Chimie des matériaux

Dr. Gilles OLIVE
Chimie des Matériaux
!Etude des caractéristiques générales des matériaux
métalliques
!Etude des propriétés physiques, chimiques et
mécaniques des matériaux
!Différentes techniques pour améliorer les
propriétés mécaniques des matériaux
!Les verres
!Les céramiques
!Les liants hydrauliques
!Les matières plastiques
!ANNEXES et LABORATOIRES

Penser (peser) est fonction de peseur, non fonction de balance.
(Alain)
L'expérience est le nom que chacun donne à ses erreurs.
(Oscar Wilde)
Qu'il est difficile d'être simple...
(Vincent van Gogh, lettre à Paul Gaugin, 1890)

Dr. Gilles OLIVE 1
Chimie des Matériaux 16/04/2008
SOMMAIRE
CHAPITRE 1: ÉTUDE DES CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DES
MATERIAUX MÉTALLIQUES _________________________________________ 10
1.1. Liaisons métalliques _______________________________________________________________10
1.1.1. Les différents types de liaisons___________________________________________________________ 10
1.1.2. Les liaisons métalliques ________________________________________________________________ 11
1.1.3. Les types de solides (type de liaisons) _____________________________________________________ 11
1.1.3.1. Métalliques________________________________________________________________________ 11
1.1.3.2. Sels (liaisons ioniques)_______________________________________________________________ 11
1.1.3.3. Moléculaires_______________________________________________________________________ 11
1.1.3.4. Covalents _________________________________________________________________________ 12
Remarques sur les interactions de Van der Waals _____________________________________ 12
a) Les interactions dipôle-dipôle _______________________________________________________ 12
b) Les interactions dipôle-dipôle induit__________________________________________________ 12
c) Les interactions dipôle induit-dipôle induit_____________________________________________ 12
1.2. Le réseau cristallin ________________________________________________________________13
1.2.1. Il existe 7 réseaux cristallins_____________________________________________________________ 13
1.2.2. Les propriétés physico-chimiques_________________________________________________________ 15
REMARQUES: _______________________________________________________________ 16
1.2.3. Le nombre d'atomes par maille___________________________________________________________ 16
1.3. Les défauts au sein des solides cristallins ______________________________________________17
1.3.1. Ponctuels____________________________________________________________________________ 17
1.3.1.1. Les lacunes________________________________________________________________________ 17
1.3.1.2. Les défauts auto-interstitiels __________________________________________________________ 17
1.3.1.3. Les défauts interstitiels étrangers_______________________________________________________ 17
1.3.1.4. La substitution _____________________________________________________________________ 18
REMARQUE _________________________________________________________________ 18
1.3.2. Linéaires ____________________________________________________________________________ 18
1.3.2.1. Dislocation coin ____________________________________________________________________ 19
1.3.2.2. Dislocation vis1 ____________________________________________________________________ 20
1.3.3. De plan, de surface ____________________________________________________________________ 21
1.4. Diagramme de phases ______________________________________________________________21
1.4.1. Le corps pur (solidification) _____________________________________________________________ 22
1.4.2. Mélange (solidification) ________________________________________________________________ 22
Diagramme en fuseau _____________________________________________________________ 23
Eutectique Pb-Sb_________________________________________________________________ 24
Eutectique Ag-Cu ________________________________________________________________ 24
1.4.3. Un exemple particulier des phases: Fe-C ___________________________________________________ 25
1.4.3.1. Informations sur le fer pur ____________________________________________________________ 25
1.4.3.1.1. Plusieurs techniques pour obtenir du fer pur _________________________________________ 25
1.4.3.1.2. Dans le commerce, il y a différents types de fer qui se distinguent par leurs impuretés ________ 25
1.4.3.1.3. Propriétés du fer _______________________________________________________________ 25
1.4.3.1.3.1.Physico-chimique ____________________________________________________________ 25
1.4.3.1.3.2.Physico-chimique ____________________________________________________________ 26
1.4.3.1.4. Courbe de refroidissement du fer __________________________________________________ 26

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1.4.3.2. Alliage Fer-Carbone_________________________________________________________________ 27
Graphique simplifié Fe-C __________________________________________________________ 28
CHAPITRE 2: ETUDE DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES, CHIMIQUES ET
MÉCANIQUES DES MATÉRIAUX _____________________________________ 29
2.1. Propriétés chimiques_______________________________________________________________29
2.1.1. Oxydation par les acides________________________________________________________________ 29
2.1.1.1. Le fer se dissout-il dans une solution d'acide chlorhydrique ?_________________________________ 30
2.1.1.2. Et le cuivre ? ______________________________________________________________________ 30
2.1.2. Oxydation par l'eau____________________________________________________________________ 30
2.1.2.1. Le sodium réagit-il avec l'eau ? ________________________________________________________ 30
2.1.2.2. Et le cuivre réagira-t-il avec l'eau ? _____________________________________________________ 30
2.1.3. Observations _________________________________________________________________________ 31
2.1.4. Diagramme de Pourbaix ________________________________________________________________ 31
2.1.4.1. Cu/H2O___________________________________________________________________________ 32
2.1.4.2. Exercice: Zn/H2O___________________________________________________________________ 34
Le diagramme de Pourbaix Zn/H2O lui-même:__________________________________________ 39
2.2. Propriétés physiques _______________________________________________________________40
2.2.1. Conductivité électrique_________________________________________________________________ 40
Il existe 3 types de métaux en fonction des propriétés électriques ___________________________ 40
2.2.2. Conductivité thermique_________________________________________________________________ 40
2.2.3. Masse volumique et densité _____________________________________________________________ 41
Paramètres pour calculer la masse volumique d'un métal: _______________________________ 41
2.3. Propriétés mécaniques _____________________________________________________________42
2.3.1. La dureté de Mohs ____________________________________________________________________ 42
2.3.2. Brinell ______________________________________________________________________________ 43
HB = Indice de dureté Brinell_____________________________________________________ 43
2.3.3. Vickers _____________________________________________________________________________ 45
HV = Indice de dureté Vickers____________________________________________________ 45
2.3.4. Rockwell____________________________________________________________________________ 45
HRC (ou HRB) = Indices de dureté Rockwell ________________________________________ 45
2.3.5. Essais de dureté. ______________________________________________________________________ 46
2.3.6. Autres types de duretés_________________________________________________________________ 47
CHAPITRE 3: DIFFÉRENTES TECHNIQUES POUR AMÉLIORER LES
PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DES MATÉRIAUX_________________________ 49
3.1. Traitements thermiques ____________________________________________________________49
3.1.1. Le recuit ____________________________________________________________________________ 49
3.1.1.1. D'adoucissement____________________________________________________________________ 49
3.1.1.2. De normalisation ___________________________________________________________________ 49
3.1.1.3. De détente ________________________________________________________________________ 49
3.1.1.4. D'homogénéisation__________________________________________________________________ 49
3.1.2. La trempe ___________________________________________________________________________ 49
3.1.3. Le revenu ___________________________________________________________________________ 50
3.2. Traitements chimiques superficiels ___________________________________________________50
3.2.1. Cémentation3 ________________________________________________________________________ 50
3.2.1.1. Etape d'enrichissement en carbone______________________________________________________ 50

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3.2.1.1.1. Cémentation en caisse __________________________________________________________ 50
3.2.1.1.2. Cémentation en bains de sels _____________________________________________________ 51
3.2.1.1.3. Cémentation gazeuse ___________________________________________________________ 51
3.2.1.2. Traitements thermiques après cémentation _______________________________________________ 51
3.2.2. Carbonitruration ______________________________________________________________________ 51
3.2.3. Nitruration___________________________________________________________________________ 52
Caractéristiques: _________________________________________________________________ 52
CHAPITRE 4: LES VERRES ________________________________________ 53
4.1. Généralités _______________________________________________________________________53
Verre ordinaire ou verre sodocalcique_________________________________________________ 53
Verre à vitres____________________________________________________________________ 53
Verre borosilicate ou pyrex _________________________________________________________ 53
4.2. Structure du verre_________________________________________________________________54
4.3. Propriétés du verre ________________________________________________________________55
4.3.1. Propriétés optiques ____________________________________________________________________ 55
4.3.1.1. Transparence ______________________________________________________________________ 55
4.3.1.1.1. Dans le visible ________________________________________________________________ 55
4.3.1.1.2. Dans l'ultraviolet_______________________________________________________________ 56
4.3.1.1.3. Dans l'infrarouge ______________________________________________________________ 56
4.3.1.2. Indice de réfraction (n)_______________________________________________________________ 56
4.3.2. Propriétés thermiques __________________________________________________________________ 56
4.3.2.1. Conductivité thermique ______________________________________________________________ 56
4.3.2.2. Résistance aux chocs thermiques_______________________________________________________ 57
4.3.3. Propriétés électriques __________________________________________________________________ 57
4.4. Exemples pratiques de verres________________________________________________________57
4.4.1. Verre silico-sodo-calcique ______________________________________________________________ 57
4.4.2. Verre boro silicate_____________________________________________________________________ 58
4.4.3. Silice vitreuse ________________________________________________________________________ 58
4.4.4. Alumino silicate ______________________________________________________________________ 58
4.4.5. Verre d'optique _______________________________________________________________________ 58
4.4.6. Fibres optiques _______________________________________________________________________ 58
4.4.7. Kwarx, le verre qui surpasse le cristal _____________________________________________________ 59
4.4.8. Caractéristiques des verres de laboratoire___________________________________________________ 59
Composition chimique: ____________________________________________________________ 59
Verre borosilicaté ______________________________________________________________ 59
Verre sodocalcique _____________________________________________________________ 59
Utilisation ______________________________________________________________________ 60
CHAPITRE 5: LES CÉRAMIQUES ___________________________________ 61
5.1. Généralités _______________________________________________________________________61
5.2. Définitions des céramiques __________________________________________________________61
5.2.1. Deux grands types de céramiques_________________________________________________________ 61
5.2.2. Les céramiques sont des produits dont la fabrication comporte les caractéristiques suivantes: __________ 61

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5.3. Eléments de structure au niveau des céramiques________________________________________62
5.4. Les différentes étapes de fabrication __________________________________________________62
5.5. Propriétés mécaniques des céramiques ________________________________________________62
5.5.1. Structure ____________________________________________________________________________ 62
5.5.2. Propriétés mécaniques _________________________________________________________________ 62
CHAPITRE 6: LES LIANTS HYDRAULIQUES _________________________ 64
6.1. Le ciment4 _______________________________________________________________________64
6.1.1. Quelques définitions ___________________________________________________________________ 64
6.1.2. Le principe de fabrication du ciment ______________________________________________________ 65
6.1.3. Le processus chimique _________________________________________________________________ 65
6.1.3.1. Production d'aluminate monocalcique, de silicate bicalcique et de chaux. _______________________ 66
6.1.3.2. Combinaison partielle à plus haute température de ces derniers, pour former des aluminates et des
silicates tricalciques.________________________________________________________________________ 66
6.1.3.3. Les réactions chimiques lors de la mise en œuvre du ciment__________________________________ 66
6.2. Le béton5 ________________________________________________________________________67
6.2.1. La conception et la mise en œuvre d'un béton frais ___________________________________________ 67
6.2.2. Les propriétés du béton après l'hydratation (béton durci)_______________________________________ 68
6.2.3. Les dégradations du béton ______________________________________________________________ 68
6.2.3.1. Les problèmes d'ordre physiques _______________________________________________________ 69
6.2.3.2. Les problèmes d'ordre chimique liés à la composition du béton ou à son environnement____________ 69
6.2.3.2.1. Le phénomène de la carbonatation _________________________________________________ 69
6.2.3.2.2. La corrosion par le sel __________________________________________________________ 69
6.2.3.2.3. Les réactions sulfatiques_________________________________________________________ 70
6.2.3.2.4. Les réactions alcali-granulats _____________________________________________________ 70
6.2.3.2.5. La réaction alcali-silice__________________________________________________________ 70
6.2.3.3. Les conséquences de la réaction alcali-silice ______________________________________________ 70
6.2.3.4. La recherche_______________________________________________________________________ 71
6.3. Le plâtre6 ________________________________________________________________________71
6.3.1. Les propriétés du plâtre_________________________________________________________________ 71
6.3.1.1. Homogénéité ______________________________________________________________________ 71
6.3.1.2. Constance_________________________________________________________________________ 71
6.3.1.3. Coefficient d'expansion ______________________________________________________________ 71
6.3.1.4. Autres caractéristiques _______________________________________________________________ 71
6.3.1.5. Temps de prise et période de plasticité __________________________________________________ 72
6.3.2. Quantité plâtre-eau ____________________________________________________________________ 72
6.3.2.1. A l'œil____________________________________________________________________________ 72
6.3.2.2. En mesurant _______________________________________________________________________ 72
CHAPITRE 7: LES MATIÈRES PLASTIQUES _________________________ 73
7.1. Définition ________________________________________________________________________73
7.1.1. Réaction d'addition ____________________________________________________________________ 73
7.1.2. Réaction de condensation _______________________________________________________________ 73
7.1.2.1. Polyester__________________________________________________________________________ 74
7.1.2.2. Polyamide ________________________________________________________________________ 74
7.1.2.3. Résines à base de formol _____________________________________________________________ 75
7.2. Classification des différents polymères ________________________________________________76

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7.2.1. Classement lié à la structure _____________________________________________________________ 76
7.2.1.1. Polymères linéaires _________________________________________________________________ 76
7.2.1.1.1. Homopolymères _______________________________________________________________ 76
Remarques:___________________________________________________________________ 77
Quelques propriétés dues à la tacticité:______________________________________________ 77
7.2.1.1.2. Copolymères__________________________________________________________________ 77
7.2.1.2. Polymères ramifiés__________________________________________________________________ 77
7.2.1.3. Polymères à cycles dans la chaîne ______________________________________________________ 79
7.2.1.4. Polymères tridimensionnels ___________________________________________________________ 79
7.2.2. Classement lié à certaines propriétés ______________________________________________________ 79
7.2.2.1. Thermoplastiques___________________________________________________________________ 79
7.2.2.2. Thermodurcissables _________________________________________________________________ 80
7.2.2.3. Elastomères _______________________________________________________________________ 80
7.2.3. Classement lié à la morphologie__________________________________________________________ 80
7.2.3.1. Polymères amorphes ________________________________________________________________ 80
7.2.3.2. Polymères semi-cristallins ____________________________________________________________ 81
7.2.3.3. Polymères à deux phases amorphes _____________________________________________________ 82
Remarque: ______________________________________________________________________ 82
7.3. Transition de phase au niveau des polymères___________________________________________82
7.3.1. Transition vitreuse ____________________________________________________________________ 82
7.3.2. Fusion ______________________________________________________________________________ 82
7.3.3. Remarques et explications ______________________________________________________________ 83
7.4. Les adjuvants _____________________________________________________________________83
7.4.1. Plastifiants___________________________________________________________________________ 83
7.4.2. Stabilisants __________________________________________________________________________ 84
7.4.2.1. Anti-oxygènes _____________________________________________________________________ 84
7.4.2.2. Thermiques _______________________________________________________________________ 84
7.4.2.3. Lumières _________________________________________________________________________ 84
7.4.3. Colorants et Pigments __________________________________________________________________ 85
7.4.4. Anti-chocs___________________________________________________________________________ 85
7.4.5. Antistatiques _________________________________________________________________________ 85
7.4.6. Ignifugeants _________________________________________________________________________ 85
7.4.7. Lubrifiants___________________________________________________________________________ 86
7.4.8. Charges _____________________________________________________________________________ 86
7.5. Principales caractéristiques des polymères courants25___________________________________86
7.6. Quelques polymères historiques17____________________________________________________86
7.7. Quelques utilisations de polymères courants26 _________________________________________92
Gamme type des propriétés des thermoplastiques du commerce (sans charge et sans renforcement)
____________________________________________________________________________ 94
Propriétés mécaniques générales des thermoplastiques du commerce (sans charge et sans
renforcement) _________________________________________________________________ 95
7.8. Les caoutchoucs27 _________________________________________________________________96
7.8.1. Les caoutchoucs synthétiques____________________________________________________________ 96
7.8.2. Autres élastomères naturels _____________________________________________________________ 97
7.8.3. Propriétés physiques du caoutchouc _______________________________________________________ 97
7.8.4. Le latex d'hévéa ______________________________________________________________________ 98
7.8.5. L'ébonite ____________________________________________________________________________ 98
7.8.6. Quelques applications du caoutchouc aujourd'hui oubliées _____________________________________ 98

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CHAPITRE 8: ANNEXES __________________________________________ 100
8.1. ANNEXE 1 - Joints de Grain28 _____________________________________________________100
8.2. ANNEXE 2 - Interactions dipolaires29 _______________________________________________101
8.2.1. Dipôle électrique_____________________________________________________________________ 101
8.2.1.1. Moment dipolaire permanent _________________________________________________________ 101
8.2.1.2. Moment dipolaire induit_____________________________________________________________ 102
8.2.1.3. Etude expérimentale de la polarisation _________________________________________________ 103
8.2.2. Interactions moléculaires ______________________________________________________________ 104
8.2.2.1. Force de Coulomb _________________________________________________________________ 104
8.2.2.2. Forces de Van der Waals: ___________________________________________________________ 104
8.2.2.2.1. interaction dipôle permanent/dipôle permanent (forces de Keesom) ______________________ 104
8.2.2.2.2. interaction dipôle permanent/dipôle induit (forces de Debye) ___________________________ 104
8.2.2.2.3. interaction dipôle induit/dipôle induit (forces de London)______________________________ 105
8.2.2.2.4. cas particulier: la liaison hydrogène _______________________________________________ 105
8.2.3. Conséquences des forces de Van der Waals ________________________________________________ 105
8.2.3.1. Energie de cohésion dans solides moléculaires ___________________________________________ 105
8.2.3.2. Solubilisation et miscibilité __________________________________________________________ 105
8.2.3.3. Tension superficielle, formation de micelles _____________________________________________ 106
8.3. ANNEXE 3 - Cristallographie30 ____________________________________________________106
8.3.1. Historique __________________________________________________________________________ 107
8.3.2. Les bases___________________________________________________________________________ 107
8.3.3. Le cristal ___________________________________________________________________________ 107
8.3.3.1. Le réseau cristallin _________________________________________________________________ 107
8.3.3.2. Le réseau de Bravais _______________________________________________________________ 107
8.3.3.3. Les indices de Miller _______________________________________________________________ 108
8.3.3.4. Les groupes d'espace _______________________________________________________________ 108
8.3.4. La cristallogenèse ____________________________________________________________________ 108
8.3.5. Diffraction__________________________________________________________________________ 108
8.3.5.1. Principe _________________________________________________________________________ 108
8.3.5.2. Réseau réciproque _________________________________________________________________ 108
8.3.5.3. Appareillage utilisé en cristallographie _________________________________________________ 108
8.3.6. Applications ________________________________________________________________________ 109
8.4. ANNEXE 4 - Vocabulaire des matériaux31 ___________________________________________109
Nota: _________________________________________________________________________ 109
8.4.1. A _________________________________________________________________________________ 109
8.4.2. B _________________________________________________________________________________ 110
8.4.3. C _________________________________________________________________________________ 110
8.4.4. D _________________________________________________________________________________ 110
8.4.5. E _________________________________________________________________________________ 110
8.4.6. F _________________________________________________________________________________ 110
8.4.7. G _________________________________________________________________________________ 111
8.4.8. H _________________________________________________________________________________ 111
8.4.9. I__________________________________________________________________________________ 111
8.4.10. J__________________________________________________________________________________ 111
8.4.11. K _________________________________________________________________________________ 111
8.4.12. L _________________________________________________________________________________ 111
8.4.13. M_________________________________________________________________________________ 111
8.4.14. N _________________________________________________________________________________ 112
8.4.15. O _________________________________________________________________________________ 112
8.4.16. P _________________________________________________________________________________ 112
8.4.17. Q _________________________________________________________________________________ 112
8.4.18. R _________________________________________________________________________________ 112
8.4.19. S _________________________________________________________________________________ 113
8.4.20. T _________________________________________________________________________________ 113
8.4.21. U _________________________________________________________________________________ 113
8.4.22. V _________________________________________________________________________________ 113

