RSUM THORIQUE & GUIDE DE TRAVAUX PRATIQUES

MODULE 12 : Matriaux, Procds de mise en forme, Traitement s

Secteur : FABRICATION MCANIQUE

Spcialit : T.S.M.F.M.

Niveau : TECHNICIEN SPCIALIS

OFPPT

ROYAUME DU MAROC

Office de la Formation Professionnelle et de la Promotion du Travail Direction Recherche et Ingnierie de la Formation

Document labor par :

Nom et prnom FLOREA FLORIAN CDC GM DRIF

Rvision linguistique---

Validation- ETTAIB Chouab--

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SOMMAIRE

Page Prsentation du module

Rsum de thorie 1. Types de conception 19

2. Classes de matriaux et types de procds 23 3. Caractristiques des matriaux 30 4. Proprits caractrisant un matriau 33 5. Diagramme dquilibre fer/carbone 51 6. Dsignation des fontes 66

7. Dsignation des aciers 67 8. laboration de lacier 71 9. La mise en uvre 8010. TRAITEMENTS THERMIQUES des aciers 8811. Choix et utilisation des mtaux 93

I. Bibliographie 111

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MODULE 12 : PARTIE 1: CHOIX ET DSIGNATION DES MATRIAUX

Code : Dure : 18 heures

OBJECTIF OPRATIONNEL DE PREMIER NIVEAUDE COMPORTEMENT

COMPORTEMENT ATTENDU

Pour dmontrer sa comptence, le stagiaire doit choisir et dsigner des matriaux selon le besoinselon les conditions, les critres et les prcisions qui suivent.

CONDITIONS DEVALUATION

Travail individuel. partir :

- de plan, de croquis ou de directives;- de plan de dfinition des pices avec des fonctions prcises ;- dun cahier des charges ( fonctions et caractristiques attendues ) ;- dune base de donnes;

laide :- de normes ;- de formulaires, abaques et diagrammes;- dune bibliographie technique de rfrence ; - des catalogues fournisseurs ;

CRITERES GENERAUX DE PERFORMANCE

Bonnes connaissances en technologie gnrale des matriaux ; Dsignation correcte et respect des normes ; Utilisation exacte de la terminologie approprie ; Dmarche judicieuse dapproche et danalyse de problme de choix de matriau; Choix mthodique et justifi dun matriau en fonction des critres techniques et

conomiques ; Souci du rapport qualit / prix Analyse de la valeur

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OBJECTIF OPERATIONNEL DE PREMIER NIVEAUDE COMPORTEMENT ( suite )

PRECISIONS SUR LE COMPORTEMENT ATTENDU

A. Dsigner des matriaux mtalliques ferreux et non ferreux

B. Choisir un mtal ferreux et non ferreux en fonction des besoins et des performances mcaniques utiles en construction de qualit courante

C. Choisir le type dessai mcanique en fonction de lapplication envisage

D. Choisir les traitements thermiques (TT) et mcaniques en fonction des performances recherches

E. Choisir le brut en fonction des critres techniques et conomiques

F. Choisir un matriau de synthse en fonction de son utilisation et des performances mcaniques utiles en construction de qualit courante et dialoguer avec un spcialiste

CRITERES PARTICULIERS DEPERFORMANCE

- Respect de la normalisation - Utilisation correcte de la terminologie

approprie

- Justesse dinterprtation du cahier des charges- Choix en fonction des critres techniques et

conomiques- Analyse de la valeur

- Choix correct dun type dessai mcanique en fonction des caractristiques vrifier

- Choix correct du TT et mcanique en fonction des spcifications demandes par le cahier des charges

- Bonnes connaissances au niveau des modes opratoires des diffrentes techniques

- Choix en fonction des critres techniques et conomiques

- Analyse de la valeur- Dialoguer correctement avec un spcialiste

- Choix en fonction des critres techniques et conomiques

- Analyse de la valeur- Dialoguer correctement avec un spcialiste

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OBJECTIFS OPERATIONNELS DE SECOND NIVEAU

Le stagiaire doit matriser les savoirs, savoir-faire, savoir-percevoir ou savoir-tre juges pralables aux apprentissages directement requis pour latteinte de lobjectif oprationnel de premier niveau, tels que :

Avant dapprendre dsigner correctement les matriaux mtalliques ferreux et non ferreux (A) :

1. Connatre les principaux modes dlaboration des mtaux et alliages mtalliques

Avant dapprendre choisir un mtal ferreux et non ferreux en fonction des besoins et des performances mcaniques utiles en construction de qualit courante (B) :

2. Dfinir les critres de choix et lemploi conomique des matriaux mtalliques3. Connatre les formes standards commercialises et leurs cots

Avant dapprendre choisir le type dessai mcanique en fonction de lapplication envisage (C) :

4. Indiquer les proprits mcaniques des matriaux mtalliques et les essais correspondants

Avant dapprendre choisir les traitements thermiques et thermochimiques en fonction des performances recherches (D) :

5. Connatre les traitements thermiques et thermochimiques courants ainsi que les amliorations des performances mcaniques associes

Avant dapprendre choisir le brut en fonction des critres techniques et conomiques (E) :

6. Connatre les principaux procds dobtention des pices brutes : avantages et inconvnients

7. Se soucier du rapport qualit / prix et dlai8. Sinformer des nouvelles techniques de mise en forme des matriaux

Avant dapprendre choisir un matriau de synthse en fonction de son utilisation et des performances mcaniques utiles en construction de qualit courante et dialoguer avec un spcialiste (F) :

9. Connatre la structure, les grandes familles et la dsignation des matriaux de synthses

10. Connatre le principe des procds de mise en forme de ces matriaux

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MODULE 12 : PARTIE 2 : TRAITEMENTS ET PROCDS DE MISE EN FORME DES MATRIAUX

Code : Dure : 18 heures

OBJECTIF OPRATIONNEL DE PREMIER NIVEAUDE COMPORTEMENT

COMPORTEMENT ATTENDU

Pour dmontrer sa comptence, le stagiaire doit proposer selon le besoin :

- des traitements thermiques, thermochimiques - des traitements de surfaces- des procds de mise en forme des matriaux

selon les conditions, les critres et les prcisions qui suivent.

CONDITIONS DEVALUATION

Travail individuel. partir :

- de plans, de croquis ou de directives;- de questions et problmes poss par le formateur;

laide :- de plans, de croquis ou de directives;- de questions poses par le formateur;

CRITERES GNRAUX DE PERFORMANCE

Dsignation correcte des matriaux, respect des normes Choix justifi dun traitement et des procds en fonction des critres :

- techniques- conomiques

Capacit dialoguer avec un spcialiste dans le domaine

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OBJECTIF OPRATIONNEL DE PREMIER NIVEAUDE COMPORTEMENT (suite)

PRECISIONS SUR LE COMPORTEMENT ATTENDU

A. Choisir un traitement thermique en fonction du besoin

B. Choisir un traitement de surface appropri

C. Slectionner un procd de mise en forme des matriaux

CRITERES PARTICULIERS DEPERFORMANCE

- Choix justifi en fonction des critres techniques et conomiques

- Dialoguer avec un spcialiste dans le domaine (sous-traitant)

- Connaissances au niveau des modes opratoires

- Choix justifi en fonction des critres techniques et conomiques

- Dialoguer avec un spcialiste dans le domaine (sous-traitant)

- Connaissances au niveau des modes opratoires

- Choix justifi en fonction des critres techniques et conomiques

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OBJECTIFS OPERATIONNELS DE SECOND NIVEAU

Le stagiaire doit matriser les savoirs, savoir-faire, savoir-percevoir ou savoir-tre juges pralables aux apprentissages directement requis pour latteinte de lobjectif oprationnel de premier niveau, tels que :

Avant dapprendre choisir un traitement thermique en fonction du besoin et dialoguer avec un spcialiste (A) :

1. Identifier les lments thoriques et pratiques essentiels la comprhension des traitements thermiques utiliss

2. Dterminer le ou les traitements thermiques adapts la ralisation de pices mcaniques et dfinir les paramtres de contrle

3. Formuler les bonnes questions aux spcialistes des traitements thermiques4. Sinformer des nouvelles techniques dans le domaine des traitements thermiques

Avant dapprendre choisir un traitement de surface appropri et dialoguer avec un spcialiste (B) :

5. Identifier les sollicitations et les causes de dgradations des pices dans leurs conditions dutilisation

6. Dterminer le ou les traitements de surface adapts la ralisation de pices mcaniques et dfinir les paramtres de contrle

7. Formuler les bonnes questions aux spcialistes des traitements de surface8. Sinformer des nouvelles techniques dans le domaine des traitements de surface

Avant dapprendre slectionner le procd de mise en forme des matriaux et dialoguer avec un spcialiste (C) :

9. Identifier le procd mettre en uvre pour la ralisation dune pice (fonderie; dformation plastiques ; mtallurgie des poudres ; collage et dassemblage)

10. Adapter la gomtrie de base donner la pice en fonction du mode de fabrication11. valuer lintrt dune solution par rapport aux autres procds12. Formuler les bonnes questions aux spcialistes dans le domaine des procds de mise

en forme13. Sinformer des nouvelles techniques dans le domaine des procds de mise en forme

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MODULE 12 : Partie 1 : CHOIX ET DSIGNATION DES MATRIAUX

Code : Thorie : 50 % 9 hDure : 18 heures Travaux pratiques : 42 % 7,30 hResponsabilit : Dtablissement Evaluation : 8 % 1,30 h

OBJECTIF OPRATIONNEL DE PREMIER NIVEAUDE COMPORTEMENT

COMPTENCE

Choisir et dsigner des matriaux selon le besoin

PRSENTATION

Ce module de comptence gnrale pour le Technicien Mthodes se dispense en cours des deux annes du programme de formation, en partie en mme temps que le module usinage pices simples. La relation entre la conception de pices de nature dusage et leur faisabilit devra tre un souci quotidien.

DESCRIPTION

Lobjectif de ce module est de faire acqurir la comptence gnrale lui permettant de rpondre aux questions sur le choix, lutilisation et la mise en forme des matriaux lors de la conception des pices mcaniques partir dun cahier des charges. Il vise donc rendre le stagiaire apte communiquer avec les spcialistes en matriaux et leur mise en forme en adoptant un comportement mthodique et communicatif.

