choix des matériaux

1. Sélection des matériaux et des procédés
Contexte :
• Rationalisation du processus de conception
 nombreuses méthodes
• Matériaux utilisés restent peu nombreux
• Possibilité d’intégrer des fonctions de la pièce dans le matériau
• Nécessité d’optimiser le choix des matériaux
Mise au point d’une méthode (M.F. Ashby)

2. Déroulement du cours
1 – Notions de conception, les matériaux et leurs propriétés
2 – Rédaction d’un cahier des charges
3 – Evaluation des performances des matériaux
4 – Sélection multi critères
5 – Les Procédés et leurs attributs
6 – Faisabilité des procédés, viabilité

3. 1 Démarche de conception
1.1 Principes généraux
• Conception d’une pièce : choix des attributs (éléments de
conception) relatifs à sa définition et sa réalisation
• Attributs : nombre de composants, géométrie, matériau(x)
constitutif(s), procédé de fabrication, d’assemblage…
• Point de départ : besoin du marché
 importance de la définition et l’expression de ce besoin

4. Fonctions des composants
• Produits = assemblage de composants
• Fonctions mécaniques : transmettre des forces
• Fonctions thermiques: conduction, isolation, inertie…
• Fonctions d’information: conduction électrique,
propriétés magnétiques, optiques…

5. • Idées fondamentales :
Nécessité de faire des compromis
Choix effectué avec une précision croissante
Besoin du marché
Concept
Amélioration
Détail
PRODUIT
Choisir entre les grandes
classes de matériaux
(céramiques, métaux…)
Choisir entre les
familles d’une grande
classe de matériaux
(aciers, fonte, Al…)
Choisir entre les nuances
d’une famille de
matériaux (Alliages 6000,
7000,..)
SELECTION DES
MATERIAUX
Choisir entre les
grandes classes de
procédés (moulage,
usinage…)
Choisir entre les
familles d’une classe
de procédés (moule
en sable, moulage
sous pression…)
Choisir entre les
variantes d’une famille
de procédés (moulage
coquille, …)
SELECTION DES
PROCEDES
Clarifier la fonction
Définir les
caractéristiques
principales du produit
Optimiser les formes
Optimiser la réalisation
(fabrication +
assemblage)
OBJECTIFS
Analyse
fonctionnelle
Modelisation des
composants (FEM)
DFM / DFA
OUTILS DE
CONCEPTION
Analyseur de
fonction
Modeleur 3D
Simulation
Méthodes
d’optimisation

6. • Outils informatiques pour les dernières étapes
Méthode des éléments finis
Optimisation de la géométrie
Outil de dimensionnement
• Premières étapes
Pas d'outil performant
Bases de données d'éléments fonctionnels (bielles, engrenages…)
Problème du choix de matériaux (pas indépendant de la géométrie)

7. 1.2 Choix de matériaux et de procédés
• Sélection de matériaux  critères de choix
• Choix objectif  connaissance des propriétés des matériaux
• Choix pas indépendant du procédé de mise en œuvre
Procédé
Structure du
matériau
Propriétés Fonction
matériau Forme
Fonction
astreintes
+
objectifs
Procédé

8. • Ingénierie simultanée
 Tous les aspects du développement d’un nouveau produit doivent
être envisagés simultanément
• Possibilité d’informatiser ces opérations
 Gestion de bases de données
 Classement suivant un critère objectif
Logiciel Cambridge Engineering Selector (CES)

9. 2 Les propriétés des matériaux
2.1 Qualité, propriété, caractéristique
• Qualité : type de la réaction d’un matériau exposé à un agent
déterminé
• Propriété, caractéristique : grandeur décrivant l’ampleur de
ces réactions
• Possibilité de comparer les matériaux entre eux
• Choix de matériaux objectifs  traduction du cahier des
charges en fonction de ces grandeurs, avec des niveaux
déterminés

10. 2.2 Les caractéristiques des matériaux
• Classement des propriétés des matériaux en 6 catégories
(en fonction des agents auxquels ils sont exposés) :
Mécaniques Electriques
Thermiques Magnétiques
Optiques Chimiques
• Bases de données sous forme numérique : mécaniques,
thermiques, électriques

11. • Autres propriétés : pas de données sous forme numérique
 Qualitatives
Résistance aux agressions chimiques
Inflammabilité, résistance aux UV …
 Booléennes
Procédés de mise en œuvre
Procédés d’assemblage
Formes disponibles

12. 2.3 Les caractéristiques disponibles dans CES

13. Générales :
Densité, prix
Mécaniques :
Module d’Young, limite d’élasticité, résistance, déformation à la rupture,
limite d’endurance, ténacité, dureté Vickers, capacité d'amortissement
Thermiques
Température de fusion, chaleur spécifique, conductivité thermique,
coefficient de dilatation thermique
Electriques
Résistivité
Optiques
Transparence
Résistance à l’environnement
Inflammabilité, solvants organiques, acides, bases, UV