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8.4.23. W ________________________________________________________________________________ 113
8.4.24. X _________________________________________________________________________________ 113
8.4.25. Y _________________________________________________________________________________ 113
8.4.26. Z _________________________________________________________________________________ 113
8.5. ANNEXE 5 - Diagrammes Fe-C_____________________________________________________114
8.5.1. Version 1: Diagramme fer+carbone simplifié32_____________________________________________ 114
8.5.2. Version 2: Diagramme fer+carbone33 ____________________________________________________ 115
8.5.3. Version 3: Diagramme fer+carbone34 ____________________________________________________ 115
Acier_______________________________________________________________________ 115
Composition des aciers_________________________________________________________ 116
Propriétés des aciers ___________________________________________________________ 117
8.5.4. Version 4: Les différentes phases d'un acier35______________________________________________ 117
8.5.4.1. Le diagramme d'équilibre est obtenu par refroidissement lent________________________________ 117
8.5.4.2. Lors du refroidissement rapide d'un acier, _______________________________________________ 118
8.5.5. Version 5: Diagrammes d'équilibre36 ____________________________________________________ 118
Diagramme fusion - solidification d'un alliage binaire: __________________________________ 118
Application aux alliages Fer - Carbone: ______________________________________________ 119
8.5.6. Le Fer (d'après l'Université du Maine) ____________________________________________________ 119
8.5.6.1. Propriétés physiques _______________________________________________________________ 120
8.5.6.2. Propriétés chimiques _______________________________________________________________ 120
8.6. Annexe 6 - Alliages binaires ________________________________________________________121
8.6.1. Définitions _________________________________________________________________________ 122
8.6.1.1. Métaux purs ______________________________________________________________________ 122
8.6.1.2. Structure microscopique des métaux purs _______________________________________________ 122
8.6.1.3. Structure microscopique des alliages ___________________________________________________ 122
8.6.1.4. Nature des alliages homogènes _______________________________________________________ 122
8.6.1.5. Nature des alliages hétérogènes _______________________________________________________ 122
8.6.2. Analyse thermique des alliages__________________________________________________________ 123
8.6.2.1. Définition ________________________________________________________________________ 123
Courbes de refroidissement des alliages binaires_________________________________________________ 123
8.6.3. Diagrammes de solidification des alliages binaires __________________________________________ 124
8.6.3.1. Construction du diagramme __________________________________________________________ 124
8.6.3.2. Diagramme à solution solide unique: Or-Argent __________________________________________ 124
8.6.3.3. Diagramme à deux solutions solides ___________________________________________________ 125
8.6.3.3.1. Principe de construction ________________________________________________________ 125
Interprétation - diagramme cuivre-argent ____________________________________________________ 125
8.6.3.4. Présence d'un composé défini (CCD) - diagramme magnésium-étain__________________________ 125
8.6.4. Etude du diagramme simplifié fer-carbone_________________________________________________ 126
8.6.4.1. Diagramme fer-cémentite____________________________________________________________ 126
8.6.4.2. Diagramme fer-graphite_____________________________________________________________ 127
8.6.4.3. Remarque________________________________________________________________________ 127
8.6.4.4. Quelques caractéristiques____________________________________________________________ 128
8.7. ANNEXE 7 - Spectre électromagnétique______________________________________________128
8.8. ANNEXE 8 - Systèmes d'identification des matériaux __________________________________129
8.9. ANNEXE 9 - Chaleur de combustion de différents matériaux ____________________________130
8.10. ANNEXE 10 - Mécanismes des réactions de polymérisation______________________________131
8.10.1. Réaction d'addition ___________________________________________________________________ 131
8.10.1.1.Réaction radicalaire ________________________________________________________________ 131
8.10.1.2.Polymérisation cationique ___________________________________________________________ 131
8.10.1.3.Polymérisation anionique____________________________________________________________ 132
8.10.1.4.Ziegler-Natta (complexes) ___________________________________________________________ 132
8.10.2. Réaction de condensation ______________________________________________________________ 132
8.10.2.1.Phénoplastes______________________________________________________________________ 133
8.10.2.2.Polyuréthannes____________________________________________________________________ 135

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8.11. Informations obligatoires pour un rapport de fin de module _____________________________136
CHAPITRE 9: LABORATOIRES ____________________________________ 137
9.1. LABORATOIRE 1 - Propriétés des Polymères ________________________________________137
9.1.1. Série 1_____________________________________________________________________________ 137
Comportement vis à vis de la lumière ________________________________________________ 137
Comportement: à la chaleur _______________________________________________________ 137
Solubilité ______________________________________________________________________ 137
9.1.2. Série 2_____________________________________________________________________________ 137
9.1.2.1. Quelques tests d'identification des matières plastiques _____________________________________ 137
9.1.2.1.1. Test de densité _______________________________________________________________ 138
9.1.2.1.2. Test de solubilité______________________________________________________________ 138
9.1.2.1.3. Test au papier pH _____________________________________________________________ 138
9.1.2.2. Thermoplastique ou thermodurcissable _________________________________________________ 138
9.1.2.3. Combustion ______________________________________________________________________ 138
9.1.3. Série 340___________________________________________________________________________ 142
Description des essais: _________________________________________________________ 142
9.1.3.1. Test de chauffage __________________________________________________________________ 142
9.1.3.2. Test de densité ____________________________________________________________________ 142
9.1.3.3. Test de Belstein ___________________________________________________________________ 142
9.1.3.4. Test du solvant ____________________________________________________________________ 143
9.1.3.5. Test du papier pH__________________________________________________________________ 143
9.1.3.6. Test de combustion ________________________________________________________________ 143
9.2. LABORATOIRE 2 - Pourcentage de cuivre dans une pièce de monnaie ___________________145
9.2.1. Matériel et réactifs ___________________________________________________________________ 145
9.2.2. Mode opératoire _____________________________________________________________________ 145
9.3. LABORATOIRE 3 - Diagramme potentiel-pH du système fer-eau ________________________146
9.3.1. Introduction_________________________________________________________________________ 146
9.3.2. Tracé des diagrammes de POURBAIX ___________________________________________________ 147
9.3.3. Etude théorique du diagramme d'équilibre potentiel-pH du fer _________________________________ 148
Droite (1): _____________________________________________________________________ 148
Droite (2): _____________________________________________________________________ 148
Droite (3): _____________________________________________________________________ 148
Droite (4): _____________________________________________________________________ 148
Droite (5): _____________________________________________________________________ 148
Droite (6): _____________________________________________________________________ 148
Droite (7): _____________________________________________________________________ 149
9.3.4. Etude expérimentale des équilibres (2), (5) et (7)____________________________________________ 149
9.3.4.1. Préparation des solutions de Fe(II) et de Fe(III) __________________________________________ 149
9.3.4.1.1. Solution de Fe(II) _____________________________________________________________ 149
9.3.4.1.2. Solution de Fe(III) ____________________________________________________________ 149
9.3.4.2. Tracé des droites correspondant aux équilibres (2), (5) et (7) ________________________________ 149
9.3.4.3. Exploitation des résultats ____________________________________________________________ 150
9.3.4.4. Etude théorique des équilibres (3) et (4) ________________________________________________ 150
9.3.4.4.1. Equilibre (3) _________________________________________________________________ 150
9.3.4.4.2. Equilibre (4) _________________________________________________________________ 150
9.3.4.5. Etude théorique des équilibres (1) et (6) ________________________________________________ 150

Dr. Gilles OLIVE 9
9.3.4.6. Interprétation du diagramme _________________________________________________________ 151
BIBLIOGRAPHIE ____________________________________________________________ 152

Dr. Gilles OLIVE 10
CHAPITRE 1: ÉTUDE DES
CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DES
MATERIAUX MÉTALLIQUES
1.1. Liaisons métalliques
• Caractéristiques des matériaux métalliques
! conductivité électrique élevée
! conductivité thermique élevée
! malléables
! opaques
! ont un éclat métallique
! ductibilité élevée (laminage)
propriété que présente un métal à être étiré en un fil très mince
• Ces caractéristiques ne sont pas présentent dans tous les métaux et alliages, tandis qu'en prenant
comme caractéristiques le type des liaisons des atomes, on peut mieux les caractériser.
• La nature des liaisons qui existent au sein des matériaux ou des alliages métalliques sont les
liaisons métalliques.
1.1.1. Les différents types de liaisons
• Les plus courantes sont:
! liaisons covalentes pures
! liaisons covalentes polarisées
! liaisons ioniques
• On peut différencier les différents types suivant l'électronégativité ou plutôt par la différence
d'électronégativité entre les atomes:
! liaison covalente pure: la différence d'électronégativité est inférieure à 0,5 (∆ε ≤ 0,5)
! liaisons covalentes polarisées: 0,5 ≤ ∆ε ≤ 1,7
! liaisons ioniques: ∆ε ≥ 1,7
0
1
0,5
Ionique
Covalente
pure
0,5 1,7 4
Nbre d'électron
qui passent
Différence
d'électronégativité
∆ε
Covalente
polarisée

Dr. Gilles OLIVE 11
1.1.2. Les liaisons métalliques
Ce sont des liaisons particulières.
On visualise les noyaux sur les mailles d'un réseau autour duquel circule un nuage d'électron (électrons
très délocalisés).
• Dans le cas d'un cristal métallique, les électrons de valence sont mis en commun entre tous les
atomes du cristal et forme un nuage électronique. Cela explique les propriétés métalliques comme
la conductivité thermique et électrique car il y a mouvement de particules, et aussi que tous les
métaux sont solides à température ambiante sauf pour le mercure et le gallium (Tf ± 30 °C)
1.1.3. Les types de solides (type de liaisons)
1.1.3.1. Métalliques
Ce sont des solides cristallins. Ils sont donc organisés.
1.1.3.2. Sels (liaisons ioniques)
" Solides très ordonnés, car il y a empilement de cations et d'anions.
" Les sels sont de très mauvais conducteurs thermiques et électriques car les cations et les
anions sont sur des positions fixes et que le courant électrique est un déplacement de
particules chargées (isolant).
" Ils peuvent être rendus conducteurs s'ils sont mis en solution ou s'ils sont fondus -> état
liquide.
" Les solides ioniques sont en général solubles dans l'eau.
" Ils sont très peu volatils (passage difficile à l'état gazeux).
" Température de fusion très élevée.
" Interactions Coulombiennes (+ et -)
1.1.3.3. Moléculaires
Par exemple: glace, glucose, Iode (I2) et urée. Tous ne sont pas cristallins.
" C'est un empilements de molécules.
" Interactions par ponts hydrogènes.
" Interactions de Van der Waals (entre les molécules).a
" Température de fusion assez basse (par rapport aux solides ioniques ou aux solides
métalliques).
" Ils sont assez volatils car les liaisons hydrogènes et les interactions de Van der Waals sont de
faible énergie et il ne faut pas beaucoup d'énergie pour les casser.
" Très mauvais conducteurs thermiques et électriques, même en solutions ou fondus.
" Très peu solubles dans l'eau.
a
Voir Annexe 8.2 à la page 101

Dr. Gilles OLIVE 12
1.1.3.4. Covalents
Tous ne sont pas cristallins.
" Les atomes qui les composent sont liés par des liaisons covalentes, comme par exemple les
carbones du diamant ou du graphite.
" Température de fusion élevée car liaisons et interactions de Van der Waals sont de fortes
énergies.
" Très peu solubles dans l'eau.
" Très mauvais conducteurs thermiques et électriques
" Plus volatils que les autres.
REMARQUES SUR LES INTERACTIONS DE VAN DER WAALS
Voir aussi Annexe 8.2. Elles sont de trois types:
" dipôle - dipôle
" dipôle - dipôle induit
" dipôle induit - dipôle induit
a) Les interactions dipôle-dipôle
Exemples: molécules d'HCl-HCl.
Le type de liaison dans une molécule d'acide chlorhydrique: covalente polarisée.
H Cl
δ+
δ-
H Cl
δ+
δ-Interaction
dipôle dipôle
b) Les interactions dipôle-dipôle induit
H Cl Ar
δ+
δ-
e-
H Cl Ar
δ+
δ-
e-
Trop d'électrons
δ-
Manque des
d'électrons
δ+
Au départ l'argon (qui est un gaz rare) n'avait pas de dipôle, mais en présence de l'acide chlorhydrique
(qui a un dipôle), l'argon va "créer" un dipôle. On dira qu'il est induit parce que cela est dû au
déplacement des électrons.
c) Les interactions dipôle induit-dipôle induit
Ar e-
Ar
δ-
δ+
Ar e-
Ar
δ-
δ+

Dr. Gilles OLIVE 13
Au départ, il n'y avait pas de dipôle sur les molécules d'argon, mais l'une influence l'autre et il y a
création d'un dipôle induit sur chaque molécule d'argon.
Cette interaction est toujours présente.
1.2. Le réseau cristallin
1.2.1. Il existe 7 réseaux cristallins
qui ont été découverts par l'Abbé René Juste Haüy (1743-1822) minéralogiste et cristallographe
français.
cubique
a
b
c
α
β
γ
Cristal en forme de prisme dont
toutes les faces sont des carrés.
a = b = c
α = β = γ = 90 °
tétragonal ou
quadratique
a
b
c
α
β
γ
a = b ≠ c
α = β = γ = 90 °
orthorhombique
ou rhombique
a
b
c
α
β
γ
Cristal en forme de prisme droit
dont la base est un losange ou
un rectangle.
a ≠ b ≠ c
α = β = γ = 90 °
monoclinique
a
b
c
α
β
γ
Cristal en forme de prisme
oblique, à 2 faces rectangulaires
et 4 faces en parallélogramme.
a ≠ b ≠ c
α = γ = 90 ° ≠ β

Dr. Gilles OLIVE 14
triclinique
a
b
c
α
β
γ
a ≠ b ≠ c
α ≠ β ≠ γ ≠ 90 °
rhomboédrique
ou ternaire
b
c
αβ
γ
a
Cristal en forme de prisme
parallélipédique dont les faces
sont des losanges.
a = b = c
α = β = γ ≠ 90 °
hexagonal
a
b
c
α
β
γ
Cristal en forme de prisme dont
les faces sont un polygone à six
angles et six côtés.
a = b ≠ c
α = β = 90 °
γ = 60 °
En 1982, Dan Shectman a découvert les quasicristaux ou cristaux d'ordre 5 dans un alliage Al-Mn +
hypertrempe. C'est normalement une symétrie d'ordre 5 interdite.

Dr. Gilles OLIVE 15
Les métaux sont généralement:
" cubique à faces centrées (CFC) comme par exemple le nickel, le cuivre, le platine, l'argent,
l'or, ...
Il y a un atome à chaque sommet et un au centre de chaque face.
" cubique centré comme le chrome ou le fer.
Il y a un atome à chaque sommet et un au centre du cube.
" hexagonal compact comme le zinc, le cadmium ou le magnésium.
Certains métaux peuvent cristalliser sous différentes formes que nous appellerons forme allotropiques
(même élément, mais différentes formes de cristallisation). On trouve par exemple le soufre ou l'étain.
Via le tableau périodique, on peut retrouver le réseau de cristallisation des éléments.
1.2.2. Les propriétés physico-chimiques
Elles peuvent être différentes selon les faces dans un même réseau. Si il y a différentes faces, il faut
donc les nommer via les indices de Miller qui sont des nombres entiers (h, k, l).b
En général, on utilise 3 indices dans le cubique et dans presque tous les réseaux, sauf l'hexagonal et le
rhomboédrique (4 indices dans trois directions de l'espace).
Dans un cube il y a trois types de "face":
" face (dessus ou dessous)
" coté latéral
" face coupe le centre (Exemple 1, 2, 7, 8)
y
z
x
1 2
34
5 6
78
a
a a
a
a a
a
a
a
aa a
g
b
Voir au chapitre 8.3.3.3 à la page 108

Dr. Gilles OLIVE 16
" Dans la face comprenant les atomes 1, 2, 3, 4 (face)
Ce plan n'est pas coupé par l'axe des x → on peut dire qu'il le coupe à l'infini
Ce plan n'est pas coupé par l'axe des y → on peut dire qu'il le coupe à l'infini
Ce plan est coupé par l'axe des z → il le coupe en a
soit ∞, ∞, a (ce qui correspond au P, Q, R de Haüy)
et
a
1
,
1
,
1
∞∞
(on prend l'inverse)
0, 0, 1 (on multiplie par a)
l'indice de Miller est (0, 0, 1)
(h, k , l)
" Dans la face comprenant les atomes 2, 3, 6, 7 (coté latéral)
∞, a, ∞ → (0, 1, 0)
" Dans la face comprenant les atomes 4, 8, 6, 2
a, a, ∞ → (1, 1, 0)
" Dans la face comprenant les atomes 1, 6, 8
a, a, a → (1, 1, 1)
REMARQUES:
1. Toutes ces faces sont des faces à faible indice de Miller par rapport aux faces à haut indice de
Miller (5, 5, 4)
2. Les faces à petit indice ont une grande densité atomique.
3. Toutes les faces parallèles ont les mêmes indices de Miller et les mêmes propriétés.
1.2.3. Le nombre d'atomes par maille
Ce n'est pas évident pour certain. Pour s'aider, on peut se souvenir des cubes en bois qu'on avait quand
on était petit.
" Cubique
Pour éviter de charger la figure, il doit y avoir devant encore
quatre (4) mailles.
Il y a donc: 1
8
1
.8 = atome par maille
" Cubique faces centrées
Pour éviter de charger la figure, il doit y avoir devant encore
quatre (4) mailles. Il manque aussi les atomes sur les faces
verticales.
Il y a donc: 4
8
1
.8
2
1
.6 =





+





atomes par maille
Pour cet atome
Chaque atome appartient à 8 mailles, donc pour un
huitième dans une maille.
Il y a huit atomes
dans une maille.
Compte dans 8 mailles
Compte dans 2 mailles

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" Cubique centré
Pour éviter de charger la figure, il doit y avoir devant
encore quatre (4) mailles.
Il y a donc: 2
1
1
.1
8
1
.8 =





+





atomes par maille
1.3. Les défauts au sein des solides cristallins
1.3.1. Ponctuels
Ce sont des défauts sur un atome.
Il faut que le solide contienne des défauts pour être thermodynamiquement stable car en il faut de
l'entropie (désordre). Tous les solides en contiennent énormément, mais ils sont organisés et on peut
même en ajouter. Il y a environ 108
défauts par mole de solides.
1.3.1.1. Les lacunes
Ce sont des positions non occupées par un atome.
1.3.1.2. Les défauts auto-interstitiels
Il y a un atome en plus, de même nature que les autres mais à une place qui n'est pas prévue pour un
atome. Par exemple dans le cas du fer, il y a un atome de fer en plus:
1.3.1.3. Les défauts interstitiels étrangers
Il y a un atome en plus, de nature chimique différente (étrangère) à une mauvaise position. Par
exemple dans le cas du fer, il y a un atome de cobalt en plus:
Cet atome appartient à 8 mailles
Cet atome appartient à 1 maille

Dr. Gilles OLIVE 18
Atome de cobalt Atome de fer
Cela peut parfois être forcé, et ça permet de changer les propriétés mécaniques ou électriques.
Si il y a beaucoup de défauts, on parle de Solution solide interstitielle.
1.3.1.4. La substitution
Il y a un atome de nature chimique étrangère à la place d'un atome du départ.
+
+
Si il y a beaucoup de défauts, on parle de Solution solide de substitution.
REMARQUE
" On rappelle qu'il y a électroneutralité au sein dans solide ionique. Donc, dans le cas des
lacunes, si on ajoute un atome étranger, l'électroneutralité ne sera plus respectée: il faut donc
un nombre pair de lacunes et au moins deux atomes de signes opposés pour respecter
l'électroneutalité. Par exemple, si on ajoute deux ions sodium (Na+
), il faut apporter deux ions
chlorure (Cl-
).
" On nomme défauts de SCHOTTKY lorsqu'il n'y a que des lacunes paires et défauts de
FRENKAEL lorsqu'il y a une lacune et un interstice.
1.3.2. Linéaires
Ce sont des défauts sur une rangée d'atomes.
Les atomes ne sont pas obligatoirement présents ; on parlera alors de dislocation.
Pour rappel, un monocristal est un solide parfait, alors que dans un solide réel il y a plus de défauts, ce
qui fragilise le métal.
Grâce à la puissance des ordinateurs, on peut déterminer les propriétés mécaniques par calcul, pour
pouvoir interpréter certaines propriétés des matériaux.

Dr. Gilles OLIVE 19
1.3.2.1. Dislocation coin
En chauffant et en refroidissant très vite, il y a création de défauts. Effet sur une distance de vingt
atomes.
La dislocation coin (edge dislocation)1, peut être décrit de la manière suivante: on enlève un demi-plan
atomique (vertical sur le dessin), les autres plans se resserrent donc pour "combler le vide". La zone de
perturbation ou cœur de la dislocation, est donc une zone dont le diamètre vaut quelques distances
inter-atomiques ; cette dimension (environ un millionième de millimètre) est très petite devant celle de
l'objet. Les atomes n'étant pas à leur place, la perturbation peut être vue comme une déformation
élastique autour de la dislocation, donc la dislocation est une "concentré" d'énergie élastique.
Figure 1 - Arrangement des atomes au niveau du cœur d'une dislocation
Le cristal se déforme sur toute sa largeur, donc le défaut s'étend lui aussi sur toute la largeur. La
dislocation forme donc une ligne: autour de cette ligne, l'arrangement des atomes est perturbé, mais
loin de cette ligne, l'arrangement des atomes est normal - après tout, il ne manque jamais qu'une rangée
d'atomes sur quelques millions de milliards...
Figure 2 - La dislocation: une perturbation linéaire de l'arrangement des atomes
Ainsi, lorsque cette ligne se déplace à travers le cristal, il propage la déformation. Après son passage,
le cristal à exactement la même structure qu'avant, il y a seulement une marche qui s'est crée à la
surface de départ de la dislocation. Lorsque la dislocation a traversé de part en part le cristal, celui-ci

Dr. Gilles OLIVE 20
présente une marche de chaque côté, il a été cisaillé de manière irréversible, mais sa structure
cristalline est intacte.
Figure 3 - Cisaillement irréversible du cristal lors du passage de la dislocation coin
Cependant, si la dislocation est une ligne, la structure même du cœur détermine la facilité de
déplacement de la dislocation et donc la facilité de déformation de l'objet ; ainsi, selon l'aspect que l'on
étudie, on considérera la dislocation:
" parfois comme une ligne de largeur infinitésimale (objet de dimension 1) lorsque l'on regarde
la progression de la déformation à l'échelle de l'objet ;
" parfois comme un tube (objet de dimension 3), lorsque l'on regarde les perturbations à
l'échelle de l'atome.
1.3.2.2. Dislocation vis1
La déformation présentée Figure 4 est la dislocation dite vis (screw dislocation): elle se propage
perpendiculairement à la déformation, à la manière d'une fermeture glissière (Eclair). Elle porte son
nom car, si on fait le tour de la dislocation en suivant un plan atomique, on monte d'un niveau par tour,
à la manière du filet d'une vis.

