Introduction

Dans la conception d’un système, le technicien est confronté au problème du choix des matériaux dans le respect des contraintes imposées par le cahier des charges. Le choix va avoir de nombreuses répercussions, sur les dimensions, son coût de fabrication et son impact écologique. Donc il est important de bien choisir le bon matériau, Ces propriétés mécaniques vont dépendre de la température d’utilisation, de l’état de surface, des conditions d’application des efforts, de la vitesse de déformation..Elles sont déterminées, avec un certain intervalle de précision, au moyen d’essais normalisés.

Présentation

Afin de différencier ou de choisir un matériau dans une gamme bien précise, il estnécessaire de bien connaître les propriétés de chacun d’entre eux afin d’avoir un choix répondant effectivement à la tache attribuée à la pièce en question.Les principales caractéristiques d’un matériau peuvent se classer de la façon suivante :

· Les caractéristiques mécaniques,· Les caractéristiques physiques,· Les caractéristiques chimiques,· Les caractéristiques électriques,· Les caractéristiques thermiques.

Le prix sera aussi un facteur indicatif pour le choix.

Famille des matériaux

LES MATERIAUX NATURELS- Le bois- l’argile- la pierre- le caoutchouc

LES METAUXmatériaux extraits de minerais- l’étain- le cuivre- le fer- l’aluminium- le plomb

Famille des matériaux

LES ALLIAGESObtenus à partir de mélange de matériaux- alliages d’étain ( étain +plomb)- l’acier ( fer + carbone)- le laiton (cuivre + zinc)- le duralumin ( aluminium + cuivre )

LES MATERIAUX COMPOSITES- fibre de verre- fibre de carbone- époxy

Famille des matériaux

LES MATIERES PLASTIQUESElles sont obtenus à partir d’éléments naturels tels que le charbon, le bois , le pétrole, le gaz naturel

- le nylon- le plexiglass- le P.V.C.

Caractéristiques physiques élémentairesMasse volumique

La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par unité de volume.Elle est généralement notée par les lettres grecques ρ (rhô) ou µ (mu). On utilise ces deux notations en fonction des habitudes du domaine de travail. Toutefois on recommande d'utiliser la notation ρ.Elle est déterminée par le rapport , où est la masse de la substance homogène occupant un volume .

(kg/)

Masse volumique de divers matériaux

Caractéristiques physiques élémentairesDensité

La densité d'un matériau est, pour les solides et les liquides, le rapport de la masse volumique de ce matériau à celle de l’eau.Pour les gaz, la densité est calculée en rapport avec la masse volumique de l'air.Dans les deux cas, la densité est forcément un nombre sans dimension.La masse volumique de l'eau valant, à 3,98 °C, 1 g/cm³, la densité d'un liquide ou d'un solide s'exprime par la même valeur numérique que sa masse volumique en g/cm³ ou en kg/ℓ : par exemple, il est équivalent de dire que la densité de l'éthanol est de 0,79 ou que sa masse volumique est de 0,79 g/cm³. Ceci donne lieu à des confusions fréquentes entre les concepts de masse volumique et de densité.

Caractéristiques physiques élémentairesHomogénéité

les propriétés du matériau sont supposées identiques en tout point de la pièce.

Exemples de matériaux homogènes : plastiques, céramiques, verre, alliages, papier.

Exemples de matériaux non homogènes (hétérogène) : bois, composite, ciment.

Caractéristiques physiques élémentairesIsotropie

Un matériau est dit isotrope si ses propriétés mécaniques sont identiques dans toutes les directions. On considère généralement les métaux comme étant isotropes statistiquement, c’est-à-dire à l’échelle macroscopique. Cependant après certains procédés de fabrication comme le laminage ou le forgeage, un acier devient anisotrope. Le bois est par contre anisotrope : ses propriétés mécaniques dépendent de la direction d’application des contraintes en raison de sa constitution fibreuse. Un matériau présentant deux directions perpendiculaires pour ses caractéristiques est dit orthotrope. Les matériaux composites sont parfois volontairement rendus anisotropes par l'ajout de fibres pour améliorer leurs propriétés dans une seule direction.