CONTEXTE DENSEIGNEMENT

Bien que plusieurs lments de connaissances et dexercices pratiques de base puissent se raliser sur des moyens de laboratoire pour la ralisation des essais, les traitements thermiques, il est trs important de favoriser des recherches dinformation sous forme dexpos.

La documentation doit tre disponible et il est important de faire le lien entre les la technologie des matriaux et sa mise en uvre en conception mcanique.

Les stagiaires auront faire en groupe des exposs sur des thmes techniques dusinage (aciers, fontes, traitements thermiques, thermochimiques).

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CONDITIONS DEVALUATION

Travail individuel

A partir :- Dun cahier des charges- De consignes et directives : qualit, quantit et dlai- De plan de dfinition, de croquis main leve- Du parc machine disponible

A laide :- Des documents relationnels, des mthodes, des standards dentreprise- Des dossiers machines- Des catalogues de fournisseurs des outils et outillages

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OBJECTIFS ELEMENTS DE CONTENU

11. Connatre les principaux modes dlaboration des mtaux et alliages mtalliques

A. Dsigner les matriaux mtalliques ferreux et non ferreux

12. Dfinir les critres de choix et lemploi conomique des matriaux mtalliques

13. Connatre les formes standard commercialises et leurs cots

B. Choisir un mtal ferreux et non ferreux en fonction des besoins et des performances mcaniques utiles en construction de qualit courante

14. Indiquer les proprits mcaniques des matriaux mtalliques et les essais correspondants

C. Choisir le type dessai mcanique en fonction de lapplication envisage

15. Connatre les traitements thermiques et

- Le haut fourneau- Diffrents types de fours- Modes dlaboration des mtaux :

Fontes Aciers

- Elments daddition

- Dsignation normalise des : aciers fontes alliages daluminium alliages de cuivres

- Codification et dsignation commercialise- Utilisation des catalogues techniques- Utilisation de la terminologie approprie

- Critre de la fonction remplir - Critre de rsistance- Critre conomique

- Dimensions normalises- Srie RENARD- Rond- Plat- Tube- Diffrent type de profiles- Principaux fournisseur dans la rgion - Utilisation des catalogues constructeurs

- Interprtation du cahier des charges- Choix en fonction des critres techniques et

conomiques- Analyse de la valeur

- Essais de traction : tnacit- Essais de rsilience : rsistance au choc- Essais de duret (B, V, R) : duret- Essais dendurance (fatigue) : endurance

- Choix dun type dessai mcanique en fonction des caractristiques vrifier

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thermochimiques courants ainsi que les amliorations des performances mcaniques associes

D. Choisir les traitements thermiques (TT) et thermochimique (TC) en fonction des performances recherches

16. Connatre les principaux procds dobtention des pices brutes : avantages et inconvnients

17. Se soucier du rapport qualit / prix et dlai

18. Sinformer des nouvelles techniques de mise en forme des matriaux

E. Choisir le brut en fonction des critres techniques et conomiques

19. Connatre la structure, les grandes familles et la dsignation des matriaux de synthses

20. Connatre le principe des procds de mise en forme de ces matriaux

F. Choisir un matriau de synthse en fonction de son utilisation et des

- La trempe, Le revenu, Le recuit- La cmentation- La nitruration- Carbonitruration

- Choix du TT et TC en fonction des spcifications demandes par le cahier des charges

- Modes opratoires - Duret et usinage

- Diffrent type de moulage- Forgeage- Estampage

- Avantages et inconvnients des diffrents procds dobtention de brut

- Choix du procds en fonction de : la quantit, la qualit, le prix et le dlai

- Procds automatiques de : Moulage Forgeage etc

- Recherche dinformation et exposs techniques

- Choix en fonction des critres techniques et conomiques

- Analyse de la valeur- Contact des spcialistes en forgeage,

estampage et moulage

- Les polymres : structures et le proprits de mise en uvre

- Matriaux thermoplastiques (types courants)- Matriaux thermodurcissables (types

courants)- Les matriaux composites- Dsignation

- Mise ne formes des polymres : Extrusion Injection Thermoformage etc

- Matriaux composites

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performances mcaniques utiles en construction de qualit courante et dialoguer avec un spcialiste - Conception des pices plastiques :

dimensions, formes courantesprcisions.

- Choix en fonction des critres techniques et conomiques

- Analyse de la valeur- Contact des spcialistes dans le domaine des

composites

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MODULE 12 : Partie 2 : TRAITEMENT ET PROCEDES DE MISE EN FORME DES MATRIAUX

Code : Thorie : 67 % 12 hDure : 18 heures Travaux pratiques : 25 % 4,30 hResponsabilit : Dtablissement Evaluation : 8 % 1,30 h

OBJECTIF OPERATIONNEL DE PREMIER NIVEAUDE COMPORTEMENT

COMPETENCE

Choisir les traitements et les procds de mise en forme des pices en fonction du cahier des charges.

PRESENTATION

Ce module de comptence gnrale pour les Techniciens Mthodes se dispense en deuxime et troisime semestre du programme de formation.

DESCRIPTION

Lobjectif de ce module est de faire acqurir la comptence gnrale pour confrer au mthodistes les bases ncessaires lanalyse de fabrication des pices brutes en tenant compte des procds de mise en forme des pices en fonderie et estampage et en proposant divers traitements pour rpondre au exigences de cahier des charges (dessin de dfinition) et de conception (duret, traitements thermiques, thermochimique, traitement de surface). La relation entre la conception de pices et leur faisabilit devra tre un souci quotidien. Il vise donc rendre le stagiaire apte communiquer avec les spcialistes en traitements thermiques et de surfaces et des spcialistes de mise en forme des matriaux : fonderie, estampage, forgeage en adoptant un comportement mthodique et communicatif.

CONTEXTE DENSEIGNEMENT

Bien que plusieurs lments de connaissances et dexercices pratiques de base puissent se raliser sur des moyens de laboratoire comme la ralisation des essais, les traitements thermiques, il est trs important de favoriser des recherches dinformation sous forme dexpos.

La documentation doit tre disponible et il est important de faire le lien entre les la technologie des matriaux et sa mise en uvre en conception mcanique.

Viser aussi lanalyse des modes opratoires dans le cas des traitements.

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CONDITIONS DEVALUATION

Travail individuel.

partir :- dun cahier des charges ;- de consignes et directives : qualit, quantit et dlai ;- de plan de dfinition, de croquis main leve ;- du parc machine disponible ;

laide :- des documents relationnels, des mthodes, des standards dentreprise ;- des dossiers machines;- des catalogues de fournisseurs des outils et outillages ;

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OBJECTIFS LMENTS DE CONTENU

14. Identifier les lments thoriques et pratiques essentiels la comprhension des traitements thermiques utiliss

15. Connatre les diffrentes types de traitements thermiques

16. Adapter le traitement thermique la gomtrie de base de la pice

D. Choisir un traitement thermique en fonction du besoin

17. Identifier les sollicitations et les causes de dgradations des pices dans leurs conditions dutilisation

18. Dterminer le ou les traitements de surface adapts la ralisation de pices mcaniques

19. Adapter le traitement de surface la

- Modification des structures et de la constitution- Les alliages : constitution et structure- Diagramme dquilibre- Lignes de transformation- Digramme Fer-Carbone

- Traitements thermiques des aciers (but, mcanisme, dfauts et remdes ) :

- Trempe- Trempe tage- Revenu- Revenu durcissant- Recuit dadoucissement,

dhomognisation, de rgnration des aciers, de stabilisation, de recristallisation

- Traitements superficiels : cmentation, nitruration et carbonitruration

- Trempabilit- Dfauts de traitements thermiques : contraintes,

fissures,

- Interprtation du cahier des charges- Rpondre un besoin : caractristiques

mcaniques demandes- Critres de choix : techniques et conomiques- Modes opratoires des traitements- Position dun traitement dans une gamme de

fabrication

- Corrosion : formes, types et modes de protection- Erosion - Usure

- Prparation des surfaces : grenaillages, sablage,

- Protection et stockage des pices - Peinture : choix de peinture- Revtement par projection- Dpt chimique en phase vapeur : CVD- Dpt physique en phase vapeur : PVD- Revtement et dpts lectrochimiques - Traitement mcanique : galetage, grenaillage de

prcontrainte- Contrle : propret, rugosit, paisseur, aspect,

adhrence

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gomtrie de base de la pice

E. Choisir un traitement de surface appropri

20. Connatre le procd mettre en uvre pour la ralisation de brut

21. Adapter le procd dlaboration de brut la gomtrie de base et aux spcifications demandes de la pice

F. Slectionner un procd de mise en forme des matriaux

- Formes gomtriques facilitant les traitements de surfaces

- Interprtation du cahier des charges- Rpondre un besoin : caractristiques et

spcifications mcaniques demandes.- Critres de choix : techniques et conomiques- Modes opratoires des traitements de surface- Position dun traitement dans une gamme de

fabrication

- Fonderie; - Dformation plastiques : forgeage, estampage - Mtallurgie des poudres - Collage et dassemblage

- Avantages inconvnients des pices en fonderie : formes complexes,

- Avantages inconvnients des pices estampes : caractristiques mcaniques, notions de fibres,

- Mtallurgie des poutres : avantages et inconvnients

- Interprtation du cahier des charges- Rpondre un besoin : caractristiques et

spcifications mcaniques demandes.- Critres de choix : techniques et conomiques- Impact du brut dans la gamme de fabrication

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1. Types de conceptionLe choix de matriaux est diffrent selon quil sagit dune conception de variation, adaptative ou innovante.

Conception de variation : il sagit de faire un changement de taille, une amlioration de forme ou de performances sans que le principe soit chang ; le passage des contraintes aux efforts, la modification des dimensions, ... peuvent amener des changements de matriau.

Par exemple, les bielles de moteur automobile sont soumises des efforts de compression et de traction. Elles sont ralises en grande srie (plusieurs millions de pices par an dans des matriaux varis) : en fonte pour les moteurs de faible cylindre et peu chargs ; en acier fritt-forg pour les moteurs peu chargs (surtout aux USA) ; en acier forg pour des performances plus leves ; rarement en alliage de titane (30 % dallgement, mais cher) pour le sport automobile.Le matriau nest pas le seul critre, bien sr !Dans un domaine plus banal, la pince linge fut dabord une petite branche de bois fendue, puis deux pices de bois relies par un ressort mtallique, pour devenir une pice unique de plastique bon march assurant toutes les fonctions (serrement modr, tenue lenvironnement, cot trs faible) ;

Conception adaptative : on part dun concept existant pour en amliorer les fonctions.

