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1. Matériaux et techniques, cours no 4
Cours no 4
Matériaux et techniques
Rappel de notions du cours précédent
Indiquez le graphique représentant le matériau qui a le module de Young le plus élevé (voir graphique du cours no 3).
Quelle est la caractéristique d’un matériau qui a un module de Young élevé?
Quelques définitions
L’élasticité est la propriété qu’a un matériau de reprendre sa forme quand on arrête d’exercer une contrainte ;
La ductilité (ou malléabilité) d’un matériau est la qualité de le déformer sans le rompre ;
La dureté est la qualité de résister à une pression sans être entamée (sans laisser de marque) ;
La résilience permet d’exprimer la quantité de travail nécessaire pour provoquer une rupture. Une matière résiliente n’est pas fragile.
Structure de la matière
Les matériaux sont disponibles à l’état gazeux, liquide ou solide.
À l’état gazeux, les molécules (ou atomes) n’ont aucun lien permanent entre elles. Les molécules sont libres et se déplacent rapidement.
À l’état liquide, les molécules (ou atomes) n’ont que des liens faibles entre elles. Elles peuvent se séparer d’une molécule voisine, mais ce sera pour se coller à une autre.
À l’état solide, les molécules (ou atomes) sont maintenues ensemble par des liens faibles et forts. Ces liens, forts ou faibles, sont de différents types et ont une influence sur les propriétés des matériaux.
Les liens faibles (ou force de Van der Waals), de plusieurs types, sont trop complexes pour être vulgarisé dans le cadre de ce cours. Soulignons toutefois que c’est ce type de liens (une variante appelée liaison hydrogène) qui assure la cohésion d’une goutte d’eau. Mais c’est aussi ce lien qui assure l’agglutinement entre elles les molécules des polymères. Quand nous aborderons les matières plastiques, nous verrons comment elle influence les propriétés de celles-ci.
Les liens forts sont de trois types :
Une liaison covalente est le partage des électrons célibataires entre les atomes. Par exemple, l’oxygène possède deux élections célibataires alors que l’hydrogène en possède un seul. Cela explique pourquoi la composition de l’eau est bien H2O. Nous verrons que le carbone, étant un atome relativement léger doté de quatre élections célibataires, est la source de la vie et, pour nous designer industriel, la source des polymères ;
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Une liaison ionique est causée par un atome qui accapare pour lui l’électron d’un autre type d’atome. Le chlore est un exemple d’atome qui va voler à un électron au sodium (par exemple). Les deux atomes deviennent alors des ions (le premier négatif ou anion et le second positif (perte d’un électron) ou cation). Ces atomes vont alors s’agglutiner de façon plus ou moins ordonnée pour former dans le cas de cet exemple un cube de sel ;
Une liaison métallique est le partage des électrons célibataires par l’ensemble des atomes agglutinés. C’est évidemment la liaison chimique utilisée par tous les métaux. Cela explique pourquoi les métaux sont conducteurs. Cela explique aussi pourquoi les métaux sont opaques et brillants. Les électrons en ballade repoussent les photons dans toutes les directions ce qui donne l’aspect brillant et opaque d’un métal non corrodé.
Un métal n’est pas nécessairement lié par ce dernier type de liaison. Le fer corrodé formera un lien ionique avec une autre matière non métallique comme le chlore, l’oxygène ou hydrogène.
À votre avis les métaux constituent-ils une ou des familles importantes dans le tableau périodique des éléments? Consultez celui du CNRC (Conseil national de recherches du Canada, www.nrc-cnrc.gc.ca/education/elements/index_ f.html) pour en avoir la réponse.
Disposition des molécules ou des atomes
Quel que soit le type de liaison, les molécules ou atomes peuvent être disposés d’une façon amorphe ou d’une façon cristalline.
Une disposition amorphe est une disposition aléatoire alors qu’une disposition cristalline est ordonnée.