Vélo cadre carbone

Caractéristiques physiques élémentairesPorosité, perméabilité

• PorositéC’est l'ensemble des interstices (connectés ou non) d'une roche ou d'un autre matériau pouvant contenir des fluides (liquide ou gaz).La porosité est aussi une valeur numérique qui caractérise ces interstices, le rapport du volume des vides du matériau divisé par le volume total. Cette valeur est usuellement appelée Φ.

Tableau comparatif de porosité Elément extrêmement poreux

Caractéristiques physiques élémentairesPorosité, perméabilité

• Perméabilité

La perméabilité d'un matériau (une roche, un tissu, etc.) est une grandeur intrinsèque à ce dernier. Elle mesure sa capacité à laisser passer un fluide, elle est indépendante du fluide. Le terme de conductivité hydraulique (ou coefficient de perméabilité) est le rapport entre cette perméabilité et la viscosité du fluide (généralement le fluide est l'eau). Plus un milieu est perméable plus le fluide s'écoulera vite. La perméabilité K s'exprime généralement en Darcy.

1 Darcy = 0,97.10-12 m2

Tableau comparatif de perméabilité

Dans le cas du gravier ou du sable, la perméabilité peut être très supérieure au Darcy et atteindre 103 D (soit 10-9 m2). Dans les matériaux consolidés, les roches les plus poreuses sont les grès. Certains grès peu ou pas cimentés ont des perméabilités de l’ordre du Darcy (10-12 m2). Les matériaux les moins perméables sont les argilites avec des perméabilités de 10-22-10-23 m2.

Caractéristiques physiques élémentairesRésistance électrique

C'est la propriété d'un matériau à ralentir le passage d'un courant électrique. Elle est souvent désignée par la lettre R et son unité de mesure est l‘Ohm (symbole : Ω). Elle est liée aux notions de résistivité et de conductivité électrique. Pour un conducteur filiforme homogène, à une température donnée, il existe une relation permettant de calculer sa résistance en fonction du matériau qui le constitue et de ses dimensions :

la résistivité en Ohmmètre (Ω·m), la longueur en mètre (m), S la section en mètre carré (m2), la conductivité en siemens par mètre (S/m).

Les supraconducteurs sont des matériaux, ayant une résistance nulle proche du zéro absolu.

Caractéristiques physiques élémentairesRésistivité des métaux 10-8 Ω·m à 273 K ou 0 °C

Caractéristiques mécaniques

Il est indispensable pour étudier et comprendre un matériau de le caractériser à l'aide des techniques de caractérisation appropriées. Soit, destructives, c'est-à-dire qui endommagent le matériau (essai de traction). Soit, non destructif, qui n'endommagent pas le matériau et donc l'objet étudié (radio).

• Exemple d’essai destructif : Traction Flexion Dureté

• Exemple d’essai non destructif : Le contrôle Examen visuel (VT) Le contrôle par ressuage (PT)C'est une méthode destinée à révéler la présence de discontinuités ouvertes en surface de pièces métalliques, essentiellement, mais aussi en céramique. Elle consiste à badigeonner (par immersion ou par pulvérisation électrostatique, parfois mais rarement, au pinceau) la cible avec un liquide fluorescent. Les rayons X Les ultrasons (US)

Caractéristiques mécaniquesRésistance à la traction

C’est un essai qui permet de mesurer le degré de résistance à la rupture d'un matériau quelconque.Cet essai ou expérience consiste à placer une petite barre du matériau à étudier entre les mâchoires d'une machine de traction qui tire sur la barre jusqu'à sa rupture. On enregistre l'allongement et la force appliquée, que l'on convertit ensuite en déformation contrainte.