14. Caractéristique Qualité
Module d’Young Rigidité, capacité d’un matériau à s’opposer à une déformation
Limite d’élasticité, résistance Résistance aux efforts
Déformation à la rupture Ductilité (capacité à se déformer avant de rompre)
Limite d’endurance
Résistance à la fatigue (sollicitations mécaniques cycliques
alternées)
Ténacité Résistance à la propagation de fissure
Dureté (Vickers) Résistance à l'enfoncement d'un pénétrateur
Chaleur spécifique
Quantité de chaleur pour élever la température d’un kilo de
matériau d'un degré
Conductivité thermique Aptitude d'un matériau conducteur à transmettre de la chaleur
Coefficient de dilatation
thermique
Dilatation du matériau lorsqu'on le chauffe
Résistivité
Indique dans quelle mesure un matériau est résistant au
passage d'un courant électrique

15. • Les modules d'élasticité
Pentes des courbes contrainte – déformation
module d'Young E : comportement en traction et compression
module de Coulomb G : comportement en cisaillement
coefficient de Poisson n : opposé du rapport des déformations
transversale et longitudinale
g
e
s t
E
G
F
Rque : matériaux homogènes isotropes
)
1
(
2
E
G
n



16. • Limite d'élasticité, résistance et allongement à la rupture
Déterminés à partir des courbes contrainte – déformation en traction
• Capacité d'amortissement
Facilité qu'a un matériau à dissiper de l'énergie vibratoire (coefficient sans
dimension)
e
s
sR
se
eR
ée
sin
emmaga
énergie
dissipée
énergie



17. • Dureté
Mesurée en appuyant une bille ou un cône d'un matériau très dur (diamant, acier
trempé) sur la surface du matériau
• Limite d'endurance
Sollicitation répétée pouvant entraîner l'apparition d'une fissure puis la rupture
Amplitude de contrainte maximale pour laquelle la rupture ne se produit pas
• Ténacité
Mesurée en chargeant une éprouvette en présence d'une fissure
Deux grandeurs : énergie de rupture G1C et ténacité K1C
a
Y
K C
1 
s


18. • Coefficient de dilatation thermique
Caractérise la dilatation d'un matériau lors d'une variation de température
Un seul coefficient pour les matériaux isotropes
• Températures caractéristiques
Température de transition vitreuse : transition entre le solide et le liquide visqueux
pour les matériaux non cristallins
Température de fusion, température de service maximale
• Conductivité thermique
Vitesse à laquelle la chaleur de propage en régime permanent à travers un solide
Flux thermique :
avec l conductivité thermique, f flux de chaleur, x distance entre les surfaces où
sont mesurées les températures
x
T
T
dx
dT 2
1 
l

l

f

19. • Diffusivité thermique
Donne le flux thermique dans le cas d'un régime transitoire
Exprimée en fonction des autres caractéristiques
• Usure, oxydation, corrosion
usure volumétrique : rapport du volume de matière arraché et de la surface de
contact
corrosion plus difficile à quantifier → seulement qualitatif
données pour des couples de matériaux ou en fonction des milieux
p
C
a

l


20. 3 Les grandes classes de matériaux
3.1 Classification des matériaux
• Nature des liaisons  Trois grandes classes de matériaux solides :
métaux, céramiques, polymères
• Matériaux naturels
• Matériaux composites

21. Elastomères
(caoutchouc, silicones..
Polymères,
Thermoplastiques
(polystyrene,polyéthylène,PVC
Thermodurcissables
(résines)
Mousses
(polystyrène expansé)
Bois
soie
Matériaux
Naturels
coton, cuir
papier
Matrice céramique
Matériaux
Composites
Matrice métallique
matrice polymère
Verres
bétons
Céramiques,
verres
céramiques techniques
(alumine, diamant,..
Porcelaine
Aciers
Aluminium
or
Métaux et alliages
bronze
fontes
……...

22. 3.2 Les métaux et alliages
• Exemples : aciers, aluminium, titane, or, bronze, fonte, zinc, tungstène,
magnésium…
• Métaux purs ou alliages
• Type de liaison : métallique (assurée par électrons délocalisés)
• Propriétés spécifiques :
- conduction de chaleur et électricité
- températures de fusion et de vaporisation en général élevées
- propriétés élastiques élevées
- possibilité d’augmenter la résistance (durcissement structural)
- denses, sensibles à la corrosion et à la fatigue

23. 3.3 Les céramiques
• Exemples : verres, béton, alumine, diamant, carbures, roches, briques,
porcelaines…
• Elements métalliques et non métalliques (carbures, nitrures…)
• Type de liaison : ionique ou covalente (très énergétiques)
• Propriétés spécifiques :
- tenue en température
- excellentes propriétés élastiques
- fragiles, peu ductiles, peu tenaces
- résistants à l’usure et à la corrosion
- prix élevé pour les céramiques techniques

24. 3.4 Les polymères
• Macromolécules à squelette covalent
exemple : (CH2-CH2)n
• Type de liaison : Van der Waals (liaison faible)
• Propriétés spécifiques :
- deux températures spécifiques : transition vitreuse et dégradation
- faibles propriétés élastiques
- résistants à l’usure et à la corrosion
• Catégories : thermoplastiques, thermodurcissables, élastomères

