LES MATERIAUX

Introduction

Un matériau désigne toute matière utilisée pour réaliser un objet. On classe généralement les matériaux en trois grandes familles :

Les matériaux composites combinent ces trois grandes familles.

Relation produit-fonctions-procédé-matériau

L’évolution des techniques industrielles s’appuie sur les progrès de la science et, en particulier, sur la mise au point de nouveaux matériaux de construction et des procédés de mise en forme. Une pièce doit répondre au besoin, défini par les exigences du CdCF, pour le coût minimum.

Remarque : Les désignations proposées dans ce cours sont issues des normes européennes.

Les métaux et alliages métalliques

Ils sont d'un aspect brillant, malléables et bons conducteurs de l’électricité. Les alliages à base de fer constituent 85% de la production mondiale des matériaux métalliques.

Les matériaux métalliques se répartissent ainsi en deux grandes catégories :

On notera qu'un alliage métallique est la combinaison entre un métal de base et des éléments d'alliage, qui peuvent être métalliques ou non.

Alliages à base de fer

Aciers

Les aciers sont des alliages de fer et de carbone, comportant entre 0,02% et 2% de carbone. En pratique, la teneur en carbone est limitée à 1%. Ils ont, en général, une meilleure résistance mécanique que les fontes.

On distingue essentiellement quatre types d'acier :

Type d'acier Exemple de désignation Commentaire
Acier d'usage général
ou
de construction mécanique
S 235
ou
E 295
235 et 295 correspondent aux résistances élastiques Re, en MPa.
Acier non allié C 60 60 correspond au pourcentage de carbone multiplié par 100.
Acier faiblement allié 35 Cr Mo 4 35 est le pourcentage de carbone multiplié par 100. Suivent les symboles des éléments d'alliage et les nombres correspondant aux teneurs, multipliés par un coefficient dépendant de l'élément (1% de chrome dans le cas présent) *.
Acier fortement allié X 2 Cr Ni 19-11 Même désignation que les aciers faiblement alliés mais commençant par la lettre X.

* Ce coefficient est de 4 pour les éléments Cr, Co, Mn, Ni, Si et W (tungstène). Il est de 10 pour la plupart des autres éléments.

Fontes

Les fontes sont des alliages de fer et de carbone, comportant entre 2% et 6,7% de carbone. Elles ont, en général, une meilleure coulabilité que les aciers, avec un point de fusion plus bas.

On distingue essentiellement trois types de fonte :

Type de fonte Exemple de désignation numérique Exemple de désignation symbolique Commentaire
Fonte à graphite lamellaire EN-JL 1020 EN-GJL-200 200 correspond à la résistance à la rupture Rm, en MPa.
Fonte malléable EN-JM 1140 EN-GJMB 550-4 550 correspond à la résistance à la rupture Rm en MPa, 4 est le pourcentage de l'allongement après rupture A%.
Fonte à graphite sphéroïdal EN-JS 1080 EN-GJS-400-15 400 correspond à la résistance à la rupture Rm en MPa, 15 est le pourcentage de l'allongement après rupture A%.

Fabrication de l'acier

L'acier s'élabore essentiellement de deux manières :

Le premier procédé concerne les deux tiers environ de la production mondiale de l'acier.

Dans un haut fourneau, sorte de grand récipient, on alterne des couches de minerai de fer et de coke. Le coke est du carbone presque pur doté d'une structure poreuse et résistante à l'écrasement, obtenu par pyrolyse de la houille. Le haut fourneau étant rempli, on démarre la combustion en insufflant de l'air à haute température. Le minerai de fer est constitué d'oxyde de fer. Les atomes d'oxygène du minerai se combinent avec les atomes de carbone du coke pour libérer le fer. On récolte la fonte en fusion en bas du haut fourneau.

Pour convertir la fonte en acier, on insuffle de l'oxygène dans la fonte en fusion. Les atomes d'oxygène se combinent avec les atomes de carbone de la fonte pour réduire la teneur en carbone.

Traitements thermiques

Le carbone présent dans l'acier ou dans la fonte comporte deux formes :

Un traitement thermique consiste à créer des cycles de chauffage et de refroidissement, essentiellement pour modifier la structure du carbone présent dans le matériau.

Les principaux traitements thermiques sont :

Métaux et alliages non ferreux

Bien que d’un coût de revient plus élevé, leurs caractéristiques comme leur masse volumique, leur conductibilité électrique ou leur résistance à la corrosion justifient leurs utilisations.

Type d'alliage Exemple de désignation numérique Exemple de désignation par symboles chimiques
Alliage d'aluminium EN AW-7049 Al Si 10 Mg
Alliage de cuivre CR 004 A Cu Zn 39 Pb 2

Aluminium et ses alliages

Ils ont une faible masse volumique et un point de fusion relativement bas (< 600°).

Cuivre et ses alliages

Ils sont résistants à la corrosion, bons conducteurs de l’électricité et de la chaleur.

Deux alliages de cuivre sont très utilisés :

Zinc et ses alliages

Il ont une très bonne coulabilité, un point de fusion particulièrement bas (environ 380°).

Les plastiques

Un plastique est un mélange dont le constituant de base est un polymère - un ensemble de longues chaînes de molécules enchevêtrées - auquel on ajoute des adjuvants (renforts, plastifiants...) et des additifs (pigments, ignifigeants...). D’aspect mat ou transparent, de faible densité, ils sont résistants aux agents chimiques et isolants.

On peut classer les plastiques en trois grandes familles :

Thermoplastiques

Les thermoplastiques sont obtenus par addition. Recyclables, ils sont surtout utilisés en grande série.

On distingue classiquement deux types de thermoplastiques :

Les thermostables (PAI, PEI, PEK, PEEK), en outre, ont une bonne tenue en température, voisine de 200 °C.

Thermodurcissables

Les thermodurcissables sont obtenus par condensation. Non recyclables, ils sont utilisés en petite et moyennes séries.

On distingue :

Elastomères

Obtenus par vulcanisation, ces plastiques acceptent de grandes déformations élastiques. On distingue :

Les céramiques

Ces matériaux sont de plus en plus utilisés dans l'industrie. On les rencontre dans les domaines de l'aéronautique, la médecine, l’énergie, et bien d’autres encore.

Leurs principales propriétés sont la dureté, la résistance aux températures élevées, l'inertie chimique et la porosité. Peu résistantes aux chocs, elles cassent facilement. Pour remédier à cette faiblesse, elles sont souvent associées aux matériaux composites.

Les matériaux composites

Ces matériaux hétérogènes se composent :

Les matériaux composites sont dérivés des trois grandes familles de matériaux.

Type de compositeExemple
Alliage métallique + céramiqueBéton armé (âme en béton et renfort en barre d'acier)
Alliage métallique + plastiquePneumatiques (âme en caoutchouc et renfort en fil d'acier)
Céramique + plastiqueFibre de verre + résine polyester

Les composites associent les propriétés des matériaux dont ils sont constitués. Ils sont anisotropes, c'est à dire qu'il n'ont pas les mêmes propriétés dans toutes les directions. Ils sont, en effet, très résistants selon certaines directions, mais beaucoup moins dans d’autres.