L'essai de traction donne plusieurs valeurs importantes :le module de Young : E, ou module d'élasticité longitudinale ; la limite élastique : Re ou σe, qui sert à caractériser un domaine conventionnel de réversibilité ; la limite à la rupture : Rm ou σm ; L’allongement à la rupture : A, qui mesure la capacité d'un matériau à s'allonger sous charge avant sa rupture, propriété intéressante dans certaines applications ; le coefficient de poisson, qui chiffre la variation de volume induite par la déformation des matériaux dans le domaine élastique.

Caractéristiques mécaniquesRésistance à la traction

Mesure de contraintes réalisée sur une poutre encastrée avec creo simulate

Caractéristiques mécaniquesRésistance à la rupture (essai de résilience)

C’est un essai qui consiste à rompre, par un seul choc, une éprouvette préalablement entaillée en son milieu et à mesurer l’énergie W (en joules) absorbée par la rupture. La résilience est définie par la lettre K (Joules/cm²)

L’essai se réalise sur une machine appelée mouton pendule rotatif. On mesure la résistance au choc du matériau.

Eprouvette en V

Caractéristiques mécaniquesRésistance à la rupture (essai de résilience)

Calcul de la résistance Kcv

KcV (J/cm²) = W/S

Avec :W en Joules et S en cm²

Différents types d'éprouvettes CHARPY V

Normales (55x10x10) :Surface de rupture :0,8 cm²Réduites (55x7,5x10) :Surface de rupture :0,6 cm²Réduites (55x5x10) : Surface de rupture :0,4 cm²

Caractéristiques mécaniquesDuctilité

Elle désigne la capacité d'un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre.

Un matériau est ductile si :• son allongement et sa striction à la rupture sont importants ; • l'énergie dépensée pour le casser est importante. Inversement un matériau est fragile si :• son allongement et sa striction à la rupture sont faibles ; • l'énergie dépensée pour le casser est faible.

Striction : resserrement locale du diamètre sous une forte traction

Caractéristiques mécaniquesEssai de dureté

La dureté d'un matériau définit la résistance qu'oppose une surface de l'échantillon à la pénétration d'un corps plus dur, par exemple la bille ou la pointe d'un duromètre. À la différence des minéraux dont la dureté est caractérisée par rayage, on utilise généralement des essais de rebondissement ou de pénétration pour caractériser la dureté des métaux, des matières plastiques et des élastomères.

Mesure de dureté par rebondissement

Cet essai est principalement utilisé pour tester la dureté des élastomères. Pour cela on laisse chuter bien verticalement et d'une hauteur fixe une petite masse d'acier terminée par un diamant arrondi. La masse est guidée dans sa chute par un tube lisse. La dureté est évaluée ensuite d'après la hauteur du rebond.Cet essai mesure l'énergie de déformation élastique absorbée par les matériaux

Caractéristiques mécaniquesEssai de dureté

Mesures de dureté par pénétration intense

Il s'agit des essais les plus couramment pratiqués. Le principe est toujours identique : un pénétrateur indéformable laisse une empreinte dans le matériau à tester. On mesure les dimensions de l'empreinte et on en déduit la dureté.

Il existe une grande variété d'essais de dureté possibles :Dureté Vickers (HV), qui a l’échelle la plus large ; Dureté Brinell (HB) ; Dureté Rockwell (HR), principalement aux États-Unis d'Amérique ;

Caractéristiques mécaniquesEssai de dureté

Mesures de dureté par pénétration intense

Il s'agit des essais les plus couramment pratiqués. Le principe est toujours identique : un pénétrateur indéformable laisse une empreinte dans le matériau à tester. On mesure les dimensions de l'empreinte et on en déduit la dureté.