25. 3.5 Les matériaux composites
• Association d’éléments de deux classes de matériaux pour obtenir une
combinaison avantageuse de propriétés
• Facteurs influençant les propriétés :
- nature des constituants
- proportions de chacun
- architecture du renfort (fibres courtes, longues, orientation…)
3.6 Les matériaux naturels
• Deux catégories : origine végétale ou animale
• Exemples : bois, papier, carton, liège, fibres naturelles, cuir, laine…

26. 3.7 Approche hiérarchique
Royaume Famille Classes Attributs
Sous
classes
• Céramiques
• Polymères
• Métaux
• Naturels
• Composites
Aciers
Alliages Cu
Alliages Al
Alliages Ti
Alliages Ni
Alliages Zn
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Matériaux
Fiche d’un
matériau
Masse volumique
Prop Mecaniques
Prop Thermiques.
Prop Electriques..
Résistances Corrosion
……..
5083 H2
5083 H4
…..
Objectif : Donner un niveau d ’information compatible avec le niveau
d’avancement de la conception

27. 4 Approche comparative des matériaux
Métaux Céramiques Polymères Composites
Densité Moyenne / élevée Moyenne Faible / très faible Moyenne / faible
Prix Faible / élevé Elevé (techniques) Faible / élevé Elevé
Faible (grde diffusion)
Module d’Elasticité Elevé Très élevé Moyen / faible Elevé
Résistance Mécanique Elevée Très élevée
(compression)
Moyenne / faible Elevée
Tolérance aux défauts
et aux chocs
Très tenace Très fragile Peu tenaces mais
grande énergie
absorbée
Très tenace
Température
d’utilisation
Moyenne / hautes Hautes / très hautes Moyennes /
faibles
Moyennes
Tenue aux agressions
chimiques
Moyenne / mauvaise Bonne / très bonne Moyenne Moyenne
Conduction de la
chaleur
Bonne / très bonne Moyenne / faible Faible / très faible Faible
Conduction de
l’électricité
Bonne / très bonne Faible / très faible
Facilité de mise en
forme
Facile Difficile (technique) Très facile Moyenne dépendant
de la forme
Facile (grde diffusion)
Facilité d’assemblage Facile Moyenne Facile difficile
1ère étape : comparaison qualitative

28. • Caractéristiques intrinsèques (quantitatives)
– grandeur physique objective et mesurable
– Générales, Mécanique, Thermique, Electrique
– prix,fraction recyclable,masse volumique……….
– module de Young, coeff de poisson,dureté, limite d ’élasticité………….
– conductivité thermique, coeff de dilatation, température de fusion, temp maxi
d ’utilisation,...……
– résistivité,constante diélectrique...
• Caractéristiques interactives (qualitatives)
– grandeur mesurant le comportement du matériau avec un autre matériau
ou un environnement
– résistance à l ’eau douce, à l ’eau de mer, aux acide forts…
– inflammabilité, résistance aux UV, résistance à l ’usure...
• Caractéristiques attribuées (booléennes)
– perception du matériau dans un contexte socio-économique
– les formes disponibles, les procédés d ’assemblage, les procédés de traitements de
surface ….

29. Données numériques : fourchettes de valeur
 la précision augmente avec celle de la définition du matériau
Exemple : aciers
module de Young entre 190 et 210 GPa
limite d’élasticité entre 250 et 2000 MPa
alliages d’aluminium
module de Young entre 70 et 80 GPa
limite d’élasticité entre 100 et 650 MPa
 On peut tirer des conclusions sur les modules, mais pas sur les limites d’élasticité
Données qualitatives
 en général trop difficiles à obtenir pour tous ces matériaux
Données booléennes
 renseignent sur les possibilités de mise en œuvre, mise en forme
et d’assemblage (élimination)

30. Une autre présentation possible des propriétés : les cartes de sélection
Propriété 1
Propriété
2
- Graphe dans un plan (prop 1, prop 2)
- Matériaux représentés par des ellipses
Avantages : - aperçu rapide de la dispersion
- localisation des différentes classes de matériaux

31. Métaux Polymères Céramiques Composites
PEEK
PP
PTFE
WC ( carbure de tungstène)
Alumine
Verre de silice
CFRP(carbone)
GFRP(verre)
Acier
Cuivre
Plomb
Zinc
Aluminum
Exemple de carte de sélection
(1 seule propriété)

32. Density (typical) (Mg/m^3)
0.01 0.1 1 10
Young's
Modulus
(typical)
(GPa)
1e-004
1e-003
0.01
0.1
1
10
100
1000
Concrete
Titanium
Cork
PP
Flexible Polymer Foams
Rigid Polymer Foams
Tungsten Carbides
Steels Nickel alloys
Copper alloys
Zinc alloys
Lead alloys
Silicon Carbide
Alumina
Boron Carbide
Silicon
Al alloys
Mg alloys
CFRP
GFRP
Bamboo
Wood
Plywood PET
PTFE
PE
PUR
PVC
EVA
Silicone
Polyurethane
Neoprene
Butyl Rubber
Polyisoprene
Module
de
Young
(GPa)
Masse volumique (Mg/m3)
Module
Masse volumique
Exemple de carte de sélection