Dr. Gilles OLIVE 21
Figure 4 - La dislocation vis: une autre perturbation linéaire de l'arrangement des atomes, propageant
la déformation
La déformation propagée est la même dans le cas d'une dislocation vis ou coin, mais c'est le
mouvement de la ligne qui change: dans la direction de la déformation dans le cas d'une coin,
perpendiculairement à la déformation dans le cas d'une vis.
1.3.3. De plan, de surface
Ce sont des défauts sur tout un plan.
Si on a une solution idéale, alors en superposant des mailles on aura des monocristaux. Mais avec des
solutions réelles on aura un assemblage de monocristaux de nature différente.
La zone de rencontre de deux mailles (d'orientation différente) s'appelle le Joint de grain. C'est une
zone très fragile, à cause de la désorganisation partielle d'atomes à l'approche des deux mailles
d'orientation différente. Elle peut être directe (passage d'une orientation directement à une autre) ou
avoir une zone de transition (mélange entre deux orientations différentes).
D'autres informations se trouvent à au chapitre 8.1 à la page 100.
1.4. Diagramme de phases
On les nomme aussi diagramme de changements d'états.
T
P
Solide
Gazeux
Liquide
Point triple
Point critique

Dr. Gilles OLIVE 22
1.4.1. Le corps pur (solidification)
C'est le cas d'un métal seul.
La température est constante sur le
plateau.
1.4.2. Mélange (solidification)
Dans le cas métallique qui nous intéresse, cela s'appelle un alliage.
Alliage: solution solide dont un des éléments est métallique.
La température est différente sauf à
l'eutectique et à l'azéotrope.
" Entre A et B: tout l'alliage est
sous forme liquide.
" Entre B et C: les cristaux de
la phase solide commencent.
" En C la phase liquide
disparait.
" Entre C et D tout est à l'état
solide.
Eutectique: mélange qui se comporte comme un corps pur du point de vue de la fusion.
Azéotrope: mélange liquide qui se comporte comme un corps pur du point de vue de l'ébullition. On ne
peut pas purifier par distillation.
Dans les deux cas, la température est constante au cours du changement d'état.
Le graphique ci-dessus est fonction de la phase liquide et solide.
Temps (h)
Température
(°C)
A
B
C
D
Temps (h)
Température
(°C)
Liquide
Solide
l s

Dr. Gilles OLIVE 23
Diagramme en fuseau
TATB
LIQUIDE
XA=0
XB=1
XA=1
XB=0
Teb la plus élevée
Equilibre liq-vapeur
courbe de rosée
courbe de bulles
GAZ
Début d'ébullition
Tfusion A
Teb la plus basse
Composé le
plus volatil.
Tfusion B
Pour avoir une solution idéale, il faut que les interactions entre une molécule A et une molécule B
soient presque identique à celles entre deux molécules A et deux molécules B.
Pour avoir se graphe (de fusion), il faut une phase homogène à l'état solide et liquide. Ce cas s'applique
au diagramme cuivre-nickel.
Mais dans la réalité, on a une solution réelle, c'est-à-dire non idéale.
" Azéotrope à minimum (ou négatif): température de l'azéotrope plus basse que celles des
autres composés.
" Azéotrope à maximum (ou positif): température de l'azéotrope plus haute que celles des
deux corps purs isolés. Par exemple l'eau et l'acide chlorhydrique.
Pour de plus amples informations, le lecteur pourra consulter les syllabus de chimie industrielle ou
mieux le syllabus chimie analytique.
TA
TB
T T
T
TB
TA
XZ = YZ
Liquide
Gaz
Min
L G
L G

Dr. Gilles OLIVE 24
Eutectique Pb-Sb
Liquide
(Pb + Sb)
Liq + Sb
Liq + Pb
Solide (Pb + Sb)
100 % Pb 100 % Sb
Tfus Sb
Tfus Pb
t1
Eutectique
1
*
2
*
3
*
Liquide
(Pb + Sb)
Liq + Sb
Liq + Pb
Solide (Pb + Sb)
100 % Pb 100 % Sb
Tfus Sb
Tfus Pb
t1
Eutectique
1
*
2
*
3
*
Avec courbe de refroidissement
Ci-dessus, t1 représente l'intersection entre la composition qu'on a et la courbe du liquidus.
Voyons en détail trois points:
1* A ce point on a 40 % de plomb et 60 % d'antimoine et on refroidit.
• pour toutes les températures supérieures à t1, tout est à l'état liquide
• à t1, on a les premiers germes d'antimoine cristallins qui apparaissent et le liquide de plomb
et d'antimoine s'appauvrit en antimoine
• arrivée à l'eutectique (E), tout passe en phase solide
• à la fin, on a des cristaux d'antimoine et des cristaux d'eutectique.
2*
• avant l'eutectique tout est liquide
• à l'eutectique, tout reste liquide
• à l'état solide on a uniquement des cristaux d'eutectique.
3*
• avant t1 tout est liquide
• à t1, on a les premiers germes plomb et du liquide de plomb et d'antimoine qui s'appauvrit en
plomb
• à l'eutectique (E), tout passe en phase solide
• à la fin, on a des cristaux de plomb et des cristaux d'eutectique.
Eutectique Ag-Cu
A
E
B
C
D
G H
XAg = 1
XCu = 0
XAg = 0
XCu = 1
solubilité maximale
1
*
AEC: liquidus
ABEDC: solidus
ABG: solution solide de cuivre
dans l'argent (le cuivre a une certaine
solubilité dans l'argent)
CDH: solution solide d'argent
dans cuivre (l'argent a une certaine
solubilité dans le cuivre)
1* On abaisse la température
• jusqu'à la courbe on a du liquide

Dr. Gilles OLIVE 25
• ensuite c'est la phase métallique de cuivre qui apparaît
• jusqu'à l'eutectique (E)
• et c'est l'eutectique qui précipite.
On a fait ici des diagrammes simplifiés, c'est-à-dire que le refroidissement est lent car il faut laisser le
temps aux équilibres de s'installer. Les diagrammes réels sont un peu différents et sont fonction de la
vitesse de refroidissement.
Définition: des composés intermétalliques sont des composés métalliques qui s'assemblent.
1.4.3. Un exemple particulier des phases: Fe-C
1.4.3.1. Informations sur le fer pur
1.4.3.1.1. Plusieurs techniques pour obtenir du fer pur
" électrolyse (la plus utilisée)
" oxydation sélective
" fusion sélective
1.4.3.1.2. Dans le commerce, il y a différents types de fer qui se distinguent par leurs
impuretés
Noms des différents types de
fer
Impuretés
1/ ARMCO 0,015 % C ; 0,01 % Si ; 0,02 % Mn; 0,01 % P ; 0,02 % S ; 0,15 % O
2/ CARBONYLE 0,01 % C ; traces Si ; pas Mn; traces P ; 0,04 % S ; 0,5 % O
3/ ELECTROLYTIQUE 0,008 % C ; 0,007 % Si ; 0,002 % Mn; 0,06 % P ; 0,03 % S ; pas O
4/ Refondu sous vide
(le mieux)
0,001 % C ; 0,003 % Si ; pas Mn; 0,0005 % P ; 0,002 % S ; 0,0004 % O
1.4.3.1.3. Propriétés du fer
1.4.3.1.3.1. Physico-chimique
1. Masse atomique: 55,847 g.mol-1
2. Volume atomique: 7,1
3. Plusieurs formes allotropiquesc
:
" Fer alpha (Fe α): ⊗ réseau cubique centré
⊗ longueur arrête du cube: 0,2866 nm
" Fer gamma (Fe γ): ⊗ réseau cubique à faces centrées
⊗ longueur arrête de la maille: 0,3656 nm
" Fer delta (Fe δ): ⊗ réseau cubique centré
⊗ longueur arrête de la maille: 0,294 nm
c
Pour rappel, cela veut dire différents types de formes cristallines.

Dr. Gilles OLIVE 26
4. Densité à 20 °C: 7,87
5. Température de fusion: 1539 °C
6. Chaleur massique: 0,464 kJ/kg.K
7. Coefficient de dilatation: 12,5 10-6
K
8. Résistivité électrique: 9,9 10-6
Ω.cm
9. Conductivité thermique: 55,6 Watt/m.K
1.4.3.1.3.2. Physico-chimique
1. Résistance à la traction: 180 à 280 MPad
2. Limite d'élasticité: 100 à 170 MPa
3. Capacité d'allongement: 40 à 50 %
4. Capacité de strictione
: 80 à 90 %
5. Dureté: 45 à 55 HB
1.4.3.1.4. Courbe de refroidissement du fer
Température
(°C)
Temps
1539
1400
898
768
Fe δ
Fe γ
Fe α
Fe α
Ar4
Ar3
Ar2 = point de Curie
devient ferromagnétique
paramagnétique
Le fer ayant plusieurs formes allotropiques on voit plusieurs changements d'états sur le graphe.
" De 1539 à 1400 °C, le fer cristallise sous forme de fer delta (Fe δ).
" A 1400 °C (Ar4), il y a recristallisation (Attention, c'est une modification allotropique).
" De Ar4 à Ar3, le fer cristallise sous forme gamma.
" Ar3: recristallisation.
" De Ar3 à Ar2, le fer cristallise sous forme de Fe α paramagnétiquef
.
" A Ar2, qui est le point de Curie, le Fe α acquiert des propriétés ferromagnétiquesf
.
d
La fourchette de valeur dépend du traitement imposé au métal - (MPa: méga pascal)
e
Rétrécissement transversal d'une éprouvette métallique soumise à l'essai de traction. La striction caractérise la ductilité du
métal.
f
Paramagnétisme: propriété des substances qui s'aimantent, généralement faiblement à température ambiante, lorsqu'elles
sont placées dans un champ magnétique extérieur. Ces corps sont attirés par les aimants.
Ferromagnétisme: propriété de certaines substances (fer, cobalt, nickel) de prendre une forte aimantation, même en
l'absence de champ magnétique extérieur. Les corps doués de ferromagnétisme sont des aimants.
Diamagnétique: se dit d'une substance qui, placée dans un champ magnétique, prend une aimantation de sens inverse.
Elle est repoussée par un aimant.

Dr. Gilles OLIVE 27
Si maintenant, on met en face, la courbe de réchauffement du fer, on obtient alors:
Température
(°C)
1539
1400
898
768
Fe δ
Fe γ
Fe α
Fe α
Ar4
Ar3
Ar2 Ac2
Ac3
Ac4
Presque la même
Presque la même
Plus haut
" A la vue du graphe, on constate que les températures de changement d'état sont légèrement
différentes lors du refroidissement et lors du réchauffement.
" Les différences de températures sont dues aux surfusions (en fait sursolidification) qui
apparaissent lors du refroidissement.
" Si la vitesse est lente, les valeurs sont plus reproductibles que lors d'une vitesse rapide.
" La dernière remarque s'adresse particulièrement à Ar3 et Ac3 fortement dépendant des
vitesses de refroidissement et de réchauffement.
" Un changement allotropique d'une phase à l'autre entraîne une modification de volume:
" Fe α -> Fe γ: il y a contraction
" Fe γ -> Fe δ: il y a dilatation
" Le Fe γ est plus dense et plus dilatable que le Fe α.
Ex: dFe γ à 910 °C = 7,63 g.cm-3
dFe α à 910 °C = 7,57 g.cm-3
dFe γ à 20 °C = 8,22 g.cm-3
on fige le métal en refroidissant d'un coup.
dFe α à 20 °C = 7,93 g.cm-3
1.4.3.2. Alliage Fer-Carbone
Mais d'abord quelques considérations:
" Le Fe α dissout très peu le carbone, alors que le Fe γ en dissout nettement plus.
" Le carbone peut se trouver sous la forme: ⊗ d'une solution interstitielle
⊗ de graphite
⊗ de carbure de fer cémentite (Fe3C)
Maintenant voici quelques définitionsg
:
" Aciers: alliages de fer et de carbone qui contiennent au maximum 1,7 % de carbone.
" Fontes: alliages de fer et de carbone qui contiennent de 1,7 à 6,6 % de carbone.
" Aciers non alliés: pourcentage de carbone supérieur à 6,6 %.
Nous sommes en face d'une difficulté: il y a énormément de graphes Fe-C. Chaques auteurs donne le
sien, comme le lecteur pourra le constater en annexe (chapitre 8.5 page 114)
g
Le lecteur peut retrouver un glossaire plus complet au chapitre 8.4 à la page 109.

Dr. Gilles OLIVE 28
Fe-C
I
II
III
IV
V VI
VII
Température
(°C)
% C
E
Les graphes, même simplifié sont souvent complexe à cause de la superposition de deux systèmes:
" 1er
système: ◊ Fe-graphite
◊ refroidissement lent: état d'équilibre
" 2ème
système: ◊ Fe-cémentite
◊ refroidissement rapide: système métastableh
.
Graphique simplifié Fe-C
Fe-C: tout est à l'état liquide.
I: mélange liquide + acier
II: mélange liquide + cémentite
III: domaine de même équilibre que
l'acier
IV: mélange acier + cémentite
V: mélange acier + eutectique +
cémentite
VI: mélange cémentite + eutectique
VII: mélange Fe α + acier
h
Une légère perturbation fait directement basculer le système.

Dr. Gilles OLIVE 29
CHAPITRE 2: ETUDE DES PROPRIÉTÉS
PHYSIQUES, CHIMIQUES ET MÉCANIQUES
DES MATÉRIAUX
2.1. Propriétés chimiques
Il en existe beaucoup mais je n'en citerai que deux: la solubilité et l'oxydabilité.
" Solubilité: c'est le nombre de mole de soluté que l'on peut dissoudre dans un litre de solvant.
On l'exprime généralement en mol.l-1
. Cela s'adresse aussi bien aux gaz qu'aux liquides et aux
solides.
On dit qu'un composé est soluble si on peut dissoudre plus de 0,1 mol.l-1
. On dira par contre
qu'un composé est insoluble si on peut dissoudre moins de 0,1 mol.l-1
.
Quels sont les paramètres influençant la solubilité ?
La température, la pression, la nature du soluté, du solvant et l'ajouts de certaines substances...
" Oxydabilité: savoir si dans les condition expérimentales, l'alliage ou le métal va s'oxyder.
Ce point est important pour les problèmes de corrosion.
2.1.1. Oxydation par les acides
Il faut deux conditions pour qu'une réaction chimique se produise:
" L'énergie libre de Gibbs (∆G0
) doit être négative (∆G0
< 0), soit la constante d'équilibre K
doit être supérieure à un (K > 1) et donc que la différence de potentiel (∆ε0
) soit positive (∆ε0
> 0)i
.
" Et que la réaction soit suffisamment rapide.
Pour rappel:
∆G0
= -n F ∆ε0
i
Pour mémoire, l'énergie libre de Gibbs est liée à l'entropie et à l'enthalpie par ∆G = ∆H - T∆S. Elle est aussi liée à la
constante d'équilibre par
RT
G
-Kln
0
∆
= .
Nombre
d'électrons
échangés
Constante de Faraday
96500 C.mol-1
Différence de potentiel
entre les deux couples

Dr. Gilles OLIVE 30
2.1.1.1. Le fer se dissout-il dans une solution d'acide chlorhydrique ?
2(g)(aq)
2
(aq)(s) HFeH2Fe +→+ ++ Réaction d'oxydo-réduction
2
-
He2H2 →++
ε0
= 0,0 V
Fee2Fe -2
→++
ε0
= -0,47 V
∆ε0
= (Réactifs-Produits) = 0,0 - (-0,47) = 0,47 V
Comme ∆ε0
> 0 la réaction se fait.
2.1.1.2. Et le cuivre ?
2
2
HCuH2Cu +→+ ++
2
-
He2H2 →++
ε0
= 0,0 V
Cue2Cu -2
→++
ε0
= 0,34 V
∆ε0
= 0,0 - 0,34 = -0,34 V
Comme ∆ε0
< 0 la réaction ne se fera pas. C'est bien connu que le cuivre est un métal noble et qu'il
n'est pas attaqué par les acides (sauf l'acide nitrique).
2.1.2. Oxydation par l'eau
2.1.2.1. Le sodium réagit-il avec l'eau ?
22 HNaOHOHNa
2
1
+→+
)(électrons2Na)e1(Na -
×→++
ε0
= -2,71 V
-
2
-
2 HO2He2OH2 +→+ ε0
= -0,83 V
∆ε0
= -0,83 - (-2,71) = 1,88 V
∆ε0
> 0, la réaction se produira donc.
2.1.2.2. Et le cuivre réagira-t-il avec l'eau ?
-
2
2
2 HO2HCuOH2Cu ++→+ +
Cue2Cu -2
→++
ε0
= 0,34 V
-
2
-
2 HO2He2OH2 +→+ ε0
= -0,83 V
∆ε0
= -0,83- 0,34 = -1,17 V

Dr. Gilles OLIVE 31
∆ε0
étant négatif, la réaction ne se fera pas. Heureusement, sinon il y aurai des problèmes avec nos
canalisations de distributions d'eau.
2.1.3. Observations
" Dans certains cas, les observations expérimentales peuvent-être différentes de celles obtenues
par théorie: ceci est dû aux problèmes de cinétique.
" Une première attaque du métal conduira à la formation d'un film qui protégera le métal contre
les oxydations suivantes. Le métal est protégé de l'oxydation par passivation. Dans certains
cas cela peut-être un problème (de couche) qui empêchera une oxydation ultérieure.
" L'exemple le plus connu est l'aluminium "non oxydé" par l'eau contrairement au fer, ce qui
permet de conserver plus longtemps des vérandas en meilleur état.
" Si l'oxydation du métal ne peut pas se faire pour des raisons thermodynamiques (∆G0
> 0), le
métal est protégé de la corrosion par immunité.
" C'est le cas de l'or, l'argent ou le platine.
" Lorsqu'on écrit ∆ε0
, le 0 indique que nous sommes dans les conditions standards. Dans les
conditions non standard, les métaux peuvent être attaqués par l'eau, les acides alors qu'ils ne
l'étaient pas dans les conditions standard.
2
-
He2H2 →++ 0
1E = 0,0 V
MenM -n
→++
M est un métal
0
2E = x V 2E→
Oxydant
Réducteur
ln
nF
RT
-EE 0
=
Ceci est la loi de Nernst avec n le nombre d'électrons échangés, R la constante des gaz parfaits
(8,31 J/mol K) et F la constante de Faraday (96500 C/mol).
[ ]21
H
1
ln
2.96500
8,31.298
-0E
+
=
[ ]+
=
n
0
22
M
1
ln
2.96500
8,31.298
-EE
Les acides chauds et concentrés sont plus oxydants que les acides froids et dilués.
2.1.4. Diagramme de Pourbaix
C'est le diagramme du potentiel E0
en fonction du pH. Grâce à ce diagramme on peut dire les limites
d'oxydation d'un métal et donc s'il y aura corrosion ou pas.
Pour tracer ce type de diagramme on pose:
" le métal solide est stable dans l'eau
" le non-métal est sous forme de cation
1 atm (gaz)
Coefficient
stœchiométrique
(solide)

Dr. Gilles OLIVE 32
(car solide)
" toutes les substances dissoutes valent 10-6
mol.l-1
.j
2.1.4.1. Cu/H2O
Nous allons prendre pour exemple le couple Cu/H2O. Nous sommes donc en présence de:
(aq)
-2
42(s)(aq)
2
(s) Cu(OH)etCu(OH),Cu,Cu +
Potentiel E0
(V)
pH
Cu métallique
+0,34 V
Cu
2+
(aq)
Cu(OH)2 (s)
Cu(OH)4 (aq)
2-
1
2
3
4
5
6
7
Passivité
Immunité
est thermodynamiquement stable
si la couche formée protège contre
les oxydations suivantes
Voyons en détail chaque transformation:
1.
Il s'agit d'une réaction d'oxydoréduction: cela dépend uniquement du potentiel. On va donc appliquer à
nouveau la loi de Nernst.
[ ]+
=
=
2
0
Cu
1
ln
2.96500
8,31.298
-0,34
Oxydant
Réducteur
ln
nF
RT
-EE
On voit donc que le potentiel de dépend que de la concentration en ion cuivrique.
j
Pour les autres concentrations on prendra: pour les solides 1 M, pour les gaz 1 M et pour les liquides 1 M si il ne sont pas
en milieu aqueux.
Cu(s) Cu2+
+ 2 e-

Dr. Gilles OLIVE 33
10-6
mol.l-1
2.
Il s'agit cette fois d'une réaction de métathèsek
. Cette réaction ne dépend que du pH parce que:
[ ][ ]22
HOCuKs;
Ks
1
K −+
==
10-6
mol.l-1
On voit que grâce aux deux équations on peut calculer la concentration en ion hydroxyde et donc le
pH.
3.
C'est de nouveau une réaction de métathèse ... Elle dépend uniquement du pH (à cause de HO-
). Pour
rappel on prendra la concentration en hydroxyde de cuivre II égale à 1 M, parce que cet hydroxyde est
solide.
[ ]
[ ] 1.HO
Cu(OH)
K 2
-2
4
−
=
4.
Cette réaction est une réaction d'oxydoréduction. Elle dépend donc du potentiel. Mais elle dépend aussi
du pH à cause des ions hydroxydes: la ligne de séparation n'est plus horizontale. On utilisera donc
l'équation de Nernst.
5.
Toujours une réaction d'oxydoréduction qui dépend du potentiel et du pH. La pente est plus raide et
plus sensible qu'au 4. car ici (5.) il y a 4 hydroxydes (HO-
).
6.
Les deux équations ci-dessus sont égales.
7.
réducteur
Les deux droites parallèles 6. et 7. dépendent du potentiel et du pH.
k
Réaction de métathèse: réaction où il n'y a pas de variation d'étages d'oxydation, comme ici dans une réaction de
précipitation. C'est l'inverse d'une réaction d'oxydoréduction.
Cu2+
+ 2 HO-
Cu(OH)2
précipité
Cu(OH)2 (s) + 2 HO-
Cu(OH)4
2-
Cu + 2 HO-
Cu(OH)2 + 2 e-
Cu + 4 HO-
Cu(OH)4 + 2 e-2-
2 H+
+ 2 e-
H2
2 H2O + 2 e-
H2 + 2 HO-
Oxydant
O2 + 4 H+
+ 4 e-
2 H2O E0
= 1,23 V pour 1 M

Dr. Gilles OLIVE 34
Elles sont parallèles parce qu'elles ont toutes les deux un rapport égal à un:
2 H+
et 2 e-
rapport = 1
et 4 H+
et 4 e-
rapport = 1
Comme on l'a dit plus haut, le diagramme de Pourbaix permet de prédire les limites d'oxydation d'un
métal. Par exemple on peut définir si un métal est noble ; il ne s'oxydent pas dans l'eau à cause des
conditions thermodynamique: quand sa zone d'immunité recouvre entièrement la zone de stabilité
de l'eau (c'est-à-dire entre les deux droites parallèles).
C'est presque le cas du cuivre dans notre exemple.
2.1.4.2. Exercice: Zn/H2O
Voilà vous allez tracer précisément le diagramme de Pourbaix pour le couple Zn/H2O. Les différentes
formes du zinc dans l'eau sont: (aq)
-2
42(s)(aq)
2
(s) et Zn(OH)Zn(OH),Zn,Zn +
. Les échelles pour le
diagramme seront de 0 à 14 pour l'axe X des abscisses (pH) et de -1,5 à +1,5 V pour l'axe Y des
ordonnées (E).
De plus on prendra: [ ] M1Zn2
=+
[ ] M1Zn(OH) -2
4 =
Ks = 7,71.10-17
K = 0,05
0
Zn/Zn2E + = -0,76 V
0
O/HO 22
E = 1,23 V pour 1M ou +0,82 V pour 10-7
M.
Si la concentration (en oxydant) est égale à un et la température égale à 25 °C, on prendra alors E = E0
.
Par contre si la concentration (en oxydant) est différente de un ou la température est différente de
25 °C, on devra utiliser l'équation de Nernst.
Voilà, maintenant fermez ce syllabus et essayez de tracer le diagramme de Pourbaix.