Il existe 7 systèmes cristallins de base :
cubique ;
quadratique ;
orthorhombique ;
monoclinique ;
triclinique ;
rhomboédrique ;
hexagonal.
Ces systèmes cristallins sont eux-mêmes déclinés sur 230 variantes appelées « les 230 types de groupes d’espace ». Pour en savoir plus sur les systèmes cristallins, vous pouvez consulter la page de Wikipédia à ce sujet ou encore le site de l’International Union of Crystallography.
À notre niveau, il n’est pas nécessaire de faire une distinction entre les systèmes cristallins. Ce qui est utile c’est de faire la distinction entre un solide amorphe et un solide cristallin. Plus tard, cela nous permettra de comprendre pourquoi certaines matières plastiques sont transparentes et d’autres translucides, pourquoi les métaux sont constitués de « grains » et comment ces grains influencent les propriétés physiques.
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2. Matériaux et techniques, cours no 4
La figure suivante représente un arrangement cubique centré, mais ce n’est qu’un exemple parmi d’autres possibles.
Système cristallin cubique centrédeux représentions symboliquesPropagation du cristaldans trois directions
Source des matières premières
Les matériaux s’obtiennent de ressources renouvelables ou non renouvelables.
Par exemple, les plantes et les animaux sont des ressources renouvelables alors que le pétrole, les minerais et le gaz naturel sont des ressources non renouvelables.
Matériaux recyclés
Les matériaux peuvent souvent être recyclés. La qualité d’un matériau recyclé peut cependant (pas toujours) être inférieure à celle d’un matériau neuf. On ne fait pas de distinction entre un acier provenant de matière recyclée par rapport à un acier provenant uniquement de minerai. Inversement, un polymère recyclé sera toujours d’une qualité inférieure à un polymère provenant d’une source non recyclée.
Préparation des matériaux
Trois familles de préparation permettent de produire les matériaux pour une utilisation industrielle :
La préparation mécanique (coupe du bois en planche, broyage des minerais pour la séparation);
La préparation chimique (polymérisation des matières plastiques, extraction de l’aluminium de la bauxite);
La préparation thermique (fonte des métaux pour la séparation, raffinage du pétrole par évaporation).
Principe de fabrication d’un objet
Secteur primaire : Ensemble des activités économiques productrices de matières premières.
Secteur secondaire : Ensemble des activités économi
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ques correspondant à la transformation des matières premières en biens productifs ou en biens de consommation.
En général, les matières premières sont offertes selon des formes normalisées afin de faciliter leurs transformations par le secteur secondaire. Par exemple :
L’acier est vendu en tige, tube, etc.;
L’aluminium est vendu sous ces formes, mais aussi sous forme de lingot ;
Le plastique est vendu sous forme de tige, tube, feuille ou plaque, mais aussi sous forme de granule ;
Les revêtements sont généralement vendus sous forme liquide ou en poudre.
Le produit fini est réalisé à partir de matières premières selon au moins une des trois familles de procédés suivantes :
Procédés de mise en forme ;
Procédé par séparation ou enlèvement de matière ;
Procédé d’assemblage.
Par exemple, un cure-dent en bois est fabriqué uniquement par des procédés de séparation ou enlèvement de matière alors qu’un cure-dent en plastique est fabriqué uniquement par un procédé de mise en forme (l’injection).
Pour fabriquer les sièges en bois et métal de la bibliothèque, il faut utiliser toutes les familles de procédés (mise en forme, enlèvement de matière et assemblage).
Matières premières(formes standardisées) Procédés demise en formeProcédés par séparationouenlèvement de matièreProcédés d’assemblageTiré de : Stanley A. Komacek, Ann E. Lawson, Andrew C. Horton, Manufacturing technology, Delmar Publishers inc. 1990, page 260
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3. Matériaux et techniques, cours no 4
Exemples de procédés de fabrication classés par familles
Procédé de mise en forme :
Estampage ;
Forge ;
Extrusion ;
Frittage ;
Moulage (par injection, au sable, à la cire perdue, etc.)
