Matériaux : Généralité

Les matériaux sont à la source de la technologie et du monde industriel. La réussite technique et le succès commercial d'un produit fabriqué dépendent en grande partie du ou des matériaux choisis.

Sélectionner un matériau n'est généralement pas une opération simple compte tenu de la grande variété proposée. Le choix dépend autant du prix que des qualités propres du matériau et du procédé de fabrication retenu pour la réalisation. La sélection est le plus souvent effectuée en équipe, client et concepteur étant associés aux techniciens de fabrication.

1. Prix comparatifs indicatifs (au kg) des principaux matériaux industriels
(u.a. = unité arbitraire).

2. Principales familles de matériaux.

I-Métaux

Ils sont étudiés en détail dans les chapitres suivants. Seules les propriétés caractéristiques communes sont abordées ici.

3. Structure cristalline des métaux.

Structure cristalline :

c'est la façon dont les atomes sont empilés les uns sur les autres. Les métaux sont formés de monocristaux, ou grains, disposés côte à côte, dont la forme, plus ou moins régulière, est polygonale. Cette structure cristalline est à l'origine de leurs propriétés, elle influe sur les caractéristiques mécaniques et physiques.

Mailles :

à l'intérieur des grains, les atomes, en contact les uns avec les autres, disposés régulièrement, forment des empilements compacts. Les réseaux cristallins ainsi formés sont appelés mailles. Les mailles rencontrées le plus fréquemment sont la maille cubique centrée, la maille cubique à faces centrées et la maille hexagonale compacte.

4. Structures cristallines des métaux : principales mailles

Allotropie :

propriété de certains métaux ou alliages qui peuvent avoir, selon la température, des structures cristallines (mailles) différentes, avec des propriétés différentes.

Exemples : fer α et fer γ, titane (< 882 °C et > 882 °C... 

Alliages :

lorsqu'on ajoute les atomes d'un autre métal, on modifie l'arrangement des plans de la structure cristalline du métal de base. Cela accroît le plus souvent la résistance.

Exemple : le bronze est plus résistant que les deux métaux de base qui le constituent (cuivre et étain).

Désignation normalisée :

elle utilise à la fois des lettres, qui précisent la nature du métal de base et des éléments d'addition, plus des chiffres qui indiquent les indices de pureté et les teneurs. Deux types de symboles sont utilisés : les symboles chimiques usuels et les symboles métallurgiques.

II - Polymères ou matières plastiques

II en existe deux familles principales : les thermoplastiques et les thermodurcissables.

1. Thermoplastiques

Très nombreux, ils sont les plus utilisés. Ils ramollissent et se déforment à la chaleur. Ils peuvent, en théorie, être refondus et remis en œuvre un grand nombre de fois.

5. Polymère ou macromolécule de polyéthylène.

Exemples : polyéthylène, polypropylène, polystyrène, PVC.

2. Thermodurcissables

Ils ne ramollissent pas et ne se déforment pas sous l'action de la chaleur. Une fois créés, il n'est plus possible de les remodeler par chauffage.

Exemples : phénoliques, époxydes...

Remarque : une même matière plastique, comme le polyester par exemple, existe parfois dans la forme thermoplastique et dans la forme thermodurcissable.

3. Elastomères ou « caoutchoucs »

On peut les considérer comme une famille supplémentaire de polymères aux propriétés très particulières. Ils sont caractérisés par une très grande élasticité.

III - Céramiques

Ni métalliques, ni polymères, ce sont les matières premières les plus abondantes de la croûte terrestre et les matériaux les plus anciens utilisés par l'homme. Elles sont très dures, très rigides, résistent à la chaleur, à l'usure, aux agents chimiques et à la corrosion. Leur principal inconvénient est la fragilité.

Fabrication : elle comprend en général une mise en forme (pressage, moulage, extrusion...) suivie par un traitement thermique (cuisson ou frittage).

1. Céramiques traditionnelles

Elles regroupent les ciments, les plâtres, les produits à base d'argile (terres cuites, faïence, porcelaine, grès cérame...) et les produits à base de silice (verre, cristal...)

2. Céramiques techniques

Plus récentes, elles sont soit fonctionnelles, à « usage électrique », soit structurales, à usage mécanique ou thermomécanique.

Exemples : oxydes d'alumine (A12O3), zircone (ZrO2), nitrures de bore (BN) ou de silicium (Si3N4), carbures de silicium (SiC) ou de tungstène (WC).

Utilisations : fibres optiques (silicium), mémoires magnétiques (ferrites), outils de coupe (carbures), abrasifs, isolants, écrans thermiques, joints d'étanchéité, laser, prothèses osseuses...

6. Domaines d'application des céramiques techniques.

IV - Matériaux composites

Ils sont composés d'un matériau de base (matrice ou liant : polymère, céramique ou métal) renforcés par des fibres, ou agrégats, d'un autre matériau afin de combiner au mieux les avantages des deux. Les deux corps, de structure différente, ne se mélangent pas (structure hétérogène) au contraire d'un alliage (structure homogène).

Exemples familiers : béton armé (béton + armature acier), pneumatiques (élastomère + toile + fils d'acier), équipements sportifs (raquettes, ski...).

Composites à matrices polymères : en renfort, la fibre de verre, la plus économique, est la plus utilisée. La fibre de carbone, plus coûteuse, est utilisée dans des applications plus pointues : équipement sportifs de haut niveau, aéronautique... Les fibres organiques comme les aramides (kevlar) sont un compromis entre les deux.

7. Caractéristiques mécaniques de quelques fibres de renforcement de composites.

8. Principaux constituants des matériaux composites.

V-Matériaux nouveaux

Depuis la préhistoire, toutes les époques ont connu le développement de nouveaux matériaux : âge de pierre, âge du bronze, acier au XIXe siècle.

De nos jours, les composites récents, les céramiques techniques et les métaux de pointe sont les plus prometteurs. En développement croissant, ils sont bien souvent des éléments déterminants dans la fabrication et le succès des machines les plus complexes : engins spatiaux, avions, équipements sportifs pour la haute compétition...

En outre, ils pallient de plus en plus à la pénurie des ressources naturelles en matériaux traditionnels et en matériaux stratégiques : chrome, manganèse, cobalt...