Par exemple, lindustrie du nuclaire a remis en question les matriaux partir de linfluence des rayonnements sur la tenue en service.De faon plus banale, le crayon-bille, lautocuiseur, le petit lectromnager, lagrafe et lagrafeuse, ..., sont des objets mcaniques qui furent innovants.

Conception innovante : on veut mettre en oeuvre une ide nouvelle ou un nouveau principe de fonctionnement, le champ des conventions usuelles du milieu doit tre remis en question.

Le point de dpart de la conception d'un produit industriel est une ide innovante ou un besoin du march. L'tape ultime correspond toutes les spcifications qui rendent la ralisation du produit possible.Il est impratif de dfinir prcisment ds le dpart le besoin satisfaire (sous la forme d'un nonc du type il nous faut raliser une pice qui remplit telle fonction). Les traits classiques de conception insistent sur la ncessit d'une spcification de la fonction indpendamment de toute solution remplissant cette fonction, cette prcaution ayant pour but d'viter les limitations qui pourraient rsulter d'ides prconues.La dmarche de conception consiste ensuite dvelopper des concepts qui peuvent potentiellement remplir la fonction demande. cette tape de la conception, toutes les options demeurent ouvertes, et le concepteur se doit d'envisager tous les concepts possibles et toutes leurs combinaisons. l'tape suivante, chaque concept est analys un niveau d'approximation qui permet de dterminer grossirement la taille des pices, les contraintes mcaniques auxquelles elles sont soumises, les tempratures et environnements dans lesquels elles doivent fonctionner. cette tape, le concepteur doit slectionner les classes de matriaux qui peuvent ventuellement tre utiliss dans ces conditions.Le concepteur passe ensuite de ce schma de faisabilit une tape de conception dtaille dans laquelle les spcifications de chaque lment sont prcises. Les composants critiques sont alors analyss en dtail (du point de vue mcanique et thermique), des mthodes d'optimisation sont utilises pour maximiser la performance de

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composants ou de groupes de composants, et enfin un choix dfinitif de la forme et des matriaux adapts est arrt.L'aspect production et cot est alors analys et cela conduit clore la dmarche de conception par des spcifications de production.Cette dmarche de conception se dcline quelque peu diffremment si l'on a affaire non pas une conception originale qui dmarre pour ainsi dire de rien, mais une conception adaptative, ou une conception de variation qui, toutes deux, partent d'un produit dj existant.

La conception originale implique une ide nouvelle ou un nouveau principe de fonctionnement (comme le stylo bille ou le disque compact). Dans cette dmarche de conception, il est impratif de rflchir avec le maximum de latitude, d'envisager toutes les solutions possibles et de choisir, par une dmarche rationnelle, la meilleure d'entre elles. Cette largeur de vue doit aussi s'appliquer au choix des matriaux. De nouveaux matriaux peuvent rendre possibles des conceptions originales : le silicium de haute puret a rendu possible le transistor, le verre de haute puret la fibre optique, les aimants permanents haute coercivit les appareils auditifs, les alliages haute tenue en temprature les turbines de racteurs.Quelquefois, le nouveau matriau suggre le nouveau produit, d'autres fois le nouveau produit exige le dveloppement de nouveaux matriaux. Par exemple, l'industrie nuclaire a conduit au dveloppement de nouveaux alliages, la technologie des turbines de racteurs est aujourd'hui motrice dans le dveloppement des cramiques ou des composites matrice mtallique.

La conception adaptative part d'un concept dj existant et recherche une amlioration incrmentale en raffinant le principe de fonctionnement. Ce type de conception est, lui aussi, rendu possible par le dveloppement des matriaux : les polymres ont remplac les mtaux dans les objets lectromnagers, la fibre de carbone le bois dans les objets pour le sport. La conception adaptative de la bote pour boisson a conduit une rude comptition entre l'aluminium et l'acier. Des marchs entiers peuvent tre gagns (ou perdus) selon l'usage que le manufacturier fait des matriaux classiques et des nouveaux matriaux.

La conception de variation concerne un changement de taille ou une amlioration de dtail sans que la fonction ou son principe de ralisation soit modifi. Par exemple, la conception de rservoirs de plus grande taille impose le choix de nouveaux matriaux. Les bateaux de petite taille sont raliss en fibre de verre, alors que les bateaux de taille importante sont en acier ; les chaudires peuvent, suivant leur capacit, tre ralises en cuivre ou en acier ; on utilise pour les avions subsoniques certains alliages qui ne sont pas adapts aux avions supersoniques.Aux diffrentes tapes de la conception, la slection des matriaux et des procds se pose en des termes diffrents (figure 1) ; il est donc impratif de se poser cette question tout au long de la procdure de conception, faute de quoi l'on risque de se voir imposer une solution moindre performance parce que l'on n'a pas envisag les diffrentes conceptions qu'un autre choix de matriau et rendu possible. Le choix des matriaux et des procds et la conception de la pice se doivent idalement d'tre interactifs. Les rcentes expriences de carrosserie en aluminium pour l'automobile utilisant une structure dite en cage d'oiseau sont un bel exemple d'une telle interactivit. l'tape de conception prliminaire, on se doit de considrer l'ensemble des matriaux possibles, ce qui suggre l'utilisation de donnes sur de vastes familles, mais avec une relativement faible prcision. Quand on parcourt les tapes successives de la slection, les choix possibles deviennent

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de plus en plus prcis dans des classes de matriaux de plus en plus dfinies : la conception dtaille impose le choix d'une nuance prcise de matriau pour laquelle la conception est finalise.De plus en plus, les concepteurs ont leur disposition des aides informatiques qui ont pour fonction d'acclrer la procdure dcrite par la figure 1 : il ne s'agit pas de remplacer l'ingnieur mais, au contraire, de lui faire gagner du temps sur les tapes qui peuvent tre systmatises, pour lui laisser plus de latitude dans l'innovation, voire pour lui suggrer des choix possibles. Depuis peu, il existe des outils informatiques d'aide la slection des matriaux et des procds. Les mieux dvelopps ce jour sont ceux qui concernent les dernires tapes de la conception, la conception de dtail. Les outils informatiques pour la slection des matriaux, en revanche, sont tout spcialement importants dans les premires tapes de la conception. Que cela concerne le choix des matriaux ou l'aide au choix des concepts de pice, c'est dans ces premires tapes que les aides informatiques sont, ce jour, les moins dveloppes ; c'est ce niveau de la conception que la plupart des recherches se concentrent actuellement. L'objectif envisag terme est la conception intgre assiste tout au long par ordinateur.

Interaction matriau-forme-procdEn principe, on ne peut dcoupler la slection du matriau et celle du procd : le choix du matriau limite les procds possibles, le choix du procd modifie les proprits du matriau. La fonction recherche impose la fois le choix du matriau, de la forme de la pice et du procd permettant de l'obtenir (figure 3). Un exemple particulirement saisissant de cette interaction est la slection des alliages et des procds pour les pices moules : les choix du procd, de l'alliage et de la forme de la pice ne peuvent tre spars. De cette imbrication entre les diffrents aspects du choix rsulte une difficult certaine : il est impossible de choisir le matriau sans connatre le procd, ni le procd sans connatre le matriau ; il s'ensuit que la procdure de slection se doit d'tre itrative et procdera suivant une hirarchisation des problmes : on slectionnera d'abord un ensemble de matriaux auxquels seront associs un ensemble de procds envisageables, parmi lesquels on choisira ceux qui sont a priori mieux adapts la fonction recherche ; on itrera la procdure en prcisant chaque tape les choix du matriau et du procd.

Pour pouvoir raliser efficacement cette itration, il est ncessaire de disposer d'informations sur les matriaux et sur les procds diffrents degrs de prcision suivant la gnralit du champ envisag. Mais le point cl de la slection des matriaux et des procds est avant tout la rdaction prcise du cahier des charges exig par la fonction recherche. Ce cahier des charges peut tre en partie traduit en termes de performance des matriaux, mais certains aspects, qui sont tout aussi importants, doivent demeurer qualitatifs.Il est de la toute premire importance d'identifier la fois les fonctions requises, les contraintes imposes et les objectifs optimiser; cette dmarche conduira dterminer les performances des matriaux envisags. Mais il est tout aussi important de clairement identifier les limitations au choix des matriaux (la temprature de fonctionnement, la rsistance l'usure) qui ne se traduisent pas ncessairement en termes de performances mais en termes d'exigences incontournables. Enfin il importera de grer, dans la plupart des cas, un problme de slection multicritre, avec la question difficile de l'importance relative des diffrents critres.

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Cahier des chargesQuand on aborde un problme de slection de matriau pour une pice donne, il est utile de disposer d'une srie de questions systmatiques qui permettent de baliser le problme et d'identifier toutes les performances et les optimisations requises, toutes les limitations imposes, de quelque nature qu'elles soient. Cette tape de rdaction soigne du cahier des charges doit prcder toute tentative de slection, mais elle peut voluer au cours de la recherche du meilleur matriau : ici encore la procdure est itrative.Cela est particulirement vrai en ce qui concerne le problme de choix vis--vis de critres contradictoires. Nous envisageons d'abord l'identification du cahier des charges, puis le problme de la pondration des requtes.La dfinition efficace d'un cahier des charges devant conduire une slection de matriau comprend des informations d'ordre technique sur la pice raliser, des informations de caractre conomique et des informations d'ordre gnral sur l'entreprise qui ralise la pice et sur les clients qui vont l'utiliser. Ces informations gnrales (taille de l'entreprise, niveau de comptence, concurrents potentiels, existence ou non de prototypes, variabilit admise dans les procds ou dans les matriaux, dates limites dans la ralisation du projet...) sont autant de contraintes qu'il convient de garder en mmoire lors de la recherche du matriau et du procd le mieux adapt, non seulement la pice raliser, mais aussi aux possibilits de l'entreprise. Les informations de caractre conomique mettent en jeu les cots de matriaux, les cots de fabrication, les cadences et les sries demandes. Ces informations gnrales et conomiques positionnent le cadre des solutions conomiquement ralistes. Restent les informations purement techniques : il convient d'identifier prcisment les fonctions de la pice (modes de chargement, de sollicitation thermique ou physique), les formes recherches (dimensions et formes imposes, variables libres et variables contraintes, tats de surface requis...), les contraintes exiges (rigidit donne, solidit donne, rsistance la fatigue, l'environnement, l'usure...). Enfin il faut identifier les optimisations recherches (conception masse minimale, cot minimal...).Aussi bien pour les contraintes imposes que pour les optimisations recherches, la premire tape du choix multicritre consiste identifier des ordres de priorit et dcider de la flexibilit que l'on est dispos accepter dans la ralisation des requtes. La rdaction d'un cahier des charges doit comprendre cet aspect de compromis possible pour que ce cahier puisse ultrieurement tre utilis avec plus de souplesse. Il ne faut jamais oublier que, si la condition premire d'une slection de matriau performante est l'existence d'un cahier des charges dtaill et clairement identifi, un des avantages d'une dmarche rationnelle de slection est aussi d'aider l'laboration d'un tel cahier des charges.