Dr. Gilles OLIVE 35
E
pH
-0,76 V 1
1.
Dépend uniquement du potentiel. Zn est le réducteur (E.O. = 0) et Zn2+
est l'oxydant (E.O. = +2). Dans
ce cas:
E = E0
= -0,76 V
(car [Zn2+
](oxydant)=1 et T = 25 °C)
2.
Réaction de précipitation ne dépendant que du pH. Donc calcul [HO-
], [H+
] et pH.
[ ][ ]
[ ][ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ] 5,94==•
===•
==•
==•
=•
=•
==•
+
−
+
−
+
−
−+
−+
Hlog-pH
mol.l1,14.10
8,781.10
10
HO
10
H
mol.l8,781.107,71.10HO
M1
7,71.10
Zn
Ks
HO
10HOH
eau)(voir tabl7,71.10Ks
HOZnKs;
Ks
1
K
1-6-
9-
14-14-
1-9-17-
17-
2
2
14-
17-
22
E
pH
-0,76 V 1
2
5,94
a
3.
Réaction de métathèse ne dépendant que du pH. Cette réaction a une constante d'équilibre K = 0,05.
Mais attention, cette réaction n'est pas une réaction de précipitation.
De plus [Zn(OH)2] = 1 parce que c'est un précipité donc solide.
Zn(s) Zn2+
(aq) + 2 e-
Zn2+
+ 2 HO-
Zn(OH)2
Zn(OH)2 (s) + 2 HO-
Zn(OH)4
2-

Dr. Gilles OLIVE 36
[ ]
[ ][ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ][ ]
[ ]
[ ]
[ ] 14,65==•
===•
=•
==•
===•
=•
=•
+
−
+
−+
−
−
−
−
−
Hlog-pH
mol.l2,23.10
4,47
10
HO
10
H
10HOH
mol.l4,4720HO
20
0,05
1
K
1
HO
HO1.
1
K
HOZn(OH)
Zn(OH)
K
1-15-
14-14-
14-
1-
2
2
2
2
2
4
A 14,65, le pH est impossible pour cet hydroxyde basique: il n'y aura donc pas de deuxième droite
verticale. Ceci est un peu normal car les hydroxydes amphotères on souvent un deuxième pH élevé.
4.
Cette réaction dépend donc du potentiel, mais aussi du pH. On va la "découper" en deux.
a) Zn(s) Zn2+
(aq) + 2 e-
(qui n'est autre que la récation 1.)
b) Zn2+
+ 2 HO-
Zn(OH)2 (qui n'est autre que la réaction 2.)
a)
[ ]+
=
=
2
0
Zn
1
ln
2.96500
8,31.298
-0,76-E
Oxydant
Réducteur
ln
nF
RT
-EE
[Zn2+
] = 1 M jusqu'au point a. Après ce point, il précipite: il faut donc calculer [Zn2+
].
Rappel: La concentration en réducteur est égale à 1, car le zinc est solide.
On ne change pas le signe (-0,76) même si la réaction est inversée.
b) [ ][ ]
[ ]
[ ]
[ ]2
2
2
22
HO.
Ks
1
ln0,0128-0,76-E
HO
Ks
Zn
HOZnKs
−
−
+
−+
=•
=•
=•
On va calculer la concentration en ions hydroxydes pour différents pH. On prendra des pH supérieurs
au point a c'est-à-dire 5,94.
On va faire par exemple le calcul pour pH = 10.
Zn + 2 HO-
Zn(OH)2 + 2 e-

Dr. Gilles OLIVE 37
[ ]
[ ][ ]
[ ]
0,99-
7,71.10
)1.(10
ln0,0128-0,76-E
M10
10
10
HO
10HOH
10H
17-
24-
4-
10-
14-
14-
-10
==•
==•
=•
=•
−
−+
+
E
pH
-0,76 V 1
2
5,94
a 4
5.
Comme pour 3. le calcul montre un pH au-dessus de 14 (14,65), cette courbe n'existe pas non plus.
Si le pH avait été inférieur à 14, on fait le même calcul qu'au 4. sauf qu'on prend K au lieu de Ks car
on n'a pas de solide dans ce cas si. Il nous faut donc la valeur de K et on considère que [ ] 1Zn(OH)2
4 =− l
.
6.
Dépend du potentiel et du pH.
l a) Zn(s) Zn2+
(aq) + 2 e-
(qui n'est autre que la récation 1.)
b) Zn2+
+ 4 HO-
Zn(OH)4 (qui n'est autre que la réaction 3.)2-
a) [ ]
[ ]







= +
=
2
10
Zn
Zn
Oxydant
Réducteur
ln
nF
RT
-EE
b) [ ]
[ ][ ]
[ ] [ ]
[ ]
[ ]40
4
-2
42
42
-2
4
HOK.ln
nF
RT
-EE
HOK
Zn(OH)
Zn
HOZn
Zn(OH)
−
−
+
−+
=•
=•
=• K
Calcul de [HO-
] pour différent pH.
Zn(s) + 4 HO-
Zn(OH)4 + 2 e-2-
2 H+
+ 2 e-
H2
2 H2O + 2 e-
H2 + 2 HO-
Oxydant
Réducteurou

Dr. Gilles OLIVE 38
2 H+
+ 2 e-
H2
[ ]2
0
H
1
ln0,0128-0,0E
Oxydant
Réducteur
ln
nF
RT
-EE
+
=
=
On prendra deux valeurs de pH: 0 et 14. Et pour rappel, pH = -log[H+
]
" pH = 0
[ ]
V
1
1
ln0,0128-0,0E
10H
2
0
0==•
=• +
" pH = 14
[ ]
V
)(10
1
ln0,0128-0,0E
10H
214-
-14
0,83-==•
=• +
C'est le E0
de la réaction
E
pH
-0,76 V 1
2
5,94
a
4 6
7.
Dépend du potentiel et du pH.
[ ]
[ ][ ] [ ]44
2
2
2
H1.
1
ln0,0064-1,23
HO
OH
ln
.96500
8,31.298
-1,23E
++
==
4
La aussi on prendra deux valeurs de pH: 0 et 14.
O2(g) + 4 H+
+ 4 e-
2 H2O E0
= 1,23 V pour 1 M
H2 gaz ; P 1 Atm
2 H2O + 2 e-
H2 + 2 HO-
O2(g) + 4 H+
+ 4 e-
2 H2O E0
= +0,82 V pour 10-7
M
Car liquide
Gaz -> P = 1 atm

Dr. Gilles OLIVE 39
" pH = 0
[ ]
V
(1)
1
ln0,0064-1,23E
10H
4
0
1,23==•
=• +
" pH = 14
[ ]
V
)(10
1
ln0,0064-1,23E
10H
414-
-14
0,40+==•
=• +
6. et 7. définissent la zone de stabilité de l'eau. Elles sont parallèles parce qu'elles ont toutes les deux
un rapport égal à un:
2 H+
et 2 e-
rapport = 1
et 4 H+
et 4 e-
rapport = 1
Le diagramme de Pourbaix Zn/H2O lui-même:
Potentiel E
(V)
pH
- 0,76 1
2
3
4
5
6
7
a
- 1,5
0
1,23
+1,5
5,94 14

Dr. Gilles OLIVE 40
2.2. Propriétés physiques
2.2.1. Conductivité électrique
On mesure le résistivité (Ω.m) au lieu de la conductivité. La conductivité électrique dépend fortement
de la température.
Loi de Pouillet:
S
l
ρ.R =
( )siemens:Unité.
Ω
1en
R
1
L =
Pour rappel, L est la conductance.
l
S
ρ
1
R
1
L ⋅==
I = L . E (avec I le courant en ampère et E la différence de potentiel en volt)
Il existe 3 types de métaux en fonction des propriétés électriques
" Conducteurs: conductivité très élevée, elle diminue quand la température augmente
(car les noyaux vibrent plus, ce qui fait baisser la mobilité électronique).
" Isolants: conductivité très faible (conduisent très peu l'électricité).
" Semi-conducteurs: conductivité très élevée à basse température, ils deviennent conducteurs à
très basse température. On augmente la conductivité en réalisant des
dopages p(+) et n(-). Le germanium et le silicium sont des semi-
conducteurs par exemple.
2.2.2. Conductivité thermique
On chauffe d'un coté du matériau et on attend de voir de l'autre côté le temps nécessaire pour que la
chaleur se propage. Son unité est le W/m K. Elle dépend bien évidement de la température.
d
Ta)t-(tk
Q 12
=
Avec Q la chaleur, t1 et t2 la température d'un côté et de l'autre en °C, d l'épaisseur ou la distance, a la
section et T le temps.
Résistance
Résistivité
Section
Longueur
conductivité spécifique

Dr. Gilles OLIVE 41
2.2.3. Masse volumique et densité
" La masse volumique (ρ) est la masse par unité de volume.
V
m
ρ = en kg.m-3
(ou g.l-1
) avec 1 g.ml-1
= 1000 kg.m-3
= 1000 g.l-1
" La densité sert à comparer la masse volumique des corps avec celle de la référence.
OH
x
x
2
ρ
ρ
d = pour les solides et les liquides
air
x
x
ρ
ρ
d = pour les gaz.
On donne toujours la densité pour la masse volumique de la substance x à 20 °C rapportée à la masse
volumique de l'eau à 4 °C (car la densité de l'eau est maximale à 4 °C), notée 20
4d .m
Mais on peut calculer facilement de façon théorique la densité. Certains programmes, même simples,
de mécanique moléculaire, comme EMO du Dr. Blaive peuvent calculer de façon théorique la densité
d'un métal. On peut aussi la calculer lorsqu'on a obtenu une structure X d'une molécule.
PARAMÈTRES POUR CALCULER LA MASSE VOLUMIQUE D'UN MÉTAL:
1. calcul de la masse d'un atome de métal (masse atomique/nombre d'Avogadro)
2. détermination du système cristallin
3. calcul du nombre d'atomes par maille
4. détermination de la masse d'une maille (c'est la masse d'un atome multiplié par le nombre
d'atome dans la maille)
5. calcul du volume d'une maille (souvent il s'agit (long. arrête)3
)
6. calcul de la masse volumique par
mailleuned'volume
mailleuned'masse
ρ =
Nous allons prendre comme exemple l'Argent (masse molaire: 107,8682 g.mol-1
):
1. masse d'un atome = 23
10.02,6
8682,107
= 1,79.10-22
g
2. système cubique faces centrées - longueur = 4,0862 ± 0,0002 10-8
cm (= 4,0862 10-10
m)
3. 4 atomes par maille ( 2
1
.6
8
1
.8 + )
4. masse d'une maille = 1,79.10-22
x 4 = 7,16.10-22
g = 7,16.10-25
kg
5. volume d'une maille = (4,0862 ± 0,0002 10-10
)3
= 6,82274 10-29
m3
6. 29-
-25
6,82274.10
7,16.10
ρ = = 10,505.103
kg.m-3
ou 10,505 g.cm-3
La valeur réelle est de 10,5 g.cm-3
.
Les valeurs obtenue par calcul sont toujours supérieures aux valeurs réelles car on ne tient pas compte
des lacunes.
m
Remarque: il y a plus de liaison hydrogène dans la glace que dans l'eau, ce qui explique dglace < deau.

Dr. Gilles OLIVE 42
2.3. Propriétés mécaniques
On a verra qu'une, la dureté. Mais d'abord une définition:
Dureté: capacité d'une substance solide à résister à une déformation ou à une abrasion de
surface
mesure de la résistance à la pénétration locale du matériau (en MPa, méga-pascal)
Il existe dix matières de bases. Historiquement, Mohs a établit une échelle pour classer les matériaux
d'après leur dureté.
1. Talc
2. Gypse
3. Calcite
4. Fluorine
5. Apatite
6. Orthose
7. Quartz
8. Topaze
9. Corindon
10. Diamant
Le premier matériau qui griffe le matériau inconnu nous donne la valeur de la dureté.
2.3.1. La dureté de Mohs
La première notion de dureté (1822) provient du minéralogiste allemand Friedrich Mohs qui
recherchait un paramètre pour définir les minéraux.
Il propose une échelle de 10 classes de dureté relative basée sur la résistance à la rayure par rapport à
des matériaux donnés, le talc et le diamant étant les extrêmes.
Dureté Minéral Exemples
1 Talc Très fragile
2 Gypse se raye à l'ongle ~2,2 ongle
3 Calcite Fragile ~3,2 cuivre
4 Fluorite se raye par le cuivre
5 Apatite Moyennement dur
~5,1 lame de couteau
~5,5 verre
6 Orthoclase se raye par le verre ou l'acier ~6,5 aiguille d'acier
7 Quartz Dur
8 Topaze
9 Corindon Très dur
10 Diamant
La dureté est une grandeur anisotrope, variant avec les directions cristallographiques ; il est difficile de
s'en servir comme caractéristique absolue.
Il existe, de plus, une dureté apparente de certains agrégats friables: l'ocre rouge se raie à l'ongle, mais
est formée de fins grains d'hématite rayant le verre.
La texture peut également donner un résultat faux. Par exemple, si la structure est à grains fins, on peut
confondre une rayure et l'arrachement de petits grains.
De plus l'échelle n'est pas linéaire, ce qui n'est pas adapté à la mesure des matériaux industriels comme
l'acier.
Il faut bien distinguer ténacité et dureté: ainsi le diamant, le plus dur des corps naturels connus, peu
tenace, se casse facilement grâce à son excellent clivage octaédrique.

Dr. Gilles OLIVE 43
Aujourd'hui, la dureté est mesurée grâce à l'empreinte que laisse un pénétrateur dans un matériau sous
une force donnée.
Il existe différents essais selon la forme du pénétrateur et la nature de la mesure de l'empreinte (surface
ou profondeur). Et dans l'industrie, on utilise principalement trois techniques différentes pour mesurer
la dureté.
Dans tous les cas, la dureté est donnée en mégapascal (MPa) puisqu'elle est le rapport d'une force en
Newton (N) sur une surface calculée en millimètres carrés (mm2
).
Les deux premières mesures sont des mesures de surface, alors que la troisième est une mesure de profondeur.
2.3.2. Brinell
" On imprime dans la pièce une bille en acier ou en carbure.
La bille possède un diamètre D et on applique une charge F sur la bille. On mesure le diamètre de
l'empreinte d après la suppression de la Force.
F
D d
La plus grande valeur que peut prendre d est D.
La valeur de Brinell est 0,102
S
F
⋅ avec F la force exercée sur la boule en Newton et S la surface en
mm2
d'enfoncement dans le matériau.
" Technique essentiellement appliquée dans les ateliers ou dans les chaînes de production car
ce sont des mesures assez faciles à réaliser.
HB = INDICE DE DURETÉ BRINELL
L'essai consiste à appliquer une force F Newton sur une bille
en acier ou en carbure, de diamètre déterminé D mm.
Maintenir la pression pendant 15 à 30 s selon le métal.
Mesurer le diamètre d mm de l'empreinte obtenue. On en
déduit la valeur de HB en MPa par la formule indiquée.
On doit l'essai Brinell à l'ingénieur métallurgiste suédois Johan Brinell (1849 - 1925). Il s'applique
aux métaux "peu durs". La norme Brinell de dureté a été éditée dès 1924.

Dr. Gilles OLIVE 44
Figure 5 – Appareil de mesure dureté Brinell2
Au moyen d'une presse, on exerce sur la bille une force P, connue et invariable, 3 000 kgp en général. La bille s'enfonce
dans le métal et y laisse, sous la forme d'une calotte sphérique, une empreinte d'autant plus profonde, évidemment, que le
métal est moins dur. Si S est la surface de cette calotte en millimètres carrés, la dureté, ou nombre de Brinell H est donnée
conventionnellement par la relation:
2
mmS
kgpP
H =
On mesure le diamètre, d, de l'empreinte avec une réglette de verre (Figure 6) présentant deux traits légèrement divergents,
dont l'un porte une graduation en dixièmes de millimètre. On déplace la règle sur l'éprouvette jusqu'au moment où les bords
de l'empreinte sont tangents aux traits divergents: une simple lecture fournit d à une approximation suffisante. On en déduit
S par le calcul ou, mieux, au moyen de tables ; d'où H, par une simple division.
L'aire de la calotte sphérique d'empreinte est donnée par la formule:





= 2d-2D-DDπ
2
1
S
Figure 6 – Règle de Le Chatelier2
Exemples de dureté Brinell de quelques métaux:2
Plomb 7 Or 48
Etain 15 Nickel 75
Aluminium 38 Fer 120
Cuivre 40 Acier demi-dur 148
Zinc 46 Acier extra-dur 235

Dr. Gilles OLIVE 45
2.3.3. Vickers
" On imprime un pénétrateur en diamant en forme de pyramide droite, et on va exercer une
charge F et on va mesurer la diagonale de l'empreinte laissée sur la surface après enlèvement
de la charge.
Pointe enfoncée
Diagonale
La valeur de Vickers est 0,102
S
F
⋅ avec S la surface en d'enfoncement dans le matériau. On remarque
que c'est la même que pour Brinell.
" Technique utilisée en laboratoire car les pénétrateurs sont de très petites tailles, ce qui donne
des petites empreintes, qu'il est plus facile de voir au microscope et sur une surface de très
bonne qualité (propre).
" Utilisée essentiellement pour les métaux très très durs.
HV = INDICE DE DURETÉ VICKERS
L'essai consiste à appliquer une force F Newton sur une
pyramide à base carrée en diamant d'angle au sommet 136°.
Maintenir la pression pendant 15 s. Mesurer la diagonale d
mm. On en déduit la valeur de HV en MPa par la formule
indiquée.
C'est l'essai le plus précis des trois essais de dureté, et celui qui a le domaine d'applications le plus
étendu. Pour des matériaux rugueux on peut néanmoins préférer l'essai Brinell.
La dureté Vickers a été conçue dans les années 1920 par les ingénieurs de la société Vickers en
Angleterre.
2.3.4. Rockwell
" On imprime dans la pièce un pénétrateur (bille ou cône en diamant) de type normalisé.
Cela s'effectue en trois parties:
1. on applique une charge
2. on augmente la charge appliquée
3. on applique de nouveau la charge initiale
On mesure alors la surface créée par le pénétrateur
" Technique très simple et rapide en routine mais moins précise que les deux autres essais.
HRC (OU HRB) = INDICES DE DURETÉ ROCKWELL

Dr. Gilles OLIVE 46
L'essai consiste à appliquer une force de 100 N sur un cône en diamant à 120°.
Le cône s'enfonce d'une profondeur e0 mm. On applique une force de 100 N +
F, avec F = 1400 N, pendant 3 à 8 s, le cône s'enfonce d'une profondeur e1 mm.
On supprime la force F, le cône reste enfoncé d'une profondeur e2 mm. La
profondeur rémanente (e2 - e0) mm permet le calcul de HRC selon la formule indiquée.
L'essai est le même que le précédent sauf qu'on utilise une bille d'acier de ∅ 1,6
mm et que F est égale 900 N. On obtient HRB selon la formule indiquée.
L'intérêt des indices Rockwell par rapport à l'indice Brinell est qu'ils peuvent se
lire directement sur un cadran gradué.
La norme de dureté Rockwell date de 1932.
2.3.5. Essais de dureté.
(NF A 03-152)
La dureté caractérise la résistance qu'un matériau oppose à la pénétration d'un corps dur.
L'essai de dureté consiste à créer une empreinte sur une pièce par un pénétrateur soumis à une force
déterminée.
C'est un moyen de contrôle non destructif, utilisé en contrôle final car il est possible d'obtenir, à partir
d'un indice de dureté, une bonne approximation de la résistance à la traction.
Correspondances approximatives de quelques indices de dureté entre eux et avec Rm.
(Tableau d'après la norme allemande DIN 50-150)
HV HB HRC Rm HV HB HRC Rm HV HB HRC Rm HV HB HRC Rm
155 147 495 230 219 740 310 295 31,0 995
160 152 510 235 223 755 320 304 32,2 1030
90 85 285 165 156 530 240 228 20,3 770 330 314 33,3 1060
95 90 305 170 162 545 245 233 21,3 785 340 323 34,4 1095
100 95 320 175 166 560 250 236 22,2 800 350 333 35,5 1125
105 100 335 180 171 575 255 242 23,1 820 360 342 36,6 1155
110 105 350 185 176 595 260 247 24,0 835 370 352 27,7 1190
115 109 370 190 181 610 265 252 24,8 850 380 361 28,8 1220
120 114 385 195 185 625 270 257 25,6 865 390 371 39,8 1255
125 119 400 200 190 640 275 261 26,4 880 400 380 40,1 1290
130 124 415 205 195 660 280 266 27,1 900 410 390 41,8 1320
135 128 430 210 199 675 285 271 27,8 915 420 400 42,7 1350
140 133 450 215 204 690 290 276 28,5 930 430 410 43,6 1385
145 136 465 220 209 705 295 280 29,2 950 440 418 44,5 1420
150 143 480 225 214 720 300 285 29,8 965 450 428 45,3 1455
Pour les aciers on a approximativement: Rm = 3,5 HB, où Rm est la résistance à la rupture et HB
l'indice de dureté Brinell.