Procédé par séparation ou enlèvement de matière :
Tournage ;
Fraisage ;
Rectification ;
Électroérosion ;
Laser ;
Sciage ;
Perçage par poinçonnage ;
Perçage par poinçonnage.
Le découpage à l’emporte-pièce progressif combine un procédé de mise en forme et un procédé par séparation.
Procédé d’assemblage :
Soudage ;
Vissage ;
Rivetage ;
Application de fini (peinture, teinture, anodisation, etc.).
Matériaux industriels
Il est impossible de donner une liste complète des matériaux industriels utilisables en design industriel. Les matériaux utilisés sont presque toujours constitués d’un ou plusieurs éléments. Le tableau périodique des éléments est donc un outil utile uniquement quand on désire connaitre les sources du matériau choisi.
Le tableau de la page suivante a été produit par votre enseignant. Il ressemble à la majorité des tableaux que l’on retrouve dans les bouquins de matériaux, mais pratiquement chaque auteur adapte son tableau à son domaine spécifique. En plus de ce tableau, consultez le site de GoodFellow (www.goodfellow. com), un distributeur de matériaux pour laboratoire, qui offre une gamme importante de produits et les propriétés des matériaux sont inscrites.
Caractérisation des matériaux
Pour choisir un matériau, le designer peut généralement consulter des tableaux provenant des fournisseurs de ces matériaux. Puisque ces tableaux proviennent généralement de grande société et qu’une fausse information pourrait donner lieu à des poursuites judiciaires, on peut se fier à ces informations.
Comme nous l’avons vue dans les cours précédents un matériau peut être caractérisé par :
La résistance à la traction ;
La résistance à la compression ;
Le module de Young ;
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La résistance au choc ;
La dureté (facteur donné en Brinell, Rockwell, etc.)
La résistance au cisaillement ;
Etc.
De plus selon le matériau on donnera d’autres caractéristiques s’il s’avère utile de les donner. Notons par exemple :
La résistance à la flamme ;
Le coefficient de frottement ;
La masse ;
La transparence ;
Etc.
Travail d’équipe
L’enseignant rencontreles équipes pour constater où en est la planification du travail.
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4. Matériaux et techniques, cours no 4
Matériaux industriels
Métaux
(Matériau dont les éléments principaux sont liés ensemble par des liaisons métalliques.)
Matières organiques
(Matériau dont le carbone (ou le silicium) est l’élément de base servant (par des liens covalents) à attacher d’autres sortes d’atomes ensemble pour former de grosses molécules)
Matières inorganiques
(non métalliques)
Métaux ferreux
Fontes
Aciers au carbone
Aciers alliés
Aciers inoxydables
Métaux et alliages non ferreux
Aluminium
Cuivre
Or
Argent
Laitons
Bronzes
Cuproaluminiums
Cupronickels
Maillechorts
Magnésium
Zinc
Titane
Matières plastiques thermoplastiques
Polyéthylène
Polypropylène
Polychlorure de vinyle
Polystyrène
Polyacryliques
Polymères fluorés
Acétals
Polyamides
Polyesters saturés
Polycarbonates
Polysulfones
Acétate de cellulose
Matières plastiques thermodurcissables
Phénoplastes
Urée formaldéhydes
Mélamine formaldéhyde
Polyesters insaturés
Polyépoxydes
Élastomères
Caoutchouc naturel
Gutta-percha
Néoprène
Styréniques
Polyoléfines
Polyesters
Polyuréthanes
Silicones
Autres matières organiques
Bois
Papier
Fibres végétales
Fibres animales
cuir
Verres
Silice
Sodo calcique
Verres au plomb
Borosilicates
Fibres de verre
Vitrocéramique
Céramiques
Terres cuites
Faïences
Grès
Porcelaines
Autres matières inorganiques
Granite
Calcaire
Marbre
Ciments
Plâtres
Mica
Graphite