Complexit inhrente la procdure de slectionComme nous l'avons dj annonc, la procdure de slection des matriaux est complexe, et d'une complexit qui n'est que partiellement attribuable la varit des matriaux et des procds. La complexit est en fait inhrente la procdure de comparaison des matriaux entre eux. Un choix de matriaux est, par nature, un choix multicritre : pour concevoir un radiateur, on recherche un matriau la fois rigide, solide et rsistant aux chocs ; on exigera en plus une bonne conductivit thermique, une bonne rsistance la corrosion par l'eau chaude. Certains de ces critres sont contradictoires, il faudra pondrer l'importance relative des diverses contraintes. Si l'on exige qu'il soit la fois lger et peu coteux, il faudra aussi tablir un ordre de priorit dans les optimisations.Mais on a souvent affaire des critres non chiffrables (il faut que le matriau soit agrable la vue, chaleureux...), voire des critres non explicites (d'ici quelques annes, il est possible que le matriau doive tre recyclable, peut-tre faudrait-il en tenir

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compte...). C'est cette complexit des diffrents critres, plus encore que la varit des choix possibles, qui rend la procdure de slection si difficile. cette difficult vient s'ajouter le problme de l'estimation des cots. Cette estimation peut tre en partie rationalise en distinguant les cots du matriau et du procd ainsi que les cots d'investissement. Mais l'estimation des cots, pour tre d'une quelconque utilit, doit prendre en compte les spcificits locales de l'entreprise.

2. Classes de matriaux et types de procdsLe choix des matriaux reposant essentiellement sur l'application laquelle ils sont destins et le procd grce auquel ils seront mis en oeuvre, il importe avant tout de brosser deux rapides panoramas : l'un, des grandes classes de matriaux et des proprits gnriques qui les caractrisent ; l'autre, des principales filires de procds permettant, partir de ces matriaux, l'obtention des pices et des produits finis.Ces deux revues dbouchent naturellement sur des inventaires plus dtaills des proprits d'usage des matriaux d'une part, des caractristiques des procds d'autre part, ainsi que des interactions obliges entre un matriau, le produit auquel il est destin et le procd de mise en oeuvre utilis.

2.1. Les grandes classes de matriauxLes proprits physiques des matriaux l'tat solide, qu'elles soient mcaniques, lectriques, magntiques, optiques..., peuvent s'tendre sur plusieurs dcades. La plupart de ces proprits dpendent trs fortement du type d'interaction entre atomes ou molcules qui assure leur cohsion. Ces liaisons interatomiques conditionnent en effet, dans une large mesure, la structure de la matire l'chelle atomique ou molculaire, structure dont la cristallographie et les dfauts ont des consquences capitales sur les caractristiques physico-chimiques et mcaniques du matriau.Il est donc raisonnable, dans l'optique d'une slection de ces matriaux, de les classer en fonction de ces diffrents types de liaisons chimiques. Rappelons que, en fonction de leur position dans la classification priodique de Mendeleev, les espces chimiques constitutives d'un matriau peuvent tablir entre elles :

des liaisons fortes, caractre mtallique, ionique ou covalent ; elles sont prsentes l'intrieur des difices molculaires, ainsi que dans les difices cristallins ou quasi cristallins et les solides amorphes ;

des liaisons faibles, caractre lectrostatique htropolaire intrinsque ou induit ; ce sont elles qui assurent frquemment la cohsion intermolculaire des solides constitus de la juxtaposition de plusieurs molcules.

Les liaisons prsentes dans les matriaux rels ne procdent que trs rarement d'une seule des catgories ci-dessus : les structures lectroniques associes la prsence d'atomes trs divers et aux structures parfois complexes des difices qu'ils tissent entranent le plus souvent un caractre mixte des liaisons relles, avec toutefois une tendance de fond sur la base de laquelle on peut proposer la classification ci-dessous.

2.1.1 Mtaux et alliagesLes matriaux mtalliques, comme leur nom l'indique, comportent des liaisons essentiellement mtalliques, c'est--dire en partie assures par des lectrons dlocaliss. Ils sont constitus des nombreux lments du tableau de la classification priodique qualifis de mtaux (tous lectropositifs, donc donneurs d'lectrons) et de leurs mlanges ou de leurs alliages. La prsence d'un gaz d'lectrons dlocaliss dans l'difice atomique les rend conducteurs de l'lectricit et de la chaleur. C'est galement

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la densit d'tats lectroniques dans la bande de conduction de ces matriaux qui est responsable, lors des interactions avec les rayonnements de longueur d'onde correspondant la lumire visible, de l'clat mtallique, particularit d'aspect qui les caractrisait dj aux yeux des premiers utilisateurs des mtaux de l'poque prhistorique. Les lments mtalliques sont plutt situs dans la partie gauche du tableau de Mendeleev et sont caractriss par un faible potentiel d'ionisation. Il en rsulte un type de liaison atomique caractre collectif et faiblement dirig, d la dlocalisation des lectrons de conduction. Contrairement aux mtallodes qui sont diamagntiques, les mtaux sont gnralement paramagntiques, voire ferromagntiques. Leurs tempratures de fusion et de vaporisation sont en gnral leves, et ils cristallisent souvent dans des structures compactes cubiques faces centres ou hexagonales compactes (cfc et cph), sauf les mtaux alcalins et bon nombre de mtaux de transition qui optent pour la structure cubique centre (cc). Ces structures leur confrent des proprits relativement isotropes et ils prsentent en gnral des proprits lastiques leves.Le caractre faiblement directionnel de la liaison mtallique facilite la cration et la propagation des dislocations, ce qui rend les mtaux en gnral ductiles et relativement tenaces. L'association de leur tnacit et de leur ductilit est un atout majeur pour leur mise en forme. Par contre, aprs mise en forme, on peut facilement donner aux alliages mtalliques une bonne rsistance mcanique par des traitements thermomcaniques appropris, grce la prcipitation de phases durcissantes (durcissement structural). Du fait de leur plasticit, leur tenue la fatigue peut poser des problmes et ils sont, de plus, souvent sensibles la corrosion. Enfin, les mtaux sont en gnral des matriaux lourds et denses, ce qui est parfois un handicap.Les mtaux les plus utiliss dans les applications structurales sont les aciers, les alliages d'aluminium, les alliages de cuivre et les alliages de nickel. Les aciers se caractrisent par un fort module et une forte limite d'lasticit. Ils

sont en gnral facilement formables et soudables et relativement bon march. Ils ont, par contre, une densit relativement leve, perdent souvent leurs proprits de tenue mcanique au-dessus de 600C et sont particulirement sensibles la corrosion (sauf videmment les aciers inoxydables).

Les alliages d'aluminium se caractrisent essentiellement par leur faible densit. Ils ont de bonnes proprits mcaniques, sont gnralement ductiles et formables, et rsistent assez bien la corrosion. Ils perdent leur tenue mcanique pour la plupart au-dessus de 150C, sont sensibles la fatigue et la corrosion sous contrainte. Ils sont difficiles souder et relativement chers.

Les alliages de cuivre sont de bons conducteurs lectriques et thermiques. Ils ont une assez bonne tenue l'usure et de bonnes proprits de tenue chaud, mais ils sont sensibles la corrosion et sont chers.

Les alliages de nickel ont de trs bonnes proprits mcaniques haute temprature et une relativement bonne tenue en corrosion, mais ils sont trs chers et trs lourds.

2.1.2 Verres et cramiquesUne deuxime classe de matriaux est caractrise par des liaisons fortes et directionnelles, qu'elles soient ioniques (attraction coulombienne d'ions de signes opposs) ou covalentes (mise en commun d'une paire d'lectrons). Ce type de liaison met souvent en jeu des nergies considrables et se traduit dans la pratique par une trs bonne tenue en temprature et d'excellentes proprits lastiques. Contrairement ce qui se passe dans les mtaux, les dislocations ont du mal se propager. La faible propension la plasticit qui en rsulte rend ces matriaux fragiles, peu tenaces, peu

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ductiles, mais en revanche rsistants l'usure. Les liaisons interatomiques trs nergtiques confrent ces matriaux de hauts points de fusion et une bonne rsistance la corrosion. Parmi les plus utiliss dans les applications structurales, on peut citer l'alumine, le carbure de silicium, le nitrure de silicium, les Sialons, la zircone et les verres d'oxydes silico-sodiques du type SiO2-Na2O.Compte tenu de leur faible tnacit, les rgles de conception particulires aux matriaux fragiles doivent tre utilises. Les cramiques de qualit ont tendance tre chres._ L'alumine est un matriau courant qui a une bonne rsistance l'oxydation et une excellente tenue en temprature._ Le carbure de silicium est un excellent abrasif, trs rsistant aux chocs thermiques._ Le nitrure de silicium a une trs bonne rsistance en compression et une excellente tenue aux chocs thermiques._ Les Sialons sont facilement frittables et utiliss dans les outils de coupe._ La zircone est un ventuel matriau de remplacement des aciers dans les moteurs, sous rserve d'une tnacit amliore._ Les verres silico-sodiques, utiliss pour leur transparence, peuvent tre aussi des matriaux de structure aprs des traitements de surface spcifiques qui amliorent leurs proprits mcaniques.