Dr. Gilles OLIVE 47
Les valeurs étant légèrement différentes, voici un autre tableau de correspondance:
Rm (MPa) HB HRB HRC
400 130 60
800 250 100 21
1200 360 36
1600 460 46
2000 530 52
2.3.6. Autres types de duretés
La dureté a été définie comme résistance d'un matériel à la pénétration permanente par un autre
matériel plus dur. La mesure est faite auprès de la dimension de l'empreinte laissée (surface ou
profondeur) après que la force d'essai ait cessé. Cette méthode ne permet pas d'apprécier la
déformation élastique.
Un ensemble de mesure de dureté permet d'affiner les caractéristiques mécaniques des différents types
de matériaux.
" dureté Shore (1907): mesure l'élasticité par la profondeur de pénétration, utilisée dans le
domaine des élastomères,
" dureté Meyer: mesure la plasticité et l'élasticité,
" On utilise un duromètre Brinell. Soit D (mm), le diamètre de l'empreinte laissée par une
charge F(N): HM = 4F/D2
" dureté Bercovich: pénétration d'un indenteur de forme "pyramidal" tétraédrique,
" dureté Barcol: pénétration d'une pointe en acier, utilisé pour les plastiques durs, résines
composites (éviers, baignoires...), échelle graduée de 0 à 100,
" dureté Leeb (1975): mesure du rebond d'un percuteur, du nom de D. Leeb ingénieur suisse,
" dureté UCI ultrasonic convert impedance (1961): méthode de mesure électrique,
" dureté Martens,
" dureté Buchholz: domaine des revêtements organiques (vernis et peintures), longueur de
l'empreinte laissée par une roue biseautée sous une charge de 500 g,

Dr. Gilles OLIVE 48
" dureté crayon ou Wolff-Wilborn: domaine des surfaces fragiles (peinture, revêtement, ...),
trace laissée par un crayon dans la gamme 6B à 7H sous une charge de 7,5 N et un angle de
45°,
" dureté Persoz-König, dureté Sward: domaine des revêtements organiques (peintures, ...),
" dureté Monnin, dureté Janka: utilisée pour le bois,
" Dureté Knoop
L'essai de Knoop permet la mesure de dureté des matériaux fragiles comme
le verre et la céramique.
Le pénétrateur en diamant est de forme pyramidale à base rectangulaire avec
un angle de 172°30' entre deux faces opposées et 130° pour les deux autres
faces. Les charges appliquées sont inférieures à 1 kgf.
Le pénétrateur laisse une empreinte dont la taille est comprise entre 0,01 et 0,1
mm (D = 7 d et H = D / 30).
Si on mesure la longueur et la largeur de l'empreinte à l'aide d'un microscope, la dureté de
Knoop (HK) est donnée par la formule suivante:
2
D
F14,229
HK =
où F est la charge en kgf et D2
, l'aire de l'empreinte en millimètres carrés.
Exemple de dureté Knoop: diamant C: 8000 ; nitrure de bore BN: 4500 ; carbure de silicium
SiC: 2700 ; alumine Al2O3: 2500
La norme de micro-dureté Knoop a été adoptée en 1969.

Dr. Gilles OLIVE 49
CHAPITRE 3: DIFFÉRENTES TECHNIQUES
POUR AMÉLIORER LES PROPRIÉTÉS
MÉCANIQUES DES MATÉRIAUX
3.1. Traitements thermiques
Ils sont de trois types: # recuit (annealing)
# trempe (quenching)
# revenu (tempering)
3.1.1. Le recuit
Il permet de se débarrasser de certains états hors équilibre. Il y a quatre grands types de recuits.
3.1.1.1. D'adoucissement
Cela permet d'abaisser la dureté du matériau. Cela est utile pour la mise en œuvre à froid.
3.1.1.2. De normalisation
Le but est d'avoir une structure avec de très fins grains biens répartis dans tout le matériau.
3.1.1.3. De détente
Sert à limiter les contraintes physico-chimique qui se trouvent dans le solide.
3.1.1.4. D'homogénéisation
Sert à limiter les inhomogénéités chimique qui se trouvent dans le solide.
3.1.2. La trempe
Contrairement au recuit d'adoucissement, le but de la trempe est augmenter la dureté du matériau.
On va chauffer à très haute température et on refroidit très brutalement, en fait plus vite que la
diffusion naturelle.

Dr. Gilles OLIVE 50
3.1.3. Le revenu
(On chauffe et on refroidit là aussi mais beaucoup plus brutalement que la trempe.)
Le revenu est un traitement thermique qui suit la trempe.
Une pièce d'acier n'est que très rarement utilisée à l'état simplement trempé car elle est souvent plus
dure que nécessaire. De plus, elle est très fragile, car elle est le siège de contraintes mécaniques
importantes...
Le but du revenu sera d'améliorer les caractéristiques de ductilité, au détriment, bien sûr, de la
résistance.
3.2. Traitements chimiques superficiels
3.2.1. Cémentation3
Augmentation de la teneur en carbone d'un alliage qui initialement en contenait peu.n
La cémentation est un traitement thermochimique de diffusion ayant pour but l'enrichissement en
carbone d'une zone superficielle de la pièce à traiter. On obtient cet enrichissement par mise en contact
avec un milieu carburant pulvérulent (en forme de poudre), pâteux, liquide ou gazeux.
L'opération de diffusion est suivie d'une opération de trempe afin d'obtenir de la martensite en surface
améliorant ainsi la dureté (700 à 900 HV), mais aussi la tenue en fatigue en raison des contraintes de
compression dans la zone traitée.
3.2.1.1. Etape d'enrichissement en carbone
On crée une couche superficielle plus ou moins enrichie en carbone (0,1 à 0,2 % au départ) avec des
teneurs finales de 0,7 à 1,2 % de carbone en général.
Deux phénomènes interviennent:
" Une réaction chimique qui fournit du carbone à la surface de la pièce.
" Un processus de diffusion dans la zone superficielle, de la surface vers l'intérieur.
Le carbone étant bien plus soluble en phase austénitique qu'en phase ferritique, de plus la diffusion
étant facilitée par la température, le traitement à lieu vers 900 à 950 °C avec des temps de maintien de
plusieurs heures.
Une température plus élevée risquerait de provoquer un grossissement des grains d'austénite.
3.2.1.1.1. Cémentation en caisse
n
Cette technique était déjà utilisé au moyen-âge pour durcir les lames des épées ; on passait de la corne sur la lame chaude.

Dr. Gilles OLIVE 51
Le principe consiste à noyer les pièces dans un cément solide à base de charbon de bois. Ce cément est
pulvérisé ou granulé et additionné d'adjuvants. (20 à 40 % de carbonate de Baryum dans le cément de
Caron).
Dans ce procédé ancien, il est courant de cémenter vers 950 °C.
3.2.1.1.2. Cémentation en bains de sels
Les pièces sont immergées dans un bain de sels fondus maintenu à la température choisie pour la
réaction chimique et la diffusion. L'agent de carburation a pour base le groupe des cyanures alcalins.
Le traitement s'effectue de 700 à 900 °C.
3.2.1.1.3. Cémentation gazeuse
L'atmosphère des fours est constituée par un gaz porteur auquel sont ajoutés du méthane (CH4) ou du
propane (C3H8).
Les additions d'hydrocarbures au gaz porteur dépendent du besoin en carbone de la charge.
Le gaz porteur est souvent produit par un générateur endothermique. Par exemple, à partir d'un
mélange d'un volume de méthane pour 2,4 volumes d'air, on obtient un gaz constitué de 20 % de CO,
40 % de H2 et des quantités minimes de CH4, CO2 et H2O, les deux dernières étant éliminées avant
introduction dans le four pour obtenir un gaz réducteur.
Les deux réactions de production de carbone sont:
2 CO CO2 + C
CH4 2 H2 + C
Dans le cas du propane:
C3H8 CH4 + C2H4
3.2.1.2. Traitements thermiques après cémentation
Le durcissement de la couche cémentée s'obtient par trempe, en général à l'huile. Après trempe, les
pièces peuvent subir un revenu de détente vers 150 à 190 °C pour augmenter la ténacité de la couche
superficielle par relaxation partielle des contraintes.
En plus de la martensite, la couche superficielle peut comprendre:
" de l'austénite résiduelle (très défavorable à la dureté mais bonne pour la résistance à la fatigue
en flexion)
" de la bainite et de la perlite dont la présence est essentiellement liée au phénomène
d'oxydation interne.
" des carbures en nodules ou en réseau qui diminuent la résistance à la fatigue en flexion.
3.2.2. Carbonitruration
On fait passer l'alliage dans un mélange gazeux de monoxyde de carbone, d'hydrogène moléculaire,
d'azote moléculaire, d'ammoniac et de propane.

Dr. Gilles OLIVE 52
La couche superficielle est alors enrichie en carbone et en azote.
Le but est le même que dans le cas de la cémentation.
3.2.3. Nitruration
On fait entrer de l'azote atomique dans le matériau sans changement de phase.
Caractéristiques:
1. couche superficielle très dure résistante à l'usure avec de très faibles risques d'écaillage,
résistante à la fatigue et peu sensible aux entailles
2. très résistants à la corrosion
3. très stable au niveau dimensionnel.

Dr. Gilles OLIVE 53
CHAPITRE 4: LES VERRES
4.1. Généralités
Verres: matériaux inorganiques qui lorsqu'ils sont refroidis passent de l'état liquide à l'état solide sans
cristallisation.
En fait cette définition n'est pas tout à fait rigoureuse car elle dépend de l'échelle à laquelle on regarde:
" au niveau macroscopique, le verre est un solide et il est amorphe
" au niveau microscopique, il y a un certain ordre au sein du solide. Cet ordre est observé sur
une faible distance de l'ordre de quelques distances interatomiques.
Actuellement, on dénombre pas mal de systèmes inorganiques qui peuvent se comporter comme des
verres.
Quand on parle de verre silicaté, on veut simplement dire qu'il s'agit d'un verre à base de silice.
Propriétés des verres: - transparence
- inaltérabilité
- imperméabilité
- facilité de mise en œuvre (forme) à haute température
- formule générale: constitués de trois composés de base.
Les trois composés de base sont:
1. des oxydes acideso
comme par exemple la silice (SiO2)
2. des oxydes d'alcalino-terreux comme par exemple l'oxyde de calcium (CaO)
3. des oxydes alcalins comme l'oxyde de sodium ou de potassium (Na2O ou K2O).
Les deux derniers étant bien sur des oxydes basiques.
Mais voyons quelques exemples.
Verre ordinaire ou verre sodocalcique
Sodo pour dire qu'il y a Na2O et calcique parce qu'il y a CaO.
Sa composition est
2,5 SiO2, 0,5 CaO et 0,5 Na2O.
Verre à vitres
Composition
72 % (en masse) SiO2, 13,28 % Na2O, 8,47 CaO et 1,4 % Al2O3 et Fe2O3.
Verre borosilicate ou pyrex
Composition
80 % SiO2, 15 % B2O3 et 5 % Na2O.
Ils ont une bonne résistance aux chocs thermiques (voir plus loin).
o
Ces oxydes donnent un acide au contact de l'eau. Les oxydes basiques, eux donnent une base (hydroxyde) avec l'eau.

Dr. Gilles OLIVE 54
4.2. Structure du verre
Elle provient essentiellement de la structure de la silice. Cette dernière existe sous beaucoup de formes
allotropiques, comme par exemple le quartz α, β, ...
La silice est sous forme de tétraèdre, le silicium occupe la position centrale et les atomes d'oxygène les
sommets. L'angle entre les liaisons est de 109,5 °.
L'oxygène (O2) à un rôle de pont entre les atomes de silicium (Si-O-Si).
O
O
O
Si
O
OO
O
Si
Quand on introduit d'autres composants, comme par exemple l'oxyde de sodium un oxyde basique, on
peut modifier la structure de la silice et certains sommets ne seront plus liés avec d'autres ; il y aura
séparation de tétraèdres qui étaient liés.
SiO- -
OSi
Na+ +
Na (c'est la silice vitreuse)
La silice seule est un système cristallin (tétraèdre).
A quoi est dû l'état vitreux ?
" A la grande viscosité de l'état liquide. Pour créer un solide cristallin, il faut que les atomes
occupent des positions bien déterminées. Or l'état liquide est tellement visqueux que les atomes
n'arrivent pas à leur place.
" Les composés silicatés alcalins sont environ mille fois plus visqueux que les huiles.
" Le passage de l'état liquide vers l'état solide se fait de manière progressive. Il n'y a pas de
point de solidification, ni de fusion bien définis.
" Les propriétés physico-chimiques ne varient pas de manière brutale d'un état à l'autre.
Ce dernier point mérite d'être explicité. Nous allons prendre comme exemple la viscosité.
Quand on augmente la température, la viscositép
diminue.
p
La viscosité est influencée par les interactions entre molécules: plus il y a d'interactions entre molécules, plus les
substances sont visqueuses. Les interactions sont: les ponts hydrogène, les forces de Van der Waals (dipôle, etc ...), les
interactions ioniques, les interactions électrostatique entre charges, les électrons π et les interactions hydrophobes.

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Voici le diagramme du verre traditionnel dit aussi ordinaire.
0
2
4
6
8
10
12
14
Température
Viscosité η
(échellelogarithmique)
1
2
3
4
1ère
zone (entre 12 et 10): zone de recuitq
. Viscosité élevée.
2ème
zone (7): zone de Littleton: zone de ramollissement du verre ; le verre commence à
fluer (couler) sous son propre poids.
3ème
zone (6 - 4): zone de mise en œuvre: zone de travail du verre.
4ème
zone (2): zone à très haute température: zone de fusion du verre de 1300 à 1700 °C.
(Rappel: pas de points très précis).
4.3. Propriétés du verre
4.3.1. Propriétés optiques
4.3.1.1. Transparence
Comment la mesure-t-on ? En faisant passer un rayon caractérisé par sa longueur d'onde, son intensité
et l'épaisseur du chemin traversé. On définit alors un coefficient d'absorption.
Concrètement on prend du verre et on fait passer un rayon lumineux dont on connaît la longueur
d'onde λ et l'intensité initiale I0 et on mesure l'intensité sortante I. On définit alors:
" l'absorbancer
:
I
I
logA 0
=
" la transmitance:
0I
I
T =
Pour rappel, pour passer de l'une à l'autre on utilise la relation A = -log T.
4.3.1.1.1. Dans le visibles
" Les verres sont quasi transparents.
q
Recuit: chauffer tout en restant à l'état solide pour améliorer certaines propriétés mécaniques et éliminer certains défauts.
r
On parle aussi parfois de la densité optique D.O..
s
Longueurs d'onde du visible: 380 à 800 nm.

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" Les verres à vitres ont une transmitance T = 0,98 pour une épaisseur jusqu'à un centimètre.
La transmitance chute quand l'épaisseur est plus grande qu'un centimètre.
4.3.1.1.2. Dans l'ultraviolet
" Pour les verres à vitres, la transmitance est presque nulle.
" Le verre à vitre absorbe dans l'UV ; pour résoudre ce problème on utilise le quartz.
4.3.1.1.3. Dans l'infrarouge
" Pour les verres, la transmitance est presque nulle.
" Mais le quartz n'est pas indiqué. On utilisera alors des cellules en chlorure de sodium ou en
plastique. Mais les cellules en plastique ont des problèmes de dureté et donc on ne les utilise
pas à chaque fois.
4.3.1.2. Indice de réfraction (n)
Pour rappel l'indice de réfraction c'est
considérématériauledanslumièreladevitessela
videledanslumièreladevitessela
et n'a pas de dimension.
nair = 1 et nverre = 1,5 à 1,9
Faisons une comparaison de quelques propriétés entre le verre et le polycarbonate (souvent considéré
comme verre organique).
Propriété Verre à vitre Polycarbonate
Indice de réfraction 1,52 1,59
Coefficient de Transmitance
dans le visiblet 92 89
Densité 2,5 1,2
Stabilité thermique 1700 °C 125 °C
Conductivité thermique
(W/m °C)
0,88 0,23
4.3.2. Propriétés thermiques
4.3.2.1. Conductivité thermique
La conductivité thermique des verres est de l'ordre de 0,84 W/m K.
C'est important pour l'isolation des bâtiments. On définit un coefficient
Q = K (text - tint)
t
Dans l'UV, les polymères ont une plus faible stabilité chimique que le verre.

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avec Q le nombre de Watt, K une constante et t la différence de température entre l'intérieur et
l'extérieur du local.
Pour améliorer la conductivité thermique des verres, on joue sur K avec le double vitrage par exemple:
" on met de l'air entre les deux verres
" ou on fait le vide entre les deux verres (ce qui ajoute un intérêt sonore).
• simple vitrage de 4 mm: K = 5,86
• double vitrage de 4 mm: K = 3
• triple vitrage de 4 mm: K = 2
4.3.2.2. Résistance aux chocs thermiquesu
Le problème des verres se situe au niveau de la structure. Lorsqu'il y a dilatation, il faut qu'en un temps
très court il y ait une réorganisation du solide.
En fonction de sa composition, le verre va être plus ou moins résistant aux chocs thermiques.
4.3.3. Propriétés électriquesv
Il existe deux grands type de conductions électriques:
" conductions électroniques (par exemple les métaux)
" conductions ioniques (par exemple le verre dont les cations alcalins sont responsables).
Au niveau des verres, on a un réseau formateur des oxydes comme la silice et l'oxyde de bore (B2O3).
Et puis on a des oxydes modificateurs comme l'oxyde de calcium, de potassium ou bien de baryum. Ce
sont les ions alcalins qui sont responsables d'une certaine conductivité du verre.
" A température ambiante, il y a une légère conductivité.
" A basse température, la conductivité est faible et même à l'état liquide, elle reste faible (car la
mobilité des électrons est mauvaise car le liquide est très visqueux).
Le verre est considéré soit comme isolant, soit comme très faible conducteur.
4.4. Exemples pratiques de verres
4.4.1. Verre silico-sodo-calcique
Composition: SiO2 Na2O CaO
" Ce sont les verres les plus utilisés: 90 % de la production globale.
" Applications: vitres, flacons, ampoules de lampe, néon, ...
" Problème: résistance chimique relativement faible ; pour améliorer la résistance chimique on
ajoute de 1 à 4 % d'oxyde d'aluminium (Al2O3).
u
Choc thermique: modification très très brutale de la température.
v
Pour rappel, un courant c'est des charges qui se déplacent (comme des électrons ou des ions).

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4.4.2. Verre boro silicate
Composition: SiO2 (80 %) B2O3 (10 %) et des restes d'autres oxydes
" Propriétés: grande résistance chimique, coefficient de dilatation linéaire très faible, bonne
résistance aux chocs thermiques (variation de température jusqu'à 100 °C).
" Applications: verrerie de laboratoire, verrerie industrielle, accessoires ménagers.
" Marque: Pyrex ou Durand.
4.4.3. Silice vitreuse
Composition: SiO2 pure Exemple: quartz
" Propriétés: coefficient de transmitance très élevé (y compris dans l'UV, dans le visible et dans
l'infrarouge proche du visible), très grande résistance chimique, coefficient de dilatation très
faible, excellente résistance aux chocs thermiques (variation de température jusqu'à 1000 °C).
" Applications: verrerie spéciale de laboratoire.
4.4.4. Alumino silicate
Composition: Al2O3 SiO2
" Propriétés: résiste à très haute température, bonne résistance aux chocs thermiques.
4.4.5. Verre d'optique
" Les caractéristiques optiques doivent être homogènes. Ceci implique un indice de réfraction
très homogène avec cinq chiffres significatifs (Exemple 1,1111).
" Composition très variée.
4.4.6. Fibres optiquesw
" Application: utilisé en télécommunication entre autre lié à la vitesse de propagation du signal
(exemple la lumière).
" Pour construire une fibre optique:
• à l'intérieur, la fibre de verre possède un indice de réfraction très élevé
• à l'extérieur, la fibre de verre possède un indice de réfraction plus faible
• suite à cette différence d'indice de réfraction, le signal va se propager en zigzag
jusqu'à l'extrémité de la fibre.
w
Fibres optiques: fibres conductrices de la lumière.

