Fiche de révision : Science des matériaux fondamentale

📋 Plan du Cours

1. Choix et classes des matériaux
2. Propriétés mécaniques fondamentales
3. Essai de traction
4. Grandeurs de traction
5. Déformations et contraintes réelles
6. Essais de dureté
7. Essai de résilience
8. Familles de matériaux
9. Liaisons atomiques
10. Désignation des matériaux

📖 1. Choix et classes des matériaux

★ À maîtriser

• Les domaines d’application cités sont:

  • structurelle
  • électrique
  • électronique
  • thermique
  • chimique
  • optique
  • mécanique

• Les cinq grandes classes initiales sont:

  • métalliques
  • céramiques
  • polymères
  • organiques
  • composites

Compléments

• Une application structurelle peut utiliser une charpente métallique, du bois, du béton ou un composite céramique-polymère pour un fuselage d’avion.

• La science des matériaux intervient notamment dans la conception d’une imprimante 3D pour choisir le matériau métallique, polymère, céramique ou composite et comprendre le comportement du matériau à extruder.

📖 2. Propriétés mécaniques fondamentales

🔑 Notions clés & Définitions

• Élasticité : aptitude d’un matériau à retrouver sa forme initiale après suppression de la charge

• Plasticité : aptitude d’un matériau à se déformer définitivement sans rompre

• Ductilité : capacité d’un matériau à s’allonger avant la rupture
• Résilience : résistance aux chocs et la capacité à absorber de l’énergie avant la rupture

• Fluage : aptitude à résister à une déformation lente sous charge prolongée

💡 Astuce mémo

Élasticité = retour à la forme initiale ; plasticité = déformation conservée

📖 3. Essai de traction

🔑 Notions clés & Définitions

• Principe de Saint-Venant : affirme que la différence entre les effets de deux charges statiquement équivalentes devient très faible à des distances suffisamment grandes de la charge

★ À maîtriser

• 🔄 Les étapes principales sont: préparation de l’éprouvette par usinage ou découpe, programmation du chargement selon la norme ISO-NF 6892-1, installation de l’éprouvette, post-traitement des données de temps, déplacement et force

• La machine de traction impose un allongement croissant à l’éprouvette et enregistre simultanément l’effort F et l’allongement ΔL.

Compléments

• Les éprouvettes de traction sont généralement plates ou cylindriques et l’essai peut être piloté en force ou en déplacement.

💡 Astuce mémo

Préparer → charger → mesurer → traiter

📖 4. Grandeurs de traction

★ À maîtriser

📐 Formule — La déformation relative est définie par $\epsilon=\frac{\Delta L}{L_0}=\frac{L-L_0}{L_0}$ et peut être exprimée en pourcentage par $\epsilon=\frac{L-L_0}{L_0}\times100$.

📐 Formule — La contrainte nominale est définie par $\sigma=\frac{F}{S_0}$, où F est la force et S₀ l’aire initiale de la section droite.

📐 Formule — La loi de Hooke simplifiée dans le domaine élastique s’écrit $\sigma=E\times\epsilon$, avec $E=\frac{\Delta\sigma}{\Delta\epsilon}$.

• Les propriétés déterminées sont:
  • la limite d’élasticité Re
  • le module de Young E
  • la limite conventionnelle Rp0,2
  • la résistance à la traction Rm
  • l’allongement à la rupture A%
  • le coefficient de striction Z%

Compléments

📐 Formule — Le coefficient de striction est défini par $Z\%=\frac{S_0-S_u}{S_0}\times100$, où S₀ est la section initiale et Su la section après rupture.

📖 5. Déformations et contraintes réelles

★ À maîtriser

📌 La contrainte nominale vérifie $\sigma=F/S_0$ avec la section initiale, tandis que la contrainte vraie vérifie $\bar{\sigma}=F/S$ avec la section réelle.

📌 Les relations entre valeurs nominales et valeurs réelles ne sont plus valides après la striction, car la déformation n’est alors plus uniforme.

Compléments

📐 Formule — La déformation réelle est définie par $\bar{\epsilon}=\ln\left(\frac{L}{L_0}\right)=\ln(1+\epsilon)$.

📐 Formule — Le coefficient de Poisson est défini par $\nu=-\frac{\epsilon_T}{\epsilon_L}$ et caractérise la déformation transversale associée à une traction longitudinale.