2.1.3 Polymres et lastomresUne troisime classe de matriaux est constitue de macromolcules squelette covalent, lies entre elles par des liaisons faibles (liaisons de Van der Waals ou liaison hydrogne). Leurs proprits dpendent fortement du comportement de ces liaisons faibles et voluent considrablement avec la temprature. Ils auront gnralement un faible module lastique, et une limite dlasticit d'autant plus faible qu'ils seront ports (dans une limite raisonnable qui respecte l'intgrit chimique du polymre) plus haute temprature.Ils seront donc faciles mettre en forme et auront souvent une bonne tnacit. Mais ils ont aussi, malgr leur bonne dformabilit, une bonne rsistance l'usure. Ils sont faciles assembler et ont une bonne tenue la corrosion. Enfin, ce sont des matriaux lgers qui peuvent tre trs bon march.Il existe une trs grande varit de polymres que l'on peut grossirement classer en trois catgories, en fonction de leur architecture molculaire._ Les thermoplastiques sont constitus de chanes linaires ou branches selon le procd de polymrisation. Ils sont ramollis par un prchauffage. Ils prsentent une grande varit de proprits en fonction de la nature et de la taille des molcules, ainsi que de leur degr de branchement._ Les thermodurcissables (rsines) sont forms par raction chimique entre de grands monomres fonctionnels et de petites molcules de liaison, ce qui dveloppe des liaisons transverses, formant un squelette qui donne l'ensemble sa rigidit. Ils ne fondent pas, ne se ramollissent pas de faon rversible au chauffage : ils se dcomposent. Ils rsistent aux solvants mais, une fois polymriss, ils ne peuvent tre mis en forme aussi facilement que les thermoplastiques._ Les lastomres (caoutchoucs) se placent entre les deux catgories prcdentes. Ils sont moins rigides que les thermodurcissables grce un plus faible degr de polymrisation, et les liaisons transverses y sont moins nombreuses.

2.1.4 Matriaux compositesLes matriaux composites sont des matriaux qui associent des lments de deux classes de matriaux pour obtenir une combinaison de proprits qui tire avantage de

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chaque classe. Les plus frquemment utiliss sont les composites matrice polymre et renfort fibreux qui prsentent des proprits spcifiques exceptionnelles.Les composites cramique/cramique, qui sont moins fragiles que les cramiques massives, sont trs intressants pour leur tenue en temprature ; les composites matrice mtallique renfort cramique ont pour vocation de tirer parti la fois de la ductilit des mtaux et de la raideur du renfort cramique. Enfin, il convient de citer pour mmoire les matriaux tels que le bois (qui est, ne loublions pas, un matriau structural de toute premire importance dans le btiment), les ciments et les btons, les mousses polymres, cramiques ou mtalliques, qui sont tous en quelque sorte des matriaux composites.

2.2 Les grandes familles de procdsChacune des grandes classes de matriaux voques ci-dessus possde des proprits physico-chimiques spcifiques qui se traduisent par des rponses spcifiques aux diffrentes tentatives de mise en oeuvre. Nous basons donc cette prsentation gnrale sur les grandes filires de mise en oeuvre qui ont t dveloppes en adaptation au type de matriau travaill.Il est souligner que, dans la ralit industrielle et artisanale, ces filires correspondent des mtiers diffrents, dont les savoir-faire, les technologies, les langages, les circuits technico-conomiques se sont dvelopps presque indpendamment, en adaptation troite aux particularits du matriau travaill. Mme l'heure actuelle, l'instar du menuisier, du maon ou du forgeron de l'poque prindustrielle, ces mtiers sont encore rarement intgrs au sein d'une mme entreprise.Les dtails technologiques sur les diffrents procds de fabrication qui sont voqus ici seront trouvs par le lecteur dans les traits Gnie mcanique, Matriaux mtalliques et Plastiques et Composites des Techniques de l'Ingnieur. Nous nous contenterons de donner ici des visions schmatiques de leurs articulations et de leurs utilisations pour les diffrents matriaux.

2.2.1 Procds de mise en oeuvre des matriaux mtalliquesCes procds (figure 4) exploitent pour lessentiel deux caractristiques spcifiques des mtaux et alliages :

leur temprature de fusion relativement accessible aux technologies actuelles ; leur ductilit intrinsque, ventuellement favorise par llvation de

temprature.

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2.2.2 Procds de mise en oeuvre des cramiques et des verres minrauxComme nous l'avons vu plus haut, pour tous ces matriaux la duret et la fragilit constituent des caractristiques typiques, qui rendent trs difficile leur usinage et pratiquement impossible leur mise en forme par plastification ( l'exception cependant des verres minraux qui, grce leur structure de liquide surfondu, prsentent une transition progressive de viscosit lorsqu'on les rchauffe.La temprature de fusion des cramiques est gnralement leve : il est donc impossible dutiliser les procds de fonderie et de moulage pour obtenir une pice de forme en cramique. On devra avoir recours aux techniques de frittage, partir de la matire premire sous forme pulvrulente que fournissent les procds les plus courants d'laboration des cramiques par voie chimique.La figure 5, donne une vision d'ensemble des diffrentes techniques employes. C'est par le mme type de procds que sont gnralement fabriqus les cermets, mlanges de cramiques et de mtaux, labors par frittage de poudres de ces deux types de matriaux. On obtient ainsi un matriau matrice mtallique (qui lui confre une certaine tnacit) renforce par une forte fraction volumique d'inclusions cramiques (qui procurent une duret leve et une bonne rsistance lusure). Un exemple typique est constitu par les pastilles frittes de mlange WC-Co dont sont faites les artes tranchantes de certains outils de coupe.Dans le cas des ciments et des btons, la prise qui permet de les faire passer de l'tat visqueux l'tat solide est une raction chimique d'hydratation de la chaux et de la silice qu'ils contiennent.

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2.2.3 Procds de mise en oeuvre des polymres et des lastomresCes procds diffrent dans leurs principes selon que le polymre travaill est thermoplastique, donc mallable chaud, ou thermodurcissable, donc polymrisant chaud (les lastomres tant mis en forme par des procds similaires ceux des polymres thermodurcissables). Ils sont schmatiss sur la figure 6.

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2.2.4 Procds de mise en oeuvre des compositesLa plupart des techniques voques au paragraphe ci-dessus sont compatibles avec l'incorporation au polymre de particules ou de fibres courtes, et constituent de ce fait des procds possibles pour la mise en forme des composites renfort particulaire ou par fibres courtes, et matrice organique.Les procds employs pour les autres types de composites diffrent essentiellement en fonction de la nature de la matrice du composite (mtallique, cramique ou polymre), qui impose le recours des technologies de mise en forme compatibles avec la classe de matriau laquelle elle appartient. Ces procds sont rsums sur la figure 7.

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3.1 Caractristiques des matriauxPar commodit, nous les rpartissons en : caractristiques intrinsques, propres chaque matriau, mesurables de manire objective et reproductibles quel que soit l'environnement ; caractristiques interactives, propres un couple de deux matriaux ou un couple matriau-environnement ; caractristiques attribues, dont la valeur dpend du contexte technique ou conomique, voire socio-culturel, dans lequel on l'value : tat des connaissances scientifiques et techniques, niveau des besoins, lgislation en vigueur...

3.1.1 Caractristiques intrinsquesElles sont constitues, pour lessentiel, des caractristiques physico-chimiques du matriau, y compris ses caractristiques mcaniques.1. Llasticit, dformation rversible sous leffet dune contrainte extrieure, est le plus souvent linaire (loi de Hooke). Elle se caractrise, dans ce cas, par diffrentes grandeurs physiques qui dpendent du type de sollicitation :

le module dYoung E, rapport de la contrainte la dformation en sollicitation uniaxiale. Dans ces conditions de sollicitation, le solide a tendance se dformer aussi dans la direction perpendiculaire celle de la contrainte ; cette dformation est dfinie par le coefficient de Poisson , rapport de la dformation radiale la dformation longitudinale, proche de 0,3, pour les solides denses ;

le module de cisaillement , rapport de la contrainte la dformation en sollicitation de cisaillement ;

le module de compressibilit K = p/(V / V ), o p est la pression hydrostatique applique et V / V la variation relative de volume.

En lasticit isotrope, on a :Llasticit peut, dans certains cas, tre anisotrope (bois, composites) ou non linaire (caoutchoucs, mousses). Le module dYoung peut varier normment dune classe de matriaux lautre, passant de 1 000 GPa pour le diamant 400 ou 500 GPa pour les cramiques plus ordinaires, 50 200 GPa pour les mtaux, jusqu 0,01 ou mme 0,000 1 GPa pour les polymres expanss !On voit ainsi que les proprits lastiques dpendent de la force des liaisons mais aussi de la compacit de la structure, la plus grande raideur des cramiques compare aux mtaux tant due des liaisons plus fortes, dont leffet est cependant compens en partie par une compacit plus faible. On peut aussi jouer sur larchitecture, soit pour renforcer la raideur (effet composite), soit pour la diminuer (mousses amortissantes).

2. La plasticit, ou dformation irrversible, se caractrise schmatiquement par la contrainte limite dlasticit Re, la rsistance la traction Rm, la duret Vickers HV 3 Re. L'amplitude de la dformation plastique possible avant rupture, ou ductilit, est chiffrable par R. Ces grandeurs peuvent varier considrablement avec la temprature. Les ordres de grandeur de Re 0C peuvent aller, pour les cramiques, de 100 MPa pour la glace presque 105 Mpa pour le diamant. Ils vont de 1 MPa pour les mtaux ultrapurs quelques 103 MPa pour certains alliages mtalliques, et de la fraction de MPa pour les polymres expanss quelques 100 Mpa (en traction) pour le polythylne ou le nylon tirs, la charge tant alors supporte par les squelettes covalents des molcules. La plasticit chaud (fluage) est en gnral dfinie par l'exposant de contrainte n et l'nergie d'activation Q.

On peut agir sur la plasticit par l'intermdiaire de la taille des grains, par durcissement de solution solide ou par durcissement structural. On peut l aussi jouer sur l'architecture du matriau, le durcissement dans les composites alliant un effet de transfert de charge l'effet durcissant de type durcissement structural.