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4.4.7. Kwarx, le verre qui surpasse le cristal
Leader mondial des arts de la table, Arc International, qui avait déjà réussi à industrialiser la
fabrication du cristal en 1968, veut réinventer le verre à vin avec le Kwarx (2006), un nouveau
matériau sans plomb, entièrement recyclable, plus fin, plus solide et plus endurant que tous les verres
existants.
Un patient travail d'optimisation des caractéristiques techniques des fours et des modes de fusion a
permis d'obtenir un verre plus brillant, transparent et résistant. La résistance du Kwarx aux chocs a été
obtenue en éliminant les points de faiblesse grâce à un contrôle plus poussé de l'épaisseur et en
renforçant le point névralgique du verre qu'est le bord du bol (le "buvant" du "calice").
En revanche, sa dureté n'est pas différente de celle des autres verres, mais sa résistance aux détergents
des lave-vaisselle est bien supérieure.
Le prix de cette innovation (de 7,50 € à 9 € le verre) s'intercale entre celui du verre ordinaire et celui
du cristal.
Kwarx est un nom dérivé de quark, une particule élémentaire.
4.4.8. Caractéristiques des verres de laboratoirex
Il existe essentiellement 2 sortes de verre de laboratoire:
" verre borosilicaté,
" verre sodocalcique.
Ils se différencient par leur composition chimique, leurs propriétés physiques, thermoplastiques,
thermiques, chimiques et électriques.
Composition chimique:
VERRE BOROSILICATE
SiO2 ............................................... 81 %
B2O3 ............................................... 13 %
Na2O ............................................... 4 %
Al2O3 ............................................... 2 %
La composition indiquée est approximative.
VERRE SODOCALCIQUE
SiO2 ............................................... 69 %
Na2O/K2O ........................................ 16 %
CaO ............................................... 5 %
Al2O3 ............................................... 4 %
Autres oxydes ................................. 2 %
x
Catalogue VWR

Dr. Gilles OLIVE 60
Utilisation
" Les verres borosilicatés et verre Pyrex sont des verres dont le faible coefficient de dilatation
leur permet de résister aux divers modes de chauffage sans risque de casse. Leur composition
chimique en fait en quelque sorte des verres tamponnés qui ne présentent pas la même
réaction acide que les verres sodocalciques. C'est pourquoi, ils seront employés en culture de
tissus et intéressent en particulier les biologistes.
" Les verres sodocalciques sont davantages destinés à la chimie. Ils résistent particulièrement
bien aux acides et aux bases.
Il faut ajouter les verres chimiquement renforcés tels que le COREX dont la résistance
mécanique est 6 fois supérieure à celle des autres verres borosilicatés. Les pipettes COREX
ne cassent pas à la chute; les tubes à centrifuger COREX supportent jusqu'à 40000 g.

Dr. Gilles OLIVE 61
CHAPITRE 5: LES CÉRAMIQUES
5.1. Généralités
But: confection d'objets en terre cuite à faible prix de revient.
Exemples: briques, tuiles ou certains matériaux légèrement plus chers tel que les faïences, la
porcelaine ou les grès.
Les nouvelles céramiques de ces dernières années sont utilisées dans les industries de pointes tel que
l'aéronautique ou l'industrie nucléaire.
5.2. Définitions des céramiques
5.2.1. Deux grands types de céramiques
1. Céramique spéciale à partir de combinaisons inorganiques de synthèse.
2. A base d'argile: on les classes en plusieurs catégories, suivant la taille des grains.
" structure dite grossière en caractère poreuses ou denses.
• si il absorbe plus de 6 % de sa masse d'eau: structure poreuse. Exemple: brique, terre cuite.
• si il absorbe moins de 6 % de sa masse d'eau: structure dense. Exemple: carrelages.
" structure dite fine en caractère poreuses ou dense.
• si il absorbe plus de 2 % de sa masse d'eau: structure poreuse. Il y a à nouveau deux
catégories:
$ colorés. Exemple: émail.
$ non-colorés. Exemple: vaisselle.
• si il absorbe moins de 2 % de sa masse d'eau: structure dense. Il y a à nouveau deux
catégories:
$ colorés. Exemple: carrelage.
$ non-colorés. Exemple: vaisselle isolante.
5.2.2. Les céramiques sont des produits dont la fabrication comporte les caractéristiques
suivantes:
1. Mise en forme à une température inférieure à 100 °C, à partir d'une pâte d'origine minérale.
2. Durcissement par cuisson à une température d'au moins 800 °C. Cette cuisson donne au produit
final sa forme et ses propriétés caractéristiques.
3. Essentiellement de composition inorganique et sans caractère métallique (différence par rapport
aux alliages).
4. Structure en majorité cristalline et se sont généralement des solides (non)y
élastiques mais fragiles.
y
Elastique quand il est non cuit.

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5.3. Eléments de structure au niveau des céramiques
Nous ne parlerons que des argiles.
1er
caractère: Ce sont des bi-silicates (deux silices) d'alumine hydratés et impurs.
Exemple de composé: 2 SiO2.Al2O3.2 H2O
2ème
caractère: Capacité à absorber énormément d'eau.
Exemple: 100 g d'argile sec absorbe 60 g d'eau
3ème
caractère: Action de la chaleur sur l'argile.
Quand on chauffe, il y a au début départ de molécules d'eau:
" molécules d'absorption à partir de 110 °C
" l'eau d'hydration, c'est-à-dire l'eau du réseau cristallin entre 400 et 600 °C
A très haute température (supérieur à 1000 °C), progressivement il y a fusion du
matériau.
L'étude des céramiques se fait comme pour les métaux, à l'aide des diagrammes de phases.
5.4. Les différentes étapes de fabrication
1. Broyage et concassage des matières premières
2. Préparation de la pâte qu'on humidifie et on mélange les matières premières
3. Façonnage de l'objet (on moule, on presse)
4. Dessiccation (on laisse sécher)
5. Cuisson
6. Finition de l'objet
7. Recuit pour imprégner la finition.
5.5. Propriétés mécaniques des céramiques
5.5.1. Structure
" Objets polycristallins ayant une structure très similaire aux alliages métalliques mais ici il y a
une certaine microstructure qui induit une porosité.
" Ces microstructures affaiblissent fortement le matériau.
" Matériau relativement fragile, cette fragilité provient entre autre de joints de grains entre les
cristaux.
5.5.2. Propriétés mécaniques
" Très trés durs: il faut utiliser des abrasifs très efficaces comme le diamant ou des carbures de
silicium.
Les céramiques sont plus dures que les métaux à cause de la mobilité des liaisons.
" Les métaux sont malléables à cause de la liaison métallique.
Il n'y a pas de liaisons métalliques dans les céramiques.

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" Il y a deux grandes catégories de liaisons dans les céramiques:
• covalentes
• ioniques (autres types de composés ioniques: les sels)
Les céramiques se rapprochent plus des sels que des métaux.

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CHAPITRE 6: LES LIANTS HYDRAULIQUES
Ce sont par exemple les ciments et les plâtres.
Définition: matériau employé sous forme de poudre fine qui gâchée en pâte épaisse avec de l'eau
durcit progressivement par fixation chimique d'une partie de cette eau et qui acquiert
ainsi la résistance de la pierre.
Cette opération s'effectue en deux étapes:
" la prise d'un liant hydraulique c'est l'accroissement de la consistance de la pâte jusqu'à
solidification.
" Le durcissement suit la prise et permet d'améliorer les propriétés mécaniques de la prise.
La prise du ciment dépend de:
" la composition chimique
" le degré de cuisson
" la finesse du broyage
" la température
" la proportion d'eau
" la durée de contact avec l'eau
" la nature de l'eau
" l'ajout de certaines substances:
• accélérateurs de prise: chlorure de calcium
• retardants de prise: substances avides d'eau
Souvent ces liants servent à lier d'autres matériaux. Par exemple le ciment permet de lier le sable et le
gravier pour donner le béton.
Composition chimique:
" sels de silicates
" sels d'aluminates
CaO, Al2O3, SiO2, H2O
Il y a plusieurs étapes dans la réaction d'hydratation.
6.1. Le ciment4
6.1.1. Quelques définitions
Le mot "ciment" dérive du latin caementum qui signifie "pierre non taillée" ou "mortier", le liant des
maçonneries. Ce sens étymologique a donc été en partie conservé car le ciment aujourd'hui désigne
uniquement les liants dits "hydrauliques", on entend par là une matière qui durcit à l'air et sous l'eau
après gâchage avec de l'eau. Les propriétés adhésives et cohésives du ciment permettent d'agglomérer
des fragments minéraux en un ensemble compact et résistant à l'eau. Le ciment entre dans la
composition des mortiers pour maçonnerie ou pour enduits mais la principale utilisation du ciment

Dr. Gilles OLIVE 65
n'est pas là: le ciment mélangé avec du sable, du gravier et de l'eau constitue une pâte qui une fois
coulée dans des moules ou coffrages en épouse la forme, quelle qu'en soit la complexité, jusqu'à sa
prise complète. Après décoffrage, la véritable roche artificielle monolithique ainsi obtenue présente de
remarquables caractéristiques de dureté et de résistance. Ce constituant de base de la construction
moderne, c'est à côté du verre et de l'acier, le matériaux par excellence de l'architecture du XXe
siècle,
son nom est connu de tous: le béton. Le béton (du latin bitumen le bitume) est dit "armé" lorsqu'il est
coulé sur une armature métallique, il est dit "précontraint" lorsque le béton est coulé sur des tiges
d'acier ou des câbles maintenus sous tension qui, une fois relâchés, mettent le béton en compression.
6.1.2. Le principe de fabrication du ciment
Le ciment est obtenu en cuisant des mélanges de calcaire et d'argile. Le procédé de fabrication consiste
à concasser et à broyer ces deux matières premières, à les mélanger intimement dans des proportions
bien définies, puis à les calciner dans un grand four rotatif porté à la température d'environ 1450 °C.
Les matériaux s'agglomèrent et fusionnent partiellement pour former des nodules durs et noirs de 5 à
30 mm de diamètre: le clinker (terme anglais signifiant "scorie"). Ce dernier est stocké à l'abri car il
réagit avec l'eau.
Ce clinker passe ensuite dans de grands cylindres métalliques remplis de boulets d'aciers, les broyeurs.
La mise en rotation de ces derniers réduit le clinker en fine poudre et du gypse (sulfate de calcium
hydraté) est généralement rajouté afin de contrôler la vitesse de prise lorsque au moment de la mise en
œuvre, on mélangera le ciment à l'eau. Le ciment Portland contient 5 % de gypse. D'autres types
peuvent être obtenus en mélangeant le clinker broyé avec d'autres constituants broyés eux aussi, qui
présentent des propriétés hydrauliques ou pouzzolaniques: ce sont soit des laitiers de hauts fourneaux
granulés, soit des cendres volantes ou encore des pouzzolanes naturelles ou artificielles.
Il existe en outre des ciments spéciaux tels les alumineux ou les sursulfatés.
6.1.3. Le processus chimique
Les constituants du ciment Portland sont des calcaires et de l'argile (Al4(OH)4(SiO)10). La préparation
se fait en deux phases principales:

Dr. Gilles OLIVE 66
6.1.3.1. Production d'aluminate monocalcique, de silicate bicalcique et de chaux.
CaCO3 + Al2O3 CaO.Al2O3 + CO2 réaction à 600 °C
CaCO3 + SiO2 CaO.SiO2 + CO2 réaction à 750 °C
CaCO3 CaO + CO2 réaction à 900 °C
6.1.3.2. Combinaison partielle à plus haute température de ces derniers, pour former des
aluminates et des silicates tricalciques.
2 CaO + CaO.Al2O3 (CaO)3.Al2O3 réaction à 1000 °C
CaO + (CaO)2.SiO2 (CaO)3.SiO2 réaction à 1300 °C
Les aluminates et les silicates tricalciques finement broyés donnent le clinker (qui contient également
en faible proportion du ferroaluminate tetracalcique, de la magnésie, des sulfates etc.). Le procédé
d'hydratation du clinker qui redonne des composés cristallins est complexe:
l'aluminate tricalcique se transforme en aluminate tétracalcique et en présence de gypse en
sulfoaluminates. Le silicate tricalcique forme de l'hydroxyde de calcium cristallin et de l'hydrosilicate
de calcium, tandis que la chaux éteinte, produite simultanément, assure un colmatage entre les réseaux
cristallins. La prise s'accompagne d'un dégagement de chaleur, plus ou moins intense selon les
composants.
6.1.3.3. Les réactions chimiques lors de la mise en œuvre du ciment
Lors de l'hydratation du ciment, la réaction chimique des deux silicates avec l'eau produit un gel de
silice hydraté et de l'hydroxyde de calcium. Ces hydrates contribuent largement à la résistance de la
pâte: ces substances cristallisent en un enchevêtrement de paillettes qui emprisonnent les particules de
sable et de gravier présentes dans le béton ou le mortier ; la chaux éteinte, Ca(OH)2, qui durcit en
réabsorbant le gaz carbonique de l'air pour redonner de la calcite, CaCO3, assure le colmatage entre les
réseaux cristallins. A cause de cette réaction chimique, la prise s'accompagne d'un dégagement de
chaleur, plus ou moins intense selon les composants. L'aluminate tricalcique, produit final d'une série
de réactions chimiques lors du processus de calcination, forme également un hydrate, mais il ne
contribue que peu à la résistance de la pâte ; de plus, la réaction d'hydratation de ce composé est si
rapide qu'elle doit être contrôlée avec du gypse (formation de sulfoaluminates). L'aluminoferrite
tétracalcique contribue simplement à la couleur grise, caractéristique du ciment Portland.
Le ciment alumineux: obtenu en traitant un mélange de bauxite, de craie ou de calcaire, ce ciment très
spécial est surtout utilisé pour obtenir une prise très rapide (en cas de risque de gel par exemple) ou
une grande résistance à la chaleur (comme pour le revêtement des conduits de cheminée). Sa résistance
à l'eau de mer, à certains acides ou chlorures et aux eaux séléniteuses en fait un matériau idéal pour la
construction des fondations et des infrastructures. Sa bonne résistance à la chaleur permet son
utilisation à haute température (jusqu'à plus de 1400 °C). Ce ciment est également dénommé
électrofondu ou Lafarge.
Le ciment aux pouzzolanes: il est soit à base de matériaux naturels (terres volcaniques, laves, etc…)
soit à base de matériaux artificiels (argiles cuites, briques, tuiles ou laitiers de haut fourneau). La
combinaison de ces matériaux avec la chaux lui donne un pouvoir hydraulique (c'est-à-dire durcissant
dans l'eau).

Dr. Gilles OLIVE 67
6.2. Le béton5
6.2.1. La conception et la mise en œuvre d'un béton frais
Les composants de base d'un béton sont:
" le ciment: de 300 à 450 kg/m3
de béton frais pour un béton de structure (certaines
applications particulières sortent de cet intervalle).
3 classes de ciments existent: 32,5 ; 42,5 et 52,5. Ce chiffre indique la résistance
caractéristique en compression et 28 jours (N/mm2
) d'une éprouvette en mortier de
dimensions normalisées (16 x 4 x 4 cm) et ayant été conservée en atmosphère humide à 20
°C. Anciennement, on les appelait: 30, 40 et 50.
" les inertes (granulats): le sable (40 %) et les gros granulats (60 %).
• les sables ont une dimension de 0,2 à 2 mm (ceci pouvant s'étendre jusqu'à 5 mm).
• les gros granulats se situent à partir de 2 mm jusque 28 mm. Ce peut être des graviers
roulés (dit "de rivière") ou des pierres concassées (dit "de carrière").
• une granulométrie continue permet d'obtenir un squelette plus résistant et plus compact
suite au remplissages successifs, par des grains de dimensions inférieures, des vides
laissés entre les grains de dimensions supérieures.
" l'eau de gâchage: environ 50 %, en masse, du ciment. La quantité d'eau se caractérise en
général par le rapport E/C (Eau/Ciment). Plus, ce rapport augmente, plus l'hydratation prend
du temps et moins le béton sera durable et résistant. Toutefois, la quantité d'eau peut être
fortement diminuée dans le cas où il y a un compactage important du béton et surtout si l'on
utilise des plastifiants (réducteurs d'eau) ou des (super-plastifiants) hautement réducteurs
d'eau.
La masse volumique d'un béton se situe entre 2300 et 2500 kg/m3
.
A l'heure actuelle, on réalise de plus en plus régulièrement des bétons avec des adjuvants et/ou
additifs. Ceux-ci peuvent être de différents types:
" Accélérateurs de prises (CaCl2): ils permettent une hydratation plus rapide du ciment. Cela
permet de dégager un maximum de chaleur pour travailler par temps froid. Cependant, la
teneur en CaCl2 doit être limitée pour éviter la corrosion des armatures suite à l'attaque par
les chlorures.
" Retardateurs de prises: ils permettent une hydratation moins rapide du ciment. Ceux-ci sont
utilisés lorsque le délai entre la réalisation du mortier (ou du béton) et sa mise en œuvre est
accru ou pour réaliser des parois de béton décoratifs (dits "lavés").
" Plastifiants et super-plastifiants: ils permettent de diminuer les besoins en eau pour rendre le
mélange plus liquide et le béton est donc plus facilement mis en ouvre. À "E/C" constant, on
améliore l'ouvrabilité du béton frais et à ouvrabilité constante, on peut diminuer "E/C".
" Les cendres volantes et la fumée de silice: elles agissent sur le squelette du ciment hydraté en
diminuant la taille des pores et donc la perméabilité (un facteur de 2,5 à 5).
" Les entraîneurs d'air: ces produits répartissent l'air en minuscules gouttes dans l'ensemble du
béton. Cela permet de ne pas avoir une zone plus fragile suite à un vide local important.
" Des fillers (particules inférieures à 80 µm): celles-la peuvent remplacer une partie du ciment
(5-15 % de la masse de ciment). La stabilité du béton est améliorée mais un réducteur d'eau
est nécessaire pour compenser l'eau de mouillage supplémentaire.
Il y a quatre paramètres de base qui définissent la composition d'un béton (hors adjuvants et additifs):
" La classe de résistance: cette classe détermine la résistance que l'on souhaite avoir pour le
béton à réaliser et elle s'exprime de la manière suivante C = X/Y (X = résistance

Dr. Gilles OLIVE 68
caractéristique [N/mm2
] sur des éprouvettes cylindriques de φ =150 mm et h = 300 mm à 28
jours et à 20 °C alors que Y = résistance caractéristique [N/mm2
] sur des éprouvettes
cubiques de c = 150 mm à 28 jours et à 20 °C). Cette classe détermine la valeur de résistance
à prendre en compte dans les calculs.
" La classe d'exposition: cette classe défini les exigences de durabilité en fonction de
l'environnement auquel sera soumis le béton durci. Cette classe détermine un E/Cmaximum et
une teneur en ciment Cminimum [kg/m3
de béton frais]. L'enrobage minimum des armatures est
aussi défini par cette classe.
" La classe de consistance: cette classe détermine l'ouvrabilité du mélange et influence donc la
teneur en eau.
" La dimension maximale du gros granulat: le choix du gros granulat sera fonction de la plus
petite dimension de l'élément à bétonner, de l'écartement entre armatures et de l'enrobage des
armatures.
La mise en place d'un béton frais:
" Les coffrages adaptés et le bon entretien de ceux-ci permettent une réalisation correcte et un
bon état de surface du béton.
" Les armatures doivent être situées à une distance minimale du coffrage appelée
"recouvrement".
" Après déversage du béton dans le coffrage, en respectant des règles et des normes NBN, il
faut faire l'opération de serrage c'est à dire extraire les bulles d'air par secousses.
" A 28 jours, le béton doit avoir atteint sa résistance nominale en compression déterminée par
la classe de résistance.
" Dans le cas de béton postcontraint, certaines précautions doivent être prises lors du
remplissage des gaines de câble de postcontrainte. Le coulis doit remplir toutes les cavités et
ainsi assurer la protection des câbles par rapport à la corrosion.
6.2.2. Les propriétés du béton après l'hydratation (béton durci)
" Résistance en compression: de 12 à 60 N/mm2
après 28 jours selon le type de ciment
employé (il existe des bétons dépassant 100 N/mm2
). Ce type d'essai se fait sur des cubes de
150 mm de coté.
" Résistance en traction: on peut estimer cette caractéristique comme étant le dixième de la
résistance en compression. Cela explique donc la présence nécessaire des armatures dans le
béton.
" Résistance au feu: certaines expériences mettent en évidence la résistance au feu du béton
pour des températures de l'ordre de 400 à 500 °C. Au-delà, il y a un risque d'éclatement de
certains constituants du béton tels que la chaux. Le béton résiste très bien au feu (3-4 heures)
grâce à un très faible coefficient de conductivité de la chaleur (certaines poutrelles d'acier
sont enrobées de béton servant uniquement de protection contre le feu et n'ayant aucun rôle
structurel).
" Rôle de protection: la couche d'enrobage des armatures doit empêcher les agents agressifs
(CO2, chlorures, humidité) d'atteindre les armatures en limitant la fissuration.
6.2.3. Les dégradations du béton
Il existe différents processus de dégradations dont voici une liste non exhaustive:

Dr. Gilles OLIVE 69
6.2.3.1. Les problèmes d'ordre physiques
" les problèmes au moment de la conception et de la réalisation de l'ouvrage: ceux-ci peuvent
conduire à des nids de graviers (mauvaise résistance locale), à des zones d'enrobage trop
faible (risque accru de corrosion), à des fissures dues à une surcharge, à des problèmes au
niveau de la dilatation en cours d'hydratation ou lors de l'exploitation de l'ouvrages. Ces
dégradations ne seront pas exposées par la suite mais elles peuvent être reprises dans les
différents sites.
" les problèmes liés à l'érosion par le vent, le sable, la pluie ou l'humidité. Il existe des cas de
corrosion des armatures, suite à ces différents paramètres, dans des pays équatoriaux.
6.2.3.2. Les problèmes d'ordre chimique liés à la composition du béton ou à son
environnement
Le phénomène de la carbonatation, la corrosion par les sels, les réactions sulfatiques, les réactions
alcali-granulats et les problèmes liés aux bactéries se développant dans le béton. Nous pourrons ensuite
déduire certaines conséquences de la réaction alcali-silice.
6.2.3.2.1. Le phénomène de la carbonatation
Le dioxyde de carbone attaque les ouvrages en béton lorsqu'il se transforme en H2CO3 en présence
d'eau. Cet acide réagit avec la chaux présente dans le ciment hydraté. Le produit de la réaction est alors
le CaCO3.
Pour avoir carbonatation, il faut donc de l'air, de l'eau et de la "chaux libre".
Les conséquences sont doubles:
" la chaux décomposée implique un diminution du pH, ce qui a des conséquences sur la tenue
des armatures. Cette attaque se produit sur quelques centimètres du béton. Au-delà, il n'y a
aucun signe d'attaque par le dioxyde du carbone.
" le produit de la réaction permet une imperméabilisation du béton. Cette seconde conséquence
est favorable car elle empêche l'absorption des autres éléments agressifs.
La présence de carbonatation peut être mise en évidence en appliquant un indicateur, la phénophtaléine
appelé couramment P.P. La présence de couleur bordeaux donnée par la P.P. signifie que le béton a un
pH supérieur à 9 ou 10.
6.2.3.2.2. La corrosion par le sel
La présence de sel tel que NaCl est fréquente à proximité des ouvrages en béton (par la présence des
sels de déverglaçage et/ou de l'environnement marin). Le risque de corrosion des aciers dépend du
rapport entre les concentrations des agents chlorures (Cl-
) et des ions hydroxydes (HO-
).
Ce type de corrosion est ponctuel: la zone anodique se situe localement et est entourée de zones
cathodiques. Le plus gros problème de ce type de corrosion est la régénération des ions chlorure au
cours de ce processus et donc le développement de la réaction. Les armatures peuvent voir leur section
fortement réduite par endroit et le danger de rupture soudaine est alors présent.