💡 Astuce mémo

Nominale avec la section initiale ; vraie avec la section réelle

📖 6. Essais de dureté

🔑 Notions clés & Définitions

• Dureté : caractérise la résistance d’un matériau à la pénétration

★ À maîtriser

• Les essais normalisés sont:
  • Brinell selon ISO-NF-4506-1
  • Vickers selon ISO-NF-4507-1
  • Rockwell selon ISO-NF-4508-1

📐 Formule — Pour les aciers ductiles, la résistance à la traction peut être estimée par $R_m(\mathrm{MPa})\approx3.2\times HB\approx3.3\times HV$, principalement entre 100 et 400 HB.

Compléments

📐 Formule — La dureté Brinell est calculée à partir de la force F, du diamètre D de la bille et du diamètre d de l’empreinte selon la relation $HBS=0.102\times\frac{2F}{\pi D\left(D-\sqrt{D^2-d^2}\right)}$.

📐 Formule — La dureté Vickers est calculée selon $HV=0.189\frac{F}{d^2}$, où F est la force et d la longueur moyenne de la diagonale de l’empreinte.

💡 Astuce mémo

Brinell : diamètre ; Vickers : diagonale ; Rockwell : profondeur

📖 7. Essai de résilience

🔑 Notions clés & Définitions

• Résilience : caractérise la résistance à la propagation brutale d’une fissure sous l’effet d’un choc et définit ainsi la fragilité du matériau

📝 Points essentiels

• L’essai Charpy consiste à fournir une énergie à un pendule pour briser une éprouvette entaillée et à comparer l’énergie absorbée par différents matériaux.

📐 Formule — L’énergie absorbée par l’éprouvette est $W=P(h_0-h_1)$ et la résilience est $K_C=\frac{W}{A}$, où A est l’aire de la section au droit de l’entaille.

• La plupart des matériaux voient leur ductilité et donc leur résilience diminuer lorsque la température baisse, ce qui peut provoquer une transition ductile-fragile.

💡 Astuce mémo

Température basse → ductilité réduite → résilience diminuée

📖 8. Familles de matériaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Matériau composite : combine deux matériaux à l’état dispersé à une échelle beaucoup plus petite que celle de la pièce et possède souvent des propriétés anisotropes
• Matériaux organiques : générés par polymérisation et associent des liaisons covalentes fortes à des liaisons faibles

★ À maîtriser

• Les métaux et alliages sont conducteurs, ductiles et tenaces, tandis que les céramiques et verres sont durs et résistants mais fragiles.

• Les polymères sont légers, isolants et faciles à mettre en forme, tandis que les composites associent plusieurs matériaux pour combiner leurs propriétés.

Compléments

• Les propriétés citées du NiTiNOL sont:
  • mémoire de forme
  • super-élasticité
  • bonne résistance à la corrosion
  • biocompatibilité

📖 9. Liaisons atomiques

★ À maîtriser

• La liaison ionique résulte d’un transfert d’électrons entre un métal et un non-métal et forme une liaison forte, rigide et isolante, comme dans NaCl.

• La liaison covalente résulte du partage d’électrons entre atomes non métalliques et est directionnelle, comme dans le diamant ou le silicium.

• La liaison métallique correspond à la mise en commun des électrons de valence dans un gaz d’électrons libres et explique la conductivité, la ductilité et la malléabilité des métaux.

Compléments

• Les liaisons secondaires, notamment les forces de Van der Waals et les liaisons hydrogène, sont plus faibles que les liaisons ioniques, covalentes et métalliques.

📖 10. Désignation des matériaux

★ À maîtriser

📌 Pour les aciers non alliés, la teneur en manganèse est inférieure à 1 % ; une désignation S ou E est suivie de la valeur minimale de la limite d’élasticité en mégapascals.

• La désignation C 40 indique un acier dont la teneur moyenne en carbone est de 0,40 %.

📌 Un acier faiblement allié contient plus de 1 % de manganèse et moins de 5 % de chaque élément d’alliage ; sa désignation indique successivement le carbone, les éléments d’addition et leurs teneurs moyennes.

• La désignation X 30 Cr 13 correspond à un acier fortement allié contenant 0,30 % de carbone et 13 % de chrome.

Compléments

• La désignation EN AB-43 000 [Al Si 10 Mg] correspond à un alliage d’aluminium moulé contenant 10 % de silicium et du magnésium.

• La désignation CW 612 N ou Cu Zn 39 Pb 2 correspond à un alliage de cuivre corroyé contenant 39 % de zinc et 2 % de plomb.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des essais de dureté

Classes principales de matériaux