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3. La rsistance la rupture brutale est dfinie par la tnacit, o Gc est l'nergie absorbe pour agrandir une fissure d'une aire gale l'aire unit. Une fissure de taille a sous une contrainte deviendra instable si le facteur d'intensit de contrainte atteint la valeur Kc . On voit ainsi qu'un matriau dur, c'est--dire forte limite dlasticit, qui absorbera moins d'nergie par plasticit en tte de fissure, sera plus fragile qu'un matriau plus mou. Cette antinomie entre duret et tnacit ne pourra tre contourne qu'en jouant sur l'architecture du matriau (topologie particulire de la prcipitation, transferts de charge par effet composite...).

4. La rsistance la fatigue de pices fissures peut tre dcrite par la loi de Paris qui relie la vitesse de propagation stable de fissures sous-critiques da/dN (allongement de la fissure par cycle de fatigue) l'amplitude K du facteur d'intensit de contrainte :

da/dN = A (K )nElle sera donc caractrise par l'exposant n. Dans le cas de pices non fissures, la rsistance la fatigue (nombre de cycles rupture NR) est caractrise par les coefficients de la loi de Manson-Coffin pour la fatigue oligocyclique (c'est--dire dans le domaine plastique) : NR( )p = Cte et par ceux de la loi de Basquin : NR( )m = Cte dans le cas de la fatigue grands nombres de cycles.

Le coefficient d'amortissement h caractrise la dissipation lors de sollicitations mcaniques, d tant le dphasage entre excitation et rponse. Il voluera entre 105 pour les cramiques et 1 pour les lastomres, peu prs l'inverse de la limite dlasticit, la dissipation tant maximale pour les matriaux les plus mous.

Le coefficient de dilatation linaire, rponse dimensionnelle une variation de temprature, rsulte de lanharmonicit des vibrations atomiques. Il varie peu, d'environ un ordre de grandeur autour de 105 K 1.

La capacit calorifique traduit la capacit du matriau stocker de l'nergie thermique.

La rsistivit lectrique s'tend de quelques 108 quelques 106 W m pour les mtaux plus de 1012 W m pour les meilleurs isolants. Son inverse, la conductivit lectrique, se corrle assez bien avec la conductivit thermique.

La conductivit thermique et la diffusivit thermique gouvernent respectivement le flux de chaleur l'tat stationnaire et les transitoires thermiques, la seconde faisant videmment intervenir la capacit calorifique. La conductivit thermique varie de quelques 102 W/mK pour le lige quelques centaines de W/mK pour les mtaux, augmentant ainsi la fois avec la compacit de la structure et avec la conductivit lectrique.

3.1.2 Caractristiques interactivesD'autres proprits caractrisent non pas le matriau lui-mme, mais son interaction soit avec d'autres matriaux, soit avec l'environnement.

Le coefficient de frottement statique dtermine la force Fs (parallle la surface de contact) ncessaire pour initier le glissement. Le rapport Fs /Fn de cette force de frottement et de la charge Fn normale la surface, appliquant les deux matriaux l'un sur l'autre, dfinit le coefficient de frottement statique s.

Fs ne dpend que de Fn (loi d'Amonton). En effet, l'aire de contact relle A de deux surfaces rugueuses est lie la limite dlasticit Re du matriau le plus plastique par :Re = Fn /A (jonctions plastiques).Dans le cas du frottement dynamique (infrieur au statique), le coefficient de frottement dynamique d est dfini par : P = d pv avec P puissance dissipe, p pression de contact,v vitesse de dplacement.Il est considrablement rduit par la lubrification, qui a pour rle essentiel de limiter l'usure.

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_ L'usure peut rsulter de deux types de mcanismes : l'usure adhsive et l'usure abrasive. L'usure adhsive, lie l'arrachement des zones de contact plastiques, crot avec l'aire relle de contact, et donc avec la charge normale Fn. Lusure abrasive, de son ct, rsulte de la prsence de particules (dbris d'usure ou particules trangres) entre les deux surfaces en regard et est beaucoup plus rapide que la prcdente._ La rsistance l'oxydation peut se dfinir par l'enthalpie de formation de l'oxyde, mais cette grandeur thermodynamique n'est gnralement pas suffisante. La force motrice de la corrosion aqueuse peut, quant elle, se dfinir qualitativement par le potentiel redox, et la vitesse de corrosion par la perte de masse correspondante._ Le cot d'un matriau brut dpend de sa disponibilit, elle-mme fonction de la raret de la matire premire et des difficults d'laboration (et notamment du prix de l'nergie). On admet en gnral qu'il existe un effet d'chelle, valable pour tous les matriaux bruts, qui fait dcrotre exponentiellement leur cot par unit de masse lorsque leur tonnage produit et donc consomm augmente. Pour un matriau donn, ce cot est nanmoins soumis au cours du temps des fluctuations importantes d'origines technique, conomique et politique._ Il faudra enfin tenir compte dans la procdure de choix de la toxicit et de la recyclabilit des matriaux. ces deux caractristiques sont associes des dispositions rglementaires, qui varient selon l'endroit o le matriau est utilis, mais qui tendront vraisemblablement voluer pour devenir partout de plus en plus restrictives l'avenir.Le respect de ces rglements tend videmment limiter l'usage de certains matriaux, mais peut galement jouer fortement sur le cot du produit final (par exemple si on doit y incorporer le cot de son recyclage).

3.2.1 Paramtres lis au matriau mis en oeuvreCertaines proprits des matriaux interagissent directement avec le procd de mise en oeuvre que lon peut leur appliquer, tout en tant transmises au produit final en tant que proprit dusage.

La temprature de fusion du matriau doit tre compare la temprature maximale techniquement possible pour la mise en oeuvre du procd envisag ; cela est vident pour tous les procds de fonderie ou de moulage, mais savre galement utile pour les procds faisant appel la dformation plastique ou la diffusion atomique (comme les traitements thermiques ou le frittage), qui sont susceptibles de bnficier de tous les mcanismes dactivation thermique si lon peut oprer au-dessus de 50 % de la temprature absolue de fusion du matriau environ.

Cette mme temprature conditionne bien sr, par la suite, la temprature maximale dutilisation du produit fini. Ainsi, le cahier des charges dune pice destine travailler chaud imposera lutilisation dun matriau rfractaire, qui lui-mme imposera le recours un procd de fabrication adapt.

La duret du matriau travaill retentit sur les efforts appliquer si lon souhaite le dformer ou lusiner, sur la taille et la puissance des machines, sur lusure et la dure de vie des outillages utiliss.

Ce paramtre simple intgre assez bien lensemble des proprits mcaniques dun matriau : pour les matriaux ductiles, il est ainsi admis que la duret Vickers HV (exprime en daN/mm2) est toujours de lordre de 3 fois la limite dlasticit (exprime dans les mmes units).Tout en tant transmise la pice fabrique, cette duret peut tre elle-mme modifie par lopration de mise en forme, en particulier dans le cas des mtaux et alliages, susceptibles de scrouir lors dune dformation et de recristalliser lors dun recuit.

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La prise en considration de limpact sur lenvironnement, mentionn prcdemment pour le matriau lui-mme, est aussi ncessaire pour le procd qui permet de le travailler, dont les rejets de rsidus, effluents, sous-produits peuvent s'avrer dangereux (par exemple le dpt lectrolytique de cadmium pour la protection des aciers contre la corrosion). En particulier, il convient de prendre en compte le problme des dchets d'usinage, des copeaux : ils sont, d'une part, la cause d'une perte de matriaux, mais, de plus, ils posent parfois des problmes pineux car ils doivent tre recycls sparment. Ces problmes induisent un surcot de mise en uvre parfois difficile valuer : quand on conoit une aile d'avion, doit-on opter pour un usinage dans la masse ou pour une solution assemble? Les copeaux rsultant de l'usinage peuvent-ils tre recycls directement ou bien doit-on les collecter sparment ? Le problme du recyclage se pose de faon plus difficile encore en ce qui concerne le produit et non plus le matriau. Un des aspects difficiles traiter (parce que dpendant de faon cruciale des lgislations en vigueur) est celui de la collecte des matriaux recycler.De mme, un mauvais choix du mode d'assemblage de deux lments d'un ensemble peut rendre plus difficile son dmontage et son recyclage en fin de vie. Pour obtenir une mme forme finale, certains procds sont plus coteux en nergie que d'autres : cest l, bien sr, une donne de base pour intgrer le recyclage dans le problme de slection, mais la question est, comme on vient de le voir, beaucoup plus complexe.

Dans la pratique industrielle, le niveau de performances accessible sur divers matriaux avec un procd qui leur est applicable est souvent mesur par des indices d'aptitude spcifiques, dtermins exprimentalement grce des essais comparatifs standardiss : coulabilit, usinabilit, emboutissabilit, forgeabilit, soudabilit... Ces essais s'avrent prcieux pour une slection plus prcise et optimise l'intrieur d'une classe ou d'une sous-classe de matriaux candidats ; ils permettent en particulier de vrifier si la combinaison matriau-procd permettra bien d'obtenir les caractristiques fonctionnelles ncessaires pour la pice finale.

4. Proprits caractrisant un matriauLe cahier des charges pour le choix dun matriau donn va dpendre directement de ses proprits dusage. On peut classifier ces proprits de la faon suivante: Proprits mcaniques:- instantanes (traction, compression, cisaillement, flexion, tenue aux chocs et essais de rsilience),- non instantanes (fatigue, fluage, relaxation,...),- de surface (duret, abrasion, rsistance la rayure,...). Proprits thermiques (dilatation, conductivit thermique, tempratures de transition,...). Proprits lectromagntiques (rsistivit, conductivit,...). Proprits optiques (transparence, brillance, indice de rtraction...). Proprits physiques diverses (masse volumique, porosit, tanchit aux agents chimiques,...). proprits chimiques, rsistance lusage en fonction du milieu chimique (corrosion, rsistance aux suivants, tenue au feu, vieillissement,...). Proprits diverses dpendant de la qualit de la mise en oeuvre et des possibilits de transformation ultrieures (sensibilit aux dfauts, stabilit dimensionnelle, soudabilit, collabilit, recyclabilit,...).En ce qui concerne le comportement lusage du matriau, on se reportera au chapitre modes de dgradation des matriaux (proprits chimiques,...).