Dr. Gilles OLIVE 70
6.2.3.2.3. Les réactions sulfatiques
Les sulfates ( −2
4SO ) proviennent essentiellement du milieu extérieur et conduisent à la formation
d'éttringite secondaire. Celle-ci est partiellement expansive et provoque des dégradations au niveau de
la structure même du béton. Par opposition à l'éttringite primaire (provenant de l'aluminate tricalcique
(C3A) et du gypse (CaSO4.2H2O)) présente au cours de l'hydratation du ciment et qui peut gonfler
librement car elle se forme au moment de la phase de durcissement du béton, l'éttringite secondaire
augmente de volume dans une structure déjà durcie provoquant l'éclatement de la surface du béton.
6.2.3.2.4. Les réactions alcali-granulats
Parmi les trois réactions alcali-granulats, nous retrouvons la réaction alcali-silice comme étant la plus
répandue (R.A.S.). Les autres réactions alcali-granulats étant les réactions alcali-silicates et alcali-
carbonates.
6.2.3.2.5. La réaction alcali-silice
La réaction alcali-silice impose trois conditions: la présence d'alcalis dans le ciment, la présence de
silice en suffisance dans les granulats et la présence d'eau. Différentes théories existent à ce sujet mais
la plus répandue est celle en trois étapes de Poole:
1. les silices sont attaquées par les ions HO-
2. les ions Na+
, K+
attaquent les zones (SiO-
)
3. une partie des molécules SiONa ou SiOK se transforme suite à la présence d'ions Ca2+
.
Ces différentes réactions conduisent à la formation d'un gel silico-alcalin hydraulique (C-S-K-H ou C-
S-H). Ce gel est expansif en présence d'eau et il peut donc provoquer des éclatements du béton.
6.2.3.3. Les conséquences de la réaction alcali-silice
Fissurations dans les ouvrages tels que les ponts, les routes,... ces fissures sont en général dans le sens
de la contrainte et des armatures. Par contre, lorsqu'il n'y a pas de contraintes particulières, l'ouvrage
prend un aspect "faïencé".
Malheureusement, les fissures peuvent être à l'origine d'autres réactions de dégradation et peuvent
entraîner l'affaiblissement de la structure. Certains ouvrages ont du être démolis et reconstruits suite à
ce phénomène car la stabilité était menacée.

Dr. Gilles OLIVE 71
6.2.3.4. La recherche
Il n'existe actuellement aucun traitement, applicable en toute circonstance, permettant d'éviter la
démolition de l'ouvrage lorsque celui-ci présente des risques d'effondrement futur suite aux
dégradations par réaction alcali-silice. L'objet de cette recherche est de mettre sur pied un tel
traitement. La recherche consiste donc à trouver un traitement "curatif" car la manière d'éviter cette
réaction par la composition initiale du béton est quant à elle déjà bien connue.
6.3. Le plâtre6
A l'état naturel, on l'appelle gypse. C'est une roche tendre composée de sulfate de calcium cristallisé.
C'est une matière périssable, dont la formule chimique est: CaSO4.½ H2O.
Il est connu dès l'ancienne Egypte, où l'on en faisait des statues. Matière sans titre de noblesse, il reste
dans l'oubli jusqu'en 1770 où il réapparaît en France, d'où l'appellation ''plâtre de Paris''.
De son état naturel, le plâtre doit être transporté, concassé, tamisé, pulvérisé et chauffé. Ce chauffage
ou ''calcination '' fait disparaître les trois quart de l'eau chimique du plâtre. Le chauffage du plâtre le
laisse à court d'eau. Ce besoin d'eau appelé hydroscopie est la base du coulage.
On augmente la vitesse de prise en ajoutant du sel (maximum 5 %). On retarde en ajoutant de l'alcool
(maximum 5 %).
6.3.1. Les propriétés du plâtre
6.3.1.1. Homogénéité
S'il est bien préparé, il est homogène et ne pose pas de problème de densité. On peut facilement le
graver, le tourner ou passer la râpe.
6.3.1.2. Constance
Le même type de plâtre dans les mêmes quantités donne toujours le même résultat. Ceci assure une
qualité constante dans une production céramique.
6.3.1.3. Coefficient d'expansion
Le plâtre a un très bas coefficient d'expansion. Il y a peu de différence entre la cristallisation et l'état
solide. De plus, pour le même type de plâtre, son taux d'expansion est le même (0,002 pouce environ).
6.3.1.4. Autres caractéristiques
Le plâtre est très peu cher et facile à se procurer. Il faut toutefois prendre soin de s'approvisionner en
plâtre frais, et de l'entreposer dans un endroit sec. Si le plancher est en béton, on prendra soin de ne pas
le mettre directement en contact avec le plancher. On entreposera le plâtre à 4'' du plancher et à 18'' des

Dr. Gilles OLIVE 72
murs extérieurs. Il y a plusieurs types de plâtre: ils diffèrent par leur temps de prise, leur dureté, leur
force, leur finesse, leur surface, leur possibilité à être travaillé et l'eau requise.
6.3.1.5. Temps de prise et période de plasticité
Le temps de prise est le temps entre l'addition de l'eau et la prise (20 à 35 minutes).
La période de plasticité est la période durant laquelle le plâtre peut encore être travaillé avec les mains,
10 minutes environ. La période de plasticité est un bon moyen de reconnaître les types de plâtre.
Le temps de prise et la période de plasticité diffèrent selon la quantité d'eau de gâchage.
6.3.2. Quantité plâtre-eau
On peut faire un plâtre, soit en pesant ou en mesurant les quantités de plâtre et d'eau, soit à l'œil.
Cependant, cette deuxième méthode n'assure pas de constance à une production.
6.3.2.1. A l'œil
On peut faire:
Un plâtre tendre en saupoudrant le plâtre jusqu'à environ 1/2 pouce de la surface (coques < ramasse
l'eau car il est très poreux >).
Un plâtre moyen en saupoudrant jusqu'au miroir, à égalité de l'eau et du plâtre (moules, coulage).
Un plâtre moyen-dur en saupoudrant jusqu'à avoir un miroir presque mât (rondeaux).
Un plâtre dur en saupoudrant par-dessus le miroir (modèles et mères de moule).
6.3.2.2. En mesurant
Si l'on mesure un plâtre au poids, il est de mise de l'exprimer sur une quantité 100 de plâtre.
Exemple: 2 kilogrammes d'eau pour trois kilogrammes de plâtre ou une quantité 67 d'eau pour 100 de
plâtre.
On écrit seulement le chiffre 67 qui est le numéro de consistance.
Plus le chiffre est élevé, plus le plâtre est fluide. Plus il y a d'eau, plus la densité est réduite, plus le
temps de prise est long et plus le plâtre est faible.
La propriété de base de n'importe quel plâtre est la quantité de plâtre et d'eau requise pour donner une
fluidité standard.
" 94-77 = plâtre tendre à moyen
" 65-85 = plâtre moyen
" 76 à 59 = plâtre moyen à dur
" Moins de 58 est un plâtre dur à extra-dur
" La quantité 67 est un mélange standard, bon et ferme pour modèle et moule

Dr. Gilles OLIVE 73
CHAPITRE 7: LES MATIÈRES PLASTIQUES
7.1. Définition
Les polymères sont constitués à partir d'une ou plusieurs molécules de bases appelés monomères.
Polymérisation: réaction qui se produit entre les monomères.
Il y a deux grand type de réaction:
7.1.1. Réaction d'addition
Polymère d'addition: ils sont obtenus par addition de monomères à même groupe fonctionnel sans
élimination d'atomes ou de groupes d'atomes.
Les catalyseurs ou initiateurs de ces réactions de polyaddition sont soit cationiques (acides), soit
anioniques (bases), soit radicalaires (peroxydes), soit non ionique (par des complexes)z
.
Exemple: H2C CH2 H2C CH2 polyéthylène (composé intéressant)
Quelques polymères de la vie courante:
Monomère Structure Polymère Utilisation
Ethylène H2C CH2 Polyéthylène Sac, bouteille
Chloroéthylène ou
chlorure de vinyle
H2C CHCl Polychlorure de vinyle
(PVC)
Tuyaux, bouteille (avant
les bouteilles en PET)
Tétrafluoroéthylène F2C CF2 Téflon Poêle
Phényléthylène ou
styrène
Polystyrène Emballage
Méthacrylate de méthyle
H2C C
C
O
OCH3
CH3
Plexiglas Latte
7.1.2. Réaction de condensation
(Réaction au cours de laquelle il y a libération d'une molécule d'eau.)
Les polymères de condensation sont obtenus par polymérisation de centre réactif différents et avec
élimination de molécules (volatiles). Ces réactions font intervenir soit deux molécules différentes
ayant deux fois la même fonction, soit une seule molécule portant les deux fonctions.
Nous allons voir quelques-unes une des grandes familles.
z
Ces réactions sont décrites plus en détails à l'annexe 8.10 page 131.

Dr. Gilles OLIVE 74
7.1.2.1. Polyester
C'est la réaction entre un diol et un diacide avec élimination d'eau.
" La synthèse du PET (polyéthylène téréphtalate) s'effectue entre le glycol et l'acide
téréphtalique.
HO-CH2-CH2-OH HO C
O
C
O
OH
- H2O
C
O
C
O
O CH2 CH2 O C
O
C
O
O CH2 CH2 O C
O
C
O
Le produit obtenu PET (polyéthylène téréphtalate) sert à fabriquer une fibre textile (Tergal - Dacron)
ou un film (Mylar) ; des bouteilles (pour eau minérale) en remplacement du PVC.
Propriétés du Tergal (thermoplastique): - Solidité à l'usure et au déchirement.
- Possibilités des plis permanents
" La laque glycérophtalique est un polyester de glycérol (triol) et d'acide orthophtalique.
7.1.2.2. Polyamideaa
C'est la réaction entre une amine et un acide avec là aussi élimination d'eau.
Soit on fait réagir un diacide avec une diamine, soit on fait réagir un amino-acide.
" Exemple: Nylon 6,6
On utilise l'acide adipique (HOOC-(CH2)4-COOH) et l'hexaméthylène diamine (H2N-(CH2)6-NH2)
pour former du Nylon 6,6. Cette synthèse fut mise au point par Carothers en 1935 et exploité
industriellement par Dupont de Nemour en 1938.
HOOC-(CH2)4-COOH + H2N-(CH2)6-NH2
H2N (CH2)6 NH C
O
(CH2)4 C
O
NH (CH2)6 NH C
O
(CH2)4 C
O
OH
Les deux monomères sont bifonctionnels et il y a formation d'un polymère linéaire et libération d'une
molécule d'eau.
Propriétés du Nylon 6,6: - Solidité à la traction et aux frottements.
- Infeutrable.
- Irrétrécissable.
- Détachabilité.
aa
Dans les protéines, la fonction amide lie les acides aminés entre eux.

Dr. Gilles OLIVE 75
" Exemple: Nylon 6 ou Perlon
On utilise ici un seul monomère bifonctionnel, l'acide 6-aminohexanoïque, obtenu via le réarrangement
de Beckman de l'hexano-6-lactame. Cette synthèse fut mise au point par Sclack en 1938.
H2N (CH2)5 C NH (CH2)5 C NH (CH2)5 C OH
O
+ NH2OH NH
O
H2N (CH2)5 COOH
H2O
- H2O
O O O
" Autres exemples: quelques aramides de Dupont de Nemour
NH C
O
C
O
NH
n n
NH C C
OO
NH
Kevlar Nomex (fibre résistante au feu)
" Exemple: Polyamide 11 (Rilsan)
Fabriquer à partir de l'huile de ricin il a pour formule:
(CH2)10 N
H
C
O n
HO
C
O
(CH2)10 NH2
Propriétés du Rilsan: - Mêmes propriétés que le Nylon.
- Très grande légèreté.
- Toucher doux et souple.
7.1.2.3. Résines à base de formol
Etant en Belgique, on ne peut passer sous silence la Bakélite (mise au point par Léo Baekeland en
1909).
OH
+ H2C O
CH2
CH2
OH
CH2
CH2
HO OH
CH2
CH2
OH
OH OH

Dr. Gilles OLIVE 76
7.2. Classification des différents polymères
Il existe diverses classifications.
7.2.1. Classement lié à la structure
7.2.1.1. Polymères linéaires
Au niveau de la solubilité, il y a d'abord gonflement puis solubilité à une certaine température pour les
polymères linéaires.
7.2.1.1.1. Homopolymères
Enchaînement linéaire du même monomère: -A-A-A-A-A-A-A-
Bien que ces polymères soient relativement simples, dés qu'il y a des substituants sur la double liaison,
plusieurs possibilités de position pour les substituants existent: on parle alors de tacticité.
La tacticité est la position que vont prendre les substituants le long de la chaîne carbonnée. Ces
substituants peuvent être n'importe quoi tel que benzène, méthyl, etc.
Pour la détermination de la tacticité, tous les carbones de la chaîne sont mis dans un plan. Si tous les
groupes substituants sont tous devant ou derrière le plan, le polymère sera appelé isotactique (Figure
7A) (Selon Natta7, l'isotacticité est définit pour deux monomères pour lesquels les carbones
asymétriques (CH) ont la même configuration). Si par contre tous les substituants sont liés
alternativement devant et derrière le plan (ou vice versa), la configuration du polymère est dite
syndiotactique (Figure 7B) (Pour Natta7, syndiotactique définit des carbones asymétriques adjacents
qui ont une configuration opposée). Là où les substituants sont disposés aléatoirement devant et
derrière la chaîne carbonée, le polymère est nommé atactique (Figure 7C).
R R R RH H H H
R
H
R
H
R
H
R
H
A
R H R HH R H R
R
H
H
R
R
H
H
R
B
R R R HH H H R
R
H
R
H
R
H
H
R
C
Figure 7 - Différentes tacticités des polymères vinyliques

Dr. Gilles OLIVE 77
REMARQUES:
" Certains auteurs, tel que Listner8-10 ou Busfield11 utilise un vieux terme à la place d'atactique: c'est
hétérotactique. Listner est seul à utiliser le mot randiotactique définit comme étant une combinaison
macromoléculaire d'isotactique, syndiotactique et hétérotactique de polypropylène de courte longueur
qui est complètement soluble dans l'éther bouillant8-10 (caractéristique des chaînes atactiques12) ou
dans des solvants aliphatiques (comme l'heptane) à température ambiante13.
" De temps en temps, les polymères iso- et syndiotactiques sont appelés polymères stéréoréguliers..
" Même si les carbones substitués de la chaîne principale non pas nécessairement quatre substituants
différents (par rapport à la fin de chaîne), il est important de les qualifier comme centres asymétriques
(au sens de la chimie organique) par conséquence ils sont nommés "pseudoasymétriques".
" Il existe deux méthodes pour déterminer la tacticité du polypropylène: la RMN (1
H et 13
C) et la
spectroscopie infrarouge. L'attribution complète en RMN du carbone vient d'être décrite par
Busico14, tandis que la détermination en proton a été faite par Stehling and Knox en 197515. En
utilisant les bandes à 1167, 998, 973 et 841 cm-1
, il est possible de calculer le pourcentage
d'isotacticité du polypropylène16.
QUELQUES PROPRIÉTÉS DUES À LA TACTICITÉ:
" Polymères atactiques: % non ordonnées
% bonne solubilité
% température de fusion basse
% faible charge à la rupture
" Polymères isotactiques: % faible solubilité
% température de fusion élevée
% charge à la rupture plus grande
7.2.1.1.2. Copolymères
Réaction de polymérisation avec des monomères différents:
1. copolymères alternés: -A-B-A-B-A-B-A-B-
2. copolymères séquencés: -A-A-A-A-B-B-B-B-
3. copolymères statistiques: aléatoire (-A-B-B-B-A-A-)
Pendant la guerre de 1939 à 1945, on a utilisé le copolymère butadiène/styrène comme caoutchouc
synthétique.
7.2.1.2. Polymères ramifiés
" Au sein d'un polymère, il y a quelques grandes chaînes et plein de petites chaînes latérales.
Voici les ramifications les plus courantes:

Dr. Gilles OLIVE 78
" Ces polymères ont d'autres propriétés physiques et chimiques que les linéaires.
Notamment, ils ont des propriétés rhéologiques intéressantes au niveau de l'écoulement.
Comment sont-ils formés ?
Par arrachement d'un proton par le polymère en croissance sur la chaîne pour donner un nouveau
radical, comme décrit ci-dessous:
H
H2C H2C
H
H3C
CH2
CH2
H2C CH2
Etc.
On doit à ce niveau du cours parler de deux caractéristiques importantes des polymères:
" En premier lieu, de la masse molaire. Les polyméristes en définissent deux:
• la masse molaire en nombre définit par
∑
∑
=
i
i
ii
N
N
MN
M
• la masse molaire en poids définit par
∑
∑
=
ii
i
2
ii
P
MN
MN
M
• la masse molaire viscosimétrique MV.
• Un exemple: soit le polymère AAABB avec MA = 2 et MB = 4, alors
5
14
23
2x43x2
MN =
+
+
=
" Ensuite l'indice de polydispersité,
N
P
P
M
M
I = . Cet indice donne une idée de l'homogénéité du
milieu. Si IP est égal à 1 on dit que le milieu est homogène et plus IP est différent de 1, plus le

Dr. Gilles OLIVE 79
milieu est hétérogène. Cela donne aussi l'idée des différentes longueurs de chaîne obtenues
lors de la polymérisation.
7.2.1.3. Polymères à cycles dans la chaîne
" Ils sont très très rigides et résistent très bien à très haute température.
" Dans certains cas, ils sont trop rigides ; on sépare alors les cycles par des chaînes que l'on
nomme des chaînes charnières.
7.2.1.4. Polymères tridimensionnels
Au niveau de la solubilité, il y a d'abord gonflement puis solubilité partielle ; il y a donc gélification
(insoluble et infusible).
7.2.2. Classement lié à certaines propriétés
7.2.2.1. Thermoplastiques
" Les thermoplastiques sont dérivés de polymères linéaires ou légèrement ramifiés.
" Ce sont des polymères à longues chaînes essentiellement, les chaînes s'entremêlent.
" Si la température augmente, l'entremêlement diminue et la mise en œuvre est facilitée.
" A très haute température, ils fondent et passe à l'état liquide.
" Allongement %: 100-500
Polymère thermoplastique: ramollit sous l'action de la chaleur et fond lorsqu'on le chauffe
progressivement ; sa transformation est généralement réversible.
Exemples: PVC, polyéthylène (basse et haute densité), polypropylène, polystyrène.
Ceci explique pourquoi les macromolécules linéaires sont longues, et donc plus l'importance des
liaisons intermoléculaires est élevée, plus l'intervalle de ramollissement est large.

