/fonctions remplies.

Références
  1. Jean Pierre Mercier, Gérald Zambelli, Wilfried Kurz, Introduction à la science des matériaux, PPUR, 1999, Lire en ligne
  2. Les grandes familles de matériaux, sur technologie.clg.free.fr
  3. Michael F. Ashby, Choix des matériaux en conception mécanique, Paris, Dunod, coll. « Technique et Ingénierie, Dunod/L'Usine nouvelle », , 496 p. (ISBN 978-2-10-058968-5)
  4. J.-P. Baïlon et J.-M. Dorlot, Des matériaux, , 3e éd., 736 p. (ISBN 978-2-553-00770-5 et 2-553-00770-1), chap. 1 (« Méthodes de caractérisation des matériaux »)
  5. Jean Perdijon, Matériaux sous surveillance, Cachan, Éditions Lavoisier,

Voir aussi

Bibliographie
  • (en) W. Kurz, J.-P. Mercier et G. Zambelli, Traité des matériaux : Introduction à la science des matériaux, t. 1, Lausanne, PPUR, , 3e éd., 520 p. (ISBN 2-88074-402-4, présentation en ligne)

Articles connexes
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