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Ces proprits vent dpendre largement de ianisotropie et de lhtrognit du matriau: Un matriau htrogne est un matriau dont la rpartition des diffrents lments constitutifs en son sein (constituants, atomes) nest pas uniforme. loppos, le matriau est dit homogne. Cette htrognit peut prendre divers aspects en fonction des phases ou constituants en prsence. Elle peut concerner aussi bien la rpartition des atomes au soin de chaque constituant qua la rpartition des constituants eux mmos au sein du matriau.Sauf cas do laboratoire, les matriaux vritablement homognes ne peuvent se rencontrer en pratique, ne serait ce que parce que la prsence des impurets est invitable. Un matriau anisotrope possde des proprits variables en fonction de la direction des diffrentes forces exerces sur le matriau. loppos, le matriau est ltat isotrope.En pratique il est rare de rencontrer de vritables matriaux solides isotropes obtenus de la main de lhomme. Les modes de mise en oeuvre choisis engendrent systmatiquement un certain degr danisotropie quil faut pouvoir contrler pour garantir la qualit du produit obtenu. Ci-dessous, sent reprsents e cas des matriaux composites, un des rares cas o lanisotropie du matriau est recherche, travers la disposition des renforts:

Proprits mcaniques instantanes

Les proprits mcaniques du matriau caractrisent sa capacit ragir et donc subir des contraintes (o) et des dformations (e) sous leffet dun ensemble de forces (F) donn.Ces forces peuvent tre appliques sur la surface externe du matriau et sont dites des forces externes. Mais elles peuvent tre aussi internes et dcoulent des tensions dj existantes au sein du matriau, souvent conscutives ta mise en oeuvre.Ces proprits sent dites instantanes, cest--dire que , , et F nvoluent pas en fonction du temps. En fait, cest inexact, car ces proprits varient avec la vitesse de dformation. Pour tout matriau (en particulier les matriaux plastiques), il y a un phnomne dinertie, o le facteur temps intervient. On dit que le matriau est viscolastique ou viscoplastique (voir, ultrieurement, les proprits non instantanes). Contraintes et dformations peuvent tre de plus ou moins grande importance, jusqu ventuellement atteindre ta rupture. Elles peuvent tre locales ou stendre lensemble du matriau. De faon gnrale, elles se dfinissent de la faon suivante:

SF

SectionForce

== ; 0LL

initialeLongueur longueur de Diffrence

==

Cependant, contraintes et dformations forment un ensemble complexe. Tout allongement conscutif laction dune force externe donne engendre un ensemble de forces Induites au sein du matriau. Cela implique en particulier un rtrcissement dans la direction perpendiculaire.

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et doivent donc se dfinir avec diffrentes composantes en fonction du sens dorientation de la force applique au sein du matriau et de lorientation de la section sur laquelle sapplique celle force. Dans quelques cas particuliers, avec un mode opratoire adquat (conditions dessai en laboratoire), le systme de forces appliqu au sein du matriau est simple, ce qui permet dvaluer plus rigoureusement les caractristiques mcaniques.Il sagit de la traction simple, de la compression simple, et du cisaillement simple schmatiss ci-dessous:

Dans la plupart des cas, particulirement dans la vie courante, le matriau sera soumis un ensemble de forces combinant la traction, la compression et le cisaillement. Cest le cas de la flexion qui est aussi un essai de laboratoire, bien que permettant moins bien de caractriser le matriau. Cet essai garde cependant un grand intrt pratique car il est souvent plus reprsentatif des conditions dutilisation du matriau.

En dessous de la fibre neutre, le matriau est soumis des contraintes de traction et, au-dessus, des contraintes de compression, En outre, comme ces contraintes sont plus leves au centre de lprouvette, le matriau est soumis des contraintes de cisaillement.

1. Lessai de traction est le principal essai de laboratoire caractrisant les proprits mcaniques instantanes dun matriau, On utilise des prouvettes en forme dhaltre qui sont dimensionnes de faon ce que lallongement se fasse uniquement dans la zone centrale tout en permettant la fixation des extrmits dans les mors.

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Cette zone centrale, de section uniforme plus faible que sur le reste de lprouvette, peut tre de section cylindrique ou rectangulaire selon le matriau et la norme.Dans ce cas prcis, dformations et contraintes se dfinissent simplement dans le sens de lallongement.

SF

SectionForce == ;

0ll

initiale Longueurlongueur de Diffrence ==

Cela permet de dfinir un essai qui caractrise vritablement le matriau, avec des valeurs indpendantes des dimensions de lprouvette S et l0. On exploite lessai de traction en traant la courbe F = f(l). De faon schmatique, on en dduit une courbe = f() du type ci-dessous;

On tire de cet essai des caractristiques mcaniques trs importantes: La rsistance la rupture Rm. Cest la contrainte maximale obtenue avant datteindre la rupture. La rsistance la limite lastique Re. Lallongement la rupture A%. Le module dlasticit E, ou module dYoung E = /s, ce qui est valable uniquement dans le domaine lastique.On distingue gnralement deux phases, le domaine lastique OA, et le domaine plastique AB: dans le domaine lastique, les dformations sont rversibles, cest--dire que lprouvette reprend sa longueur initiale lorsque la force applique est supprime (=0 et =0). Les dformations maximales pour lesquelles existe un comportement lastique sont gnralement faibles (pas plus de 1%); dans le domaine plastique, les dformations sont irrversibles, cest--dire que lprouvette ne reprend plus sa longueur initiale lorsque la force applique est supprime (=0 et =0). Il existe des matriaux tels que le verre sans dformation plastique jusqu la

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rupture. loppos, des matriaux tels que lor, certains matriaux plastiques, atteignent la rupture avec des dformations plastiques extrmement leves (plus de 1000%).Dans le domaine lastique, la courbe prend laspect dune droite, cest--dire que est proportionnel . Dans le domaine plastique, ce nest plus le cas, et cela permet de dfinir en A la limite entre domaine lastique et domaine plastique, appele limite dlasticit, ou encore seuil dcoulement.Cependant, la transition dfinissant cette limite dlasticit est parfois difficile dterminer avec prcision sur certaines courbes. Pour lever toute ambigut, on dfinit une limite dlasticit conventionnelle pour laquelle une dformation plastique fixe lavance est atteinte. Ce est en principe fix 0,2 % de la longueur tirable de lprouvette. E et Re sont modifis quand la limite dlasticit est conventionnelle.

Proprits mcaniques statiques dduites dun essai de traction

RsistanceLa rsistance est dfinie par Rm la contrainte maximale quun matriau peut supporter avant de rompre.Cependant, on peut galement lui associer Re, la contrainte atteinte la limite lastique, cest--dire la contrainte maximale quun matriau peut supporter avant de se dformer plastiquement, de faon irrversible.

RigiditLa rigidit est dfinie par le module dlasticit E. Elle dfinit donc la capacit du matriau se dformer de faon lastique et donc rversible. Plus le matriau est rigide, plus la force quil faut lui appliquer est importante, pour une dformation donne.Ci-contre, figurent quelques valeurs typiques pour situer lchelle des valeurs sur lensemble des matriaux.

DuctilitLa ductilit est dfinie par lallongement la rupture A%. Cest la proprit grce laquelle un matriau peut se dformer fortement de faon permanente avant de se rompre. Par opposition au matriau fragile (voir ci-dessous), un matriau ductile casse avec prsence de dformation plastique.Un matriau ductile prsente de nombreux avantages:

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la transformation du matriau ltat solide est facilite. Cela implique une mallabilit du matriau, cest--dire une aptitude de faonnage, de modelage, aise une dgradation ventuelle du matriau pour une application donne peut tre dtecte et contrle temps, car la rupture est non immdiate cela permet denvisager un dimensionnement avec une marge de scurit, surtout si les dformations permanentes sont juges supportables.

FragilitUn matriau fragile se dforme jusqu la rupture sans aucune dformation plastique, cest--dire uniquement de faon lastique. Cest le cas de matriaux tels que le verre, les cramiques, mais aussi de certaines matriaux plastiques (polystyrne,...). Un matriau fragile est non ductile.Des matriaux tels que les aciers, qui sous des conditions normales dutilisation ont un comportement ductile, peuvent avoir un comportement fragile quand ils sont soumis de faibles tempratures et des fortes vitesses de sollicitation.

lasticitUn matriau lastique est caractris par la capacit une forte dformation lastique. Cela peut concerner aussi bien un matriau fragile quun matriau ductile.

TnacitLa tnacit est caractrise par lnergie ncessaire pour casser un matriau. Un matriau tenace combine donc une bonne capacit dallongement, et une bonne rsistance la rupture.Sur un essai de traction, cette nergie est reprsente par laire sous la courbe.La tnacit se caractrise aussi par la rsistance la propagation de fissures. Sa mesure peut tre obtenue de diverses faons: par des essais de rsilience, caractrisant la tenue aux chocs (choc Charpy, chute de bille,..,); par des essais de traction, avec des vitesses de mise en charge faibles.

2. Essai de compressionIl sagit dun essai trs simple, car il suffit de soumettre une prouvette de forme cylindrique deux forces opposes, entre deux plateaux dune presse. Lprouvette est de gomtrie simple, facile raliser. Mais il est souvent plus profitable de raliser un essai de traction pour obtenir des rsultats caractrisant de faon rigoureuse le matriau.

En effet, deux difficults majeures apparaissent lors de lessai : Le flambage si lprouvette est trop haute par rapport son diamtre, il y a risque

dapparition dune instabilit de lprouvette (voir figure).

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Le frottement prouvette/plateau dessai. Celui-ci soppose laugmentation du diamtre de lprouvette, quand sa hauteur diminue. Il en rsulte des prouvettes en forme de barillet (voir figure).

Par consquent, lessai de compression est surtout utilis pour dterminer les proprits mcaniques des matriaux fragiles (btons, cramiques) qui, du fait des dfauts quils comportent, rsistent mal en traction. Ici, le type dprouvette est un avantage important : simplicit de sa ralisation, de sa gomtrie.

3. Essai de cisaillementQuand le matriau test est ltat solide, le cisaillement peut tre caractris de faon simple sur des joints de colle. Lprouvette est constitue de supports non dformables par rapport au joint de colle, et est teste la faon dune simple prouvette de traction.