Il existe une grande variété d'essais de dureté possibles :Dureté Vickers (HV), qui a l’échelle la plus large ; Dureté Brinell (HB) ; Dureté Rockwell (HR), principalement aux États-Unis d'Amérique ;

Caractéristiques mécaniquesEssai de dureté

Exemple dureté Brinell (HB)

Machine de dureté

Caractéristiques mécaniquesEtat de surface

Lors de la réalisation d’une pièce, sa surface n’est jamais parfaite. En fonction de cet état de surface, cela peut entraîner des problèmes de fonctionnement ou d’étanchéité. C’est pour cela qu’on définir sont état de surface.En mécanique, l'état de surface est un élément de cotation d'une pièce indiquant la fonction, la rugosité, la géométrie et l'aspect des surfaces usinées.

Etat de surface d’une pièce sciée

Caractéristiques mécaniquesEtat de surfaceFonction de surface

On doit indiquer :• le symbole de la fonction,

Caractéristiques mécaniquesEtat de surfaceFonction de surface

On doit indiquer :• le symbole et la valeur numérique du critère caractéristique (pour la majorité des

applications on choisit soit R, soit Ra)

Spécification normalisée

1 : Critère d’état de surface demandé2 : Valeurs numériques des critères demandés3 : Position des stries par rapport à la surface4 : Fonction de la surface5 : Procédé d’élaboration éventuel.

Caractéristiques mécaniquesEtat de surfaceRugosité

Elle est à la fois reliée à une notion sensorielle (une surface lisse est plus luisante, plus agréable au toucher…) et à des critères fonctionnels : la rugosité d’une surface explique sa sensibilité à la corrosion, à l’usure, ainsi que ses propriétés d’adhérence, de glissement ou encore de roulement…Par définition c'est l'ensemble des irrégularités d'une surface à caractère micrographique et macrographique

On distingue 2 niveaux de défauts d'état de surface :Niveau 1 : stries périodiques Niveau 2 : défauts apériodiques : arrachement de matière

Exemple rugosité de surfaces usinées en micromètre:Alésage :

outil acier rapide Ra / R (6,3 / 16) - 3,2 / 10 - 1,6 / 4 - (0,8 / 2) outil carbure ou diamant Ra / R (3,2 / 10')' - 1,6 / 4 - 0,8 / 2 - (0,4 / 1) à l'alésoir Ra / R (6,3 / 16) - 3,2 / 10 - 0,8 / 2 - (0,4 / 1)

Caractéristiques mécaniquesEtat de surfaceIndication d’un état de surface

Caractéristiques mécaniquesUsure et rendement

Même dans le cas de deux surfaces en contact parfaitement polies, il existe toujours des irrégularités qui freinent le mouvement d’un élément par rapport à l’autre. Ces irrégularités entraînent un frottement.Les frottements interviennent dans la grande majorité des phénomènes physiques de la vie courante. Ils sont parfois exploités (par exemple pour le freinage), mais ils ont également des conséquences fâcheuses (usure, perte d‘énergie et de rendement, échauffement, etc).

Caractéristiques mécaniquesUsureElle correspond à une perte de matière par suite de déformations plastiques, de fracturations, ou d’un enlèvement de matière, d’un ou des corps en glissement.

Les causes possibles de l’usure sont extrêmement variées ; les différents types de phénomènes pouvant intervenir, séparément ou simultanément, appartiennent à deux groupes de facteurs :• Effets du contact proprement dit : interactions mécaniques, chimiques, métallurgiques,

entre les deux corps en présence ;• Effets de l’environnement (atmosphère, lubrifiant...) Elle est mesurée par le taux d'usure spécifique Ws (la perte de volume par distance de glissement et charge, unité: 10-6 mm3/Nm) d'un matériau.

Usure par cavitation

Caractéristiques mécaniquesRendement

Il qualifie la manière dont une action, un procédé de transformation, un processus renvoie le résultat prévu ou attendu.

Généralement le rendement en mécanique et en physique est le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d’entrée. La différence de puissance se dissipe généralement sous forme de bruit (frottements), chaleur etc.Par définition un rendement est toujours inférieur à 1 .

Exemple pour un moteur électrique à courant continu :

η = =

FIN