4. Essai de flexionComparativement lessai de traction, lessai de flexion prsente lavantage dutiliser des prouvettes de conception simple, avec des barreaux de section rectangulaire. Cela permet, comme pour la compression, de tester des matriaux tels que les verres et les cramiques, difficiles tester en traction.Il prsente aussi lavantage dtre un essai souvent plus reprsentatif des conditions dutilisation du matriau. En contrepartie, cet essai ne permet pas datteindre la rupture des matriaux ductiles, car lessai naurait plus de signification physique au-del dune certaine flche (d): les formules ne seraient plus exploitables (contraintes allongements, etc.). du fait de la trop grande courbure atteinte par le matriau.De ce fait, on se limitera des dformations lastiques, avant tout pour tester la rigidit et dterminer la limite lastique.De plus, lessai de flexion combine des efforts de traction, compression et cisaillement. Cela limite la validit de lessai, et rend les formules dpendantes des dimensions de lprouvette (largeur I, paisseur h) en fonction de la porte D.Ainsi, au niveau des deux principaux essais de flexion, la flexion 3 points et la flexion 4 points, on en dduit les formules suivantes :

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Le module dlasticit E est une valeur importante Caractrisant le matriau. Avec des conditions opratoires optimales, et dans la mesure o le matriau lest est peu anisotrope, peu htrogne, les valeurs obtenues se recoupent dans les quatre essais vus prcdemment.Les modules dlasticit en traction et en compression sont en principe identiques. Avec lessai de flexion, la valeur obtenue est plus dpendante de la porte et des dimensions de lprouvette. Les diffrences sont cependant minimes, E est gnralement lgrement plus faible.Dans tous les cas, E, encore appel module dYoung, est dfini par la formule ci-dessous (loi de Hooke). ( et sont parallles la force applique (valeurs normales)).

=E (avec = F/S et = l / l0)

Dans le cas de lessai de cisaillement, le module dlasticit not G est appel module de Coulomb et est dfini par une loi similaire, la loi de Coulomb, est une contrainte de cisaillement, et une dformation de cisaillement.

= G (avec = F/S et = l / l0)

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5. Essais de rsilience. Essais de tenue aux chocs

Ces essais sont assimils des essais de tenue aux chocs, et ont pour but de mettre en vidence la tnacit du matriau avec de fortes vitesses de sollicitation. Ce sont des essais de rsilience.La tnacit est caractrise par lnergie ncessaire E pour casser un matriau. La rsilience K du matriau est dfinie par la formule:

K= E/SS est le section rsistante de lprouvette, cest--dire celle qui est soumise aux plus fortes contraintes lors du choc. On notera cependant quune valeur de rsilience ne peut tre valide que si lprouvette a cass lors de lessai. Dans le cas contraire, il faut prvoir une entaille sur lprouvette pour favoriser la rupture. Plus cette entaille est aigue, plus on accentue le caractre fragile du matriau.Dans les conditions de service, un matriau aura une plus grande tendance casser avec les facteurs suivants: les basses tempratures, les vitesses croissantes dapplication des charges, les efforts anormaux (efforts excentrs agissant dans des directions hors axe de symtrie).Comme il est difficile de concevoir des essais avec des efforts anormaux, les essais de rsilience sont des essais avec des vitesses de sollicitation (donc de dformation) leves et/ou de faibles tempratures.Les essais de rsilience se diffrencient en fonction de la vitesse de sollicitation de llment venant percuter le matriau.

5.1. ESSAIS PAR CHUTE DE BILLE

Cet essai est le plus simple de tous. Il suffit de laisser tomber une bille de poids dtermin sur une prouvette de section S donne.La rsilience K sera obtenue en recherchant lnergie E ncessaire pour casser lprouvette, et la hauteur de chute correspondante.Cette nergie est une nergie potentielle, et est donne par la formule bien connue :

E = mghExemple : pour une masse de 1 kg et une hauteur de 1 m, on trouve: m * g=1x9,81 =9,81 N, et E= 1x9,81 N*m =9,81 J.

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Lessai de chute de bille est dune grande simplicit, dautant quil est facile de moduler la hauteur de chute ou le poids de la bille.En contrepartie, comparativement aux chocs Charpy et Izod ci-dessous, il est plus difficile de tirer des conclusions de cet essai (pas de possibilit de raliser des entailles, observations subjectives, ncessit dun grand nombre dessais,...).

5.2. Essai Charpy

Contrairement la chute de bille, les prouvettes sont sous forme de barreau, ce qui permet de bien mieux dfinir la section rsistante S. S est gale a x b dans le cas dune prouvette entaille, et b x c pour une prouvette non entaille. Dans les deux cas, on utilise un mouton pendule pour casser les prouvettes.Aprs avoir lch le bras du pendule dun angle a par rapport sa position dquilibre, on mesure langle de remonte. Aprs avoir lch le bras du pendule dun angle par rapport sa position dquilibre, on mesure langle de remonte .

Lintrt de cet essai, cest que la mesure de cet angle permet de dterminer lnergie E fournie au matriau pour quil puisse se casser, compte tenu de lnergie cintique fournie au marteau au dpart de lessai. La plupart du temps, lappareil est talonn de faon permettre une lecture directe de E. Dans le cas contraire, E peut se calculer en fonction de :

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M = masse bras + percuteurL = longueur du bras, jusquau point dimpact

E= MgL(cos - cos)

Deux types de position pour lprouvette :

En fonction du matriau test, le pendule sera choisi partir de lnergie cintique E = MgLcos disponible : de 0,5 4 J, ou 7,5 50 J : matires plastiques; de 100 300 J alliages lgers, aciers avec de petites prouvettes Charpy (distance entre appuis de 40 mm). Masse du pendule de 8,6 kg 22,5 kg; 3 000 J aciers, fontes avec de grandes prouvettes Charpy (distance entre appuis de 120 mm). Masse du pendule = 94 kg.

On distingue trois grandes familles dprouvettes, dont chacune fait lobjet de normes trs prcises: Charpy U : flexion 3 points, avec entaille en U. Rsilience note KU; Charpy V flexion 3 points, avec entaille enV. Rsilience note KV; lzod : prouvette encastre, entaille affleurante, enV. Rsilience Izod.Malheureusement, il existe un trs grand nombre de dimensions possibles, en fonction de la taille de lprouvette, la profondeur, le type dentaille,... Gela rend difficile la comparaison des valeurs entre diffrents matriaux.On notera cependant:

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lessai lzod est spcialement adapt pour les matires plastiques, car lencastrement vite les grosses dformations naboutissant pas la rupture; lessai Charpy U est facile raliser car le rayon au fond de lentaille est important, mais manque de sensibilit (surtout pour les matriaux ductiles); pour lessai Charpy V, les exigences de prcision dentaille sont difficiles atteindre, mais les rsultats obtenus sont plus rigoureux et plus reproductibles, Malgr tout, tes essais de rsilience sur barreau ncessitent un grand nombre dprouvettes pour obtenir des rsultats fiables, car la dispersion est trs importante. Comme ce sont aussi des essais rapides raliser, ils doivent tre considrs avant tout comme des essais de contrle qualit,Parfois on instrumente lappareil dessai, cest--dire quon lquipe de faon pouvoir tracer une courbe Force = t (temps), A nouveau, on retrouve des familles de matriau similaires celles obtenues sur lessai de traction. Par exemple:

Le cas des aciers et des fontes prend une importance particulire. Ici, les prouvettes peuvent casser avec un mode ductile ou fragile selon la svrit de lessai.On accentue le caractre fragile quand: la temprature dcrot; la vitesse de sollicitation est croissante (vitesse du percuteur) on augmente te degr des efforts transversaux (ou anormaux); on diminue le rayon dans le fond de lentaille.Laspect de la surface de rupture sera diffrent selon le cas o elle a eu lieu en mode fragile ou ductile: en mode ductile, la surface prend un aspect mat et boursoufl, la matire a t arrache (cristallinit o %); en mode fragile, ta surface prend un aspect brillant. On voit la surface lisse dune multitude de petits cristaux accols les uns aux autres Qui ont cass net, comme du verre (cristallinit I 00 %).li existe une zone de transition pour laquelle la surface de rupture est mixte. On voit distinctement une zone mate et une zone brillante accoles (cristallinit variable).Par exemple, lorsque lon fait varier la temprature, on peut obtenir une courbe du type ci-dessous. La plage de temprature pour laquelle la rupture est mixte peut tre trs tendue, jusqu 60C- Le type de cassure fragile sobserve souvent des tempratures ngatives (alliages mtalliques).

6. Essais de fatigue On ralise un essai de fatigue en comptant le nombre de cycles ncessaires jusqu la rupture, en fonction dun cycle de charge donn, tout en conservant des dformations lastiques. En tait, les essais de fatigue sont trs variables et trs difficiles raliser, pour plusieurs raisons : Ils sont trs longs, cest--dire quil faut raliser un trs grand nombre de cycles avant daboutir une rupture ventuelle.

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Ils ne peuvent vritablement simuler les cas tirs de la pratique, qui ont des cycles dune grande complexit. Exemple, la courbe ci-contre. La rupture ventuelle fait appel la notion de probabilit, ce qui Implique un grand nombre dessais vrificatifs. Un grand nombre de paramtres interviennent- la temprature,- le degr dagressivit chimique,- lamplitude de variation des contraintes An,- la contrainte moyenne e,...

Il existe un grand nombre de modes de sollicitation, parmi lesquels on trouve parmi les plus frquents:

7. Essais de duret

La duret dun matriau est la rsistance quil oppose la pntration dun corps plus dur, Les essais de duret sont particulirement utiliss pour caractriser les matriaux mtalliques, en particulier parce que ce sont des essais rapides effectuer. Ils permettent ainsi de raliser un contrle qualit du matriau en ayant une premire approche des caractristiques mcaniques statiques (rsistance, rigidit, etc.), sans tre oblig de raliser un essai de traction, long et coteux.Il existe un grand nombre dessais possibles, mais on relvera surtout Brinell, Rockwell, Vickers, trs complmentaires.Les essais de duret sont galement trs utiliss pour les matriaux plastiques (moins durs), mais avec dautres essais que ceux