Dr. Gilles OLIVE 80
7.2.2.2. Thermodurcissables
" Longues chaînes pontées ; avec véritables liaisons chimiques.
" Impossible de les faire couler après chauffage.
" A très haute température, ils cassent.
" Allongement %: 10
Polymère thermodurcissable: semble résister à la chaleur, sa forme ne peut être modifiée par
chauffage, il carbonise sans ramollir ; sa transformation est irréversible.
Exemples: polyuréthanne, polysiloxane (silicone).
7.2.2.3. Elastomères
" Ressemblent très fort aux thermodurcissables.
" Très élastiques: élasticité caoutchouteuse.
" Allongement %: ≥ 500
Exemples: caoutchouc naturel, néoprène (polychloroprène).
7.2.3. Classement lié à la morphologie
7.2.3.1. Polymères amorphes
Il n'y a pas d'ordre à grande distance: l'organisation se rapproche très fort de celle des liquides.
Matière plastique amorphe17

Dr. Gilles OLIVE 81
7.2.3.2. Polymères semi-cristallins
Une partie du polymère est fortement organisée grâce au interaction de Van der Waals entre les
chaînes.
iso- or
syndiotactic
part
atactic
part
Matière plastique partiellement cristalline17
On définit le taux de cristallinité comme étant la fraction molaire des unités de monomères qui sont
présents dans la phase cristalline.
monomèredutotalnombre
ecristallinphaseladansmonomèredenombre
itécristallin
X =
A cause de la symétrie dans les polymères isotactique et syndiotactique, les polymères ont tendance à
cristalliser: ils sont donc appelés polymère cristallin. Dans le cas où le polymère n'est pas totalement
syndio ou isotactique, comme par exemple le polypropylène, seulement cette dernière partie cristallise
et le polymère est appelé semi-cristallin. D'un autre côté, un pur polymère atactique est un polymère
élastique et est nommé polymère amorphe18.
Le pourcentage de cristallinité peut être déterminé en utilisant l'équation suivante19 dans le cas du
polypropylène:
100x
H
H
ityCrystallin%
f
*f
°∆
∆
=
*fH∆ : Heat of fusion of 100 % crystalline PP (50 cal.g-1
(Ref 19); 259 J.g-1
(Ref 20))
°∆ fH : Heat of fusion of graft copolymer
Il est à noter que l'équation d'Avrami peut aussi donner une idée de la cristallinité21 ; son concept est
basé sur le temps de demi cristallisation calculé par la chaleur de fusion.

Dr. Gilles OLIVE 82
7.2.3.3. Polymères à deux phases amorphes
Souvent il y a une phase de type caoutchoutique en présence d'une phase thermoplastique. Cela permet
d'avoir des polymères qui ont tout à fait les propriétés qu'on désire qu'ils présentent, avec la facilité de
la mise en œuvre.
Remarque:
Dans les élastomères, on a un comportement intermédiaire entre le comportement d'un polymère
amorphe et le comportement d'un polymère semi-cristallin.
7.3. Transition de phase au niveau des polymères
Il y a deux types de transition.
7.3.1. Transition vitreuse
C'est la transition la plus importante dans les polymères linéaires amorphes et dans la phase amorphe
des polymères semi-cristallins.
Cela correspond au passage d'un état vitreuxbb
vers un état caoutchouteux ; elle est notée Tg.
Température de transition vitreuse: température à laquelle un polymère passe d'un état dur et fragile à un état mou et
souple.
Température de transition vitreuse: température pour laquelle un polymère à des propriétés plastiques.
Voici la température de transition vitreuse de quelques polymères courants:
Polymères Tg (°C) Polymères Tg (°C)
CH2 CH
Cl
75
NH(CH2)6NH C
O
(CH2)4 C
O
50
CH2 CH
CO2CH3
0
O(CH2)2O C
O
(CH2)4 C
O
- 70
CH2 C CH
CH3
CH2Cis
- 72 O(CH2)2O C
O
C
O
80
CH2 C CH
CH3
CH2Trans
- 53 Si O
CH3
CH3
- 123
7.3.2. Fusion
Elle, par contre, se fait dans les polymères semi-cristallins.
bb
Se dit d'un solide homogène à structure non cristalline.

Dr. Gilles OLIVE 83
7.3.3. Remarques et explications
Par contre, dans les polymères tridimensionnels (avec des ponts), il existe très peu de transition car les
ponts empêchent les mouvements.
A chaque transition, on augmente les mouvements au sein d'une molécule, essentiellement la rotation.
Pour rappel, il existe trois types de mouvements: translation, vibration et rotation.
Dans notre cas, il existe plusieurs rotation possible:
1. des chaînes latérales
2. de courts segments de chaîne (c'est-à-dire de quelques monomères)
3. cordonnée sur des longs segments de chaînes (c'est-à-dire plusieurs dizaines de
monomères)
4. d'une chaîne par rapport à une autre.
La transition vitreuse correspond à la transition de 2. vers 3.
La seule transition qu'on ne peut pas observer est la transition 3. vers 4. lorsqu'on est en présence de
polymères tridimensionnels.
Ces transitions sont importantes, et en augmentant la température on augmente le nombre de rotation.
Les polymères ont des températures de fusion et de transition vitreuse.
7.4. Les adjuvants
Ce sont des produits en général organiques que l'on ajoute aux polymères pour améliorer une des
propriétés physiques, chimiques ou mécaniques.
Les polyoléfines contiennent en moyenne 1 à 2 % d'additifs et le PVC en contient en moyenne 10 %.
7.4.1. Plastifiants
Ce sont des solvants lourds à haute masse moléculaire qui vont partiellement réduire les interactions
entre les chaînes et transformer le matériau initialement rigide en matériau plus flexible.
Un plastifiant ne doit pas être extrait de la masse du polymère par volatilité (perte de souplesse,
fragilisation). Sa tension de vapeur doit être la plus faible possible.
On en met par exemple dans le PVC.
Exemples de plastifiants pour le PVC: les plastifiants utilisés sont principalement des esters d'acides organiques. 90 % des
plastifiants sont des phtalates (di-2-éthyl-hexylphtalate, dioctylphtalate ou dibutylphtalate). On trouve aussi les adipates
correspondants.
Exemple: phtalates, phosphates, adipates, sébacates, stéarates

Dr. Gilles OLIVE 84
7.4.2. Stabilisants
Ils vont retarder ou ralentir la dégradation du polymère, dégradation qui peut se produire lors de la
mise en œuvre ou lors de l'utilisation.
Une des fonctions essentielle des additifs est de freiner l'oxydation des polymères qui provoque un
jaunissement, une perte de transparence éventuelle, l'apparition de craquelures en surface et qui joue
sur les propriétés mécaniques en diminuant la flexibilité éventuelle, la résistance à la traction. Cette
oxydation est accélérée par la température et les UV. Les additifs vont donc piéger les radicaux en
réagissant avec eux et/ou en absorbant l'énergie UV.
7.4.2.1. Anti-oxygènes
Il sert à limiter l'oxydation de la matière plastique. Souvent utilisés pour le polyéthylène, le
polypropylène dans le cas des thermoplastiques.
Exemple: amines aromatiques, dérivés phénoliques
7.4.2.2. Thermiques
Souvent utilisés pour le PVC afin d'éviter un risque de dégagement d'acide chlorhydrique et donc un
changement de couleur dû à ce dégagement.
Exemple: Stéarates, huile de soja époxydée, les dérivés thioglycoliques de l'étain confèrent la stabilité à la chaleur
7.4.2.3. Lumières
On mettra par exemple des absorbeurs de rayonnement ultraviolet.
Une famille important d'additifs, les "Hals" (Hindered Amines Light Stabilizers) empêche l'action des
radicaux:
Tinuvin 770 et Chimassorb 944 (CIBA): stabilisation UV des pare-chocs.

Dr. Gilles OLIVE 85
Irganox L135 (stabilisant des polyuréthanes) et Irgafos 38 (stabilisation du polypropylène).
Exemple: Sels de plomb, de Ba, Ca, Sn, et les mercapto-étains la stabilité à la lumière
7.4.3. Colorants et Pigmentscc
Ils servent à colorer et ils doivent être stables.
Les colorants étant organiques, donc solubles feront une coloration en masse, alors que les pigments
qui sont insolubles feront une coloration en surface ou bien dispersé dans le polymère (ce qui revient à
une coloration en masse).
En général les pigments sont plus stables et on les utilise dans le cas des très hautes températures.
Exemple de pigments: noir de carbone, oxyde de titane.
7.4.4. Anti-chocs
Polymère ou copolymère que l'on met dans le polymère de base pour former une matière plastique à
plusieurs phases. Cela permet notamment d'augmenter la résistance aux chocs.
On en met aussi dans le PVC.
7.4.5. Antistatiques
Ils limitent l'accumulation de charges à la surface d'un polymère car il y a des poussières qui viennent
se fixer et il y a un risque d'étincelles.
7.4.6. Ignifugeants
Molécules que l'on ajoute pour limiter l'amorçage ou la propagation dans la combustion. Se sont
généralement des molécules organiques avec beaucoup d'atomes de brome.22-24
cc
Colorant: produits organiques essentiellement, en principe soluble.
Pigments: composés minéraux, insoluble (en suspension).

Dr. Gilles OLIVE 86
7.4.7. Lubrifiants
On les met pour faciliter la mise en œuvre et notamment le démoulage.
7.4.8. Charges
On en utilise pour diminuer le prix de revient (exemple: papier déchiqueté, craie, farine de bois) ou
bien pour apporter une propriété particulière:
" tenue à la chaleur (exemple kaolin, mica, silice)
" tenue aux chocs et à l'abrasion (cellulose, coton)
" résistance chimique (farine de bois, graphite)
7.5. Principales caractéristiques des polymères courants25
Type de polymère
Caractéristiques
Pebd Pehd PET PVC PP PS PSE
Aspect
Brillance X CRIS
Opacité X CPET CHOC
Transparence X APET X X CRIS
Barrière UV X X
Caractéristiques mécaniques
Ductibilité X
Flexibilité X
Malléabilité X X X X X
Rigidité X X CRIS
Sécable X CHOC
Souplesse X
Légèreté X X X
Inertie chimique X X X X X
Isolation
Électrique, thermique, phonique X
Thermique X
Résistance
Abrasion X X
Chocs X X X CHOC
Pression X X
Température X X
Température élevée X
Traction X
Vieillissement X
APET = PET amorphe CPET = PET cristallisé CRIS = cristallin CHOC = très résistant
7.6. Quelques polymères historiques17

Dr. Gilles OLIVE 87
En
production
depuis
Pays
d'origine
Nom de la
matière
plastique
Produit(s) de
départ pour la
synthèse
Présentation
habituelle
Thermoplastique /
Thermodurcissable
/ Elastomère
Exemples
d'applications
1859 GB Fibre vulcanisée Hydrocellulose Demi-produit Thermodurcissable Valises, joints
1869 USA Celluloïd
Nitrocellulose,
camphre
Demi-produit Thermoplastique
Balles de tennis
de table, parures
pour cheveux
1904 D Galalithe Caséine Demi-produit Thermodurcissable Boutons, boucles
1909/1923 USA, D/A
Phénoplastes/
Aminoplastes
Phénol, crésol,
formaldéhyde,
partiellement
chargés/Urée,
mélanine,
formaldéhyde,
partiellement
chargés
Poudre, granulés Thermodurcissable
Pièces
électrotechniques,
cendriers
d'automobiles

Dr. Gilles OLIVE 88
En
production
depuis
Pays
d'origine
Nom de la
matière
plastique
Produit(s) de
départ pour la
synthèse
Présentation
habituelle
Thermoplastique /
Thermodurcissable
/ Elastomère
Exemples
d'applications
1930 D
Polystyrène
Benzène, éthylène Granulés Thermoplastique
Emballages,
jouets, matériaux
cellulaires
1933 D Verre acrylique
Méthacrylate de
méthyle
Granulés, demi-
produit
Thermoplastique
Catadioptres,
coupoles
transparentes,
vitres incassables,
panneaux
lumineux pour
publicité et
signalisation
1938 D
Chlorure de
polyvinyle
Ethylène, chlore Poudre, granulés Thermoplastique
Disques
phonographiques,
châssis de
fenêtres,
revêtements
1938 D Polyamide
Aminoacides,
diacides, diamines
Granulés Thermoplastique
Marguerites de
machines à écrire,
roues dentées,
boulons, tubulures
de freins
d'automobiles

Dr. Gilles OLIVE 89
En
production
depuis
Pays
d'origine
Nom de la
matière
plastique
Produit(s) de
départ pour la
synthèse
Présentation
habituelle
Thermoplastique /
Thermodurcissable
/ Elastomère
Exemples
d'applications
1939 GB
Polyéthylène
basse densité
Ethylène Granulés Thermoplastique
Films, corps
creux
1940 D Polyuréthanne
Isocyanates,
polyols
Liquides
Thermodurcissable/
Thermoplastique/
Elastomère
Articles de sport,
meubles, matelas,
isolation
thermique, châssis
de fenêtres
1941 USA
Polytétra-
fluoréthylène
Tétrafluoréthylène Poudre Thermoplastique
Revêtements
stables à la
chaleur, isolation
électrique
1941 USA
Polyesters non
saturés
Diacides, diols ou
polyols
Liquide en
solution dans le
styrène
Thermodurcissable
Après
renforcement à la
fibre de verre:
boîtes aux lettres,
réservoirs,
cabines
téléphoniques,
pièces coulées,
vitrification de
sols

Dr. Gilles OLIVE 90
En
production
depuis
Pays
d'origine
Nom de la
matière
plastique
Produit(s) de
départ pour la
synthèse
Présentation
habituelle
Thermoplastique /
Thermodurcissable
/ Elastomère
Exemples
d'applications
1943 USA Silicones
Silicium, chlorure
de méthyle
Huiles, résines,
pâtes
Thermoplastique/Ela
stomère
Moules de coulée,
masses
d'étanchéité,
câbles, joints,
agents
d'imprégnation
1946 CH Résines époxydes
Epichlorhydrine,
diphénylol-propane
Résine liquide +
durcisseur
Thermodurcissable
Après
renforcement à la
fibre de verre:
articles de sport,
construction
aéronautique et
navale, pièces
coulées
1955 D
Polyéthylène
haute densité
Ethylène Granulés Thermoplastique
Corps creux,
casiers à
bouteilles, tuyaux
à pression
1956 D Polycarbonate Bisphénol A Granulés Thermoplastique
Vitres
incassables,
visières de
casques intégraux,
habillages de
machines de
bureau et
d'appareils
électroménagers,
panneaux de
signalisation

Dr. Gilles OLIVE 91
En
production
depuis
Pays
d'origine
Nom de la
matière
plastique
Produit(s) de
départ pour la
synthèse
Présentation
habituelle
Thermoplastique /
Thermodurcissable
/ Elastomère
Exemples
d'applications
1957 D Polypropylène Propylène Granulés Thermoplastique
Bacs de batteries,
tuyaux, corps
creux, articles
ménagers et
médicaux
1958 USA Polyacétal Formaldéhyde Granulés Thermoplastique
Roues dentées,
pièces techniques
pour: machines de
bureau, appareils
électroménagers,
téléphones,
radios,
électrophones,
téléviseurs

Dr. Gilles OLIVE 92
7.7. Quelques utilisations de polymères courants26
Nom du polymère Numéro d'identification Usages
Polyéthylène basse densité 4
" couvertures de piscines
" feuilles pour serres
" films d'emballage
" sacs à glaçon
" sacs poubelles
" flacons souples
" couches internes de briques de lait,
jus de fruits, ...
Polyéthylène haute densité
Par rapport aux PEBD, les matériaux au
PEHD ont une rigidité, une résistance
mécanique et un point de fusion supérieurs,
mais ils présentent une résistance plus
faible à la fissuration provoquée par
l'environnement.
2
" flacons plus ou moins rigides
" poubelles
" tuyaux
" seaux
" jerricans
" casiers de manutention
" récipients Tupperware
" réservoirs à essence
" bouteilles
" sachets cuiseurs pour riz, pâtes
Polypropylène 5
" récipients pour margarine
" meubles de jardin
" emballages pour gâteaux
" fibres pour certains tapis de sol
" classeurs
" valisettes
" boîtes de stockage
" conduits d'aération
" pare-chocs
Polyisobutène 7 (autre)
" chambres à air
" composants de cires synthétiques
" support de rubans adhésifs
Poluchlorure de vinyle, PVC 3
" barquettes alimentaires
" bouteilles
" cartes de crédit
" châssis et portes
" tuyaux
" ustensiles de ménage
" jouets
" gouttières
" clôtures
Polystyrène 6
" gobelets
" boîtiers de radio, de magnétophones
" pare-douche
" isolation thermique et phonique
(polystyrène expansé PSE ou frigolite)
" tableaux de bord de voiture
Polytétrafluoroéthylène, Téflon,
PTFE
7 (autre)
" isolants électriques
" revêtements d'ustensiles de ménage
(exemple poêles)
" joints de plomberie
" garnitures de pompe
" récipients de laboratoire pour
liquides corrosifs

Dr. Gilles OLIVE 94
GAMME TYPE DES PROPRIÉTÉS DES THERMOPLASTIQUES DU COMMERCE (SANS CHARGE ET SANS RENFORCEMENT)
(From Guide to Plastics, by the Editors of Modern Plastics Encyclopedia, McGraw-Hill, Inc., New York, 1970.)
Nom du
Thermoplastique
Résistance à la
traction (lb/po²)
(ASTM D-638)
Allongement
(%)
(ASTM D-638)
Module de
traction (105
/po²)
(ASTM D-638)
Résistance à la
compression (lb/po²)
(ASTM D-695)
Résistance à la limite
élastique en flexion
(lb/po²) (STM D-790)
Dureté**
Polyéthylène
basse densité 600-3500 50-800 0,14-0,55 - 4800-7000 41-60 (Shore D) R10-R15
haute densité 3100-5500 20-1000 0,6-1,8 2200-3600 - 60-70 (Shore D)
Polypropylène 4300-5500 200-700 1,60-2,25 5500-8000 6000-8000 R85-R11
Poly(chlorure de
vinyle) rigide
5000-9000 2-40 3,5-6,0 8000-13000 10000-16000 65-85 (Shore D)***
Poly(chlorure de
vinyle) souple
1500-3500 200-450 - 900-1700 - 50-100 (Shore A)***
Polystyrène*
5000-12000 1-2,5 4,0-6,0 11500-16000 8700-14000 M65-M80
Poly(méthacrylate
de méthyle)
7000-12500 2-10 3,5-4,8 11000-21000 12000-19000 M61-M105
Nylon 6,6 9000-12000 60-300 1,75-4,15 6700-12500 No break R108-R120
Acétate de
cellulose
1900-900 6-70 0,7-6,0 2000-36000 2000-16000 R34-R125
*
Type de général et résistant aux températures élevées
**
Les chiffres précédés de M ou de R (symboles de l'échelle de dureté) représentent les valeurs obtenues au moyen de duromètre Rockwell (ASTM D-
785)
***
Les lettres A et D désignent le type de duromètre Shore (ASTM D-2240)
lb: livre (masse) 1 lb = 0,45359237 kg
po (ou in): pouce 1 po = 25,4 mm
lb/po2
: livre par pouce carré (masse surfacique) 1 lb/po2
= 703,0696 kg/m2
lbf/po2
: livre force par pouce carré (psi) (pression contrainte) 1 lbf/po2
= 6,898757 103
Pa
lb.po2
: livre - pouce carré (moment d'inertie)) 1 lb.po2
= 2,9264 kg.cm2
32)(θ
9
5
θ FC −= °°

Dr. Gilles OLIVE 95
PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES GÉNÉRALES DES THERMOPLASTIQUES DU COMMERCE (SANS CHARGE ET SANS RENFORCEMENT)
(From Guide to Plastics, by the Editors of Modern Plastics Encyclopedia, McGraw-Hill, Inc., New York, 1970.)
Nom du
Thermoplastique
Vitesse de
combustion
(Inflammabilité),
(po/min)
(ASTM D-635)
Temp. de
fléchissement
(°F à 264 lb.po²)
(ASTM D-648)
Coefficient de
dilatation
thermique 10-5
/°F
(ASTM D-696)
Absorption d'eau en
24 h (%)
(ASTM D-570)
Effet des solvants
organiques (STM D-790)
Effet de la lumière solaire
(vieillissement)
Polyéthylène
basse densité
Très lent
(1,00-1,04)
90-120 5,6-11,1 < 0,02
Résistant (au-dessous de
140 °F)
Stabilisation nécessaire
Types résistants aux
intempéries, disponibles en
toutes couleurs
haute densité
Très lent
(1,00-1,04)
110-130 6,1-7,2 < 0,01
176 °F)
Polypropylène Lent 125-140 3,2-5,7 < 0,01
176 °F)
Poly(chlorure de
vinyle) rigide* Auto-extinguible - 2,8-10,3 0,15-0,75
Se dissout ou subit un
gonflement dans les
cétones et les esters
-
Poly(chlorure de
vinyle) souple*
Lent à auto-
extinguible
- 3,9-13,9 0,15-0,75
Se dissout ou subit un
gonflement dans les
cétones et esters
-
Polystyrène**
Lent 220 max 3,3-4,4 0,03-0,01
Soluble dans les
hydrocarbures
aromatiques et chlorés
Jaunissement et fendillement
Poly(méthacrylate
de méthyle)
Incombustible à
lent (0,6-1,3)
155-215 2,8-5,0 0,1-0,4
Soluble dans les cétones,
les esters, les
hydrocarbures
aromatiques et chlorés
Aucun
Nylon 6,6 Auto-extinguible 150-220 4,4 1,5
Résistant aux solvants
ordinaires
Se décolore légèrement
Acétate de
cellulose
Lent à auto-
extinguible
111-195 4,4-10,0 1,7-7,0
Soluble dans la plupart
des solvants ordinaires
Faible
*
Plastiques à base de poly(chlorure de vinyle) homopolymère et de copolymère dérivé de chlorure de vinyle et d'acétate de vinyle
**
Types d'usage général et résistants aux températures élevées

Dr. Gilles OLIVE 96
7.8. Les caoutchoucs27
La production mondiale, qui était de 200 000 tonnes en 1915, atteignait 1 500 000 tonnes en 1940.
La France développa la culture de l'hévéa en Indochine. En 1930, la production couvrait le l/5e
de notre consommation. En 1940, elle est
arrivée à satisfaire nos besoins avec une production qui dépassait les 100 000 tonnes. Aujourd'hui, les pays producteurs de caoutchouc
naturel sont essentiellement: la Malaisie, l'Indonésie et, dans une moindre mesure, la Guinée.
La France parvenait ainsi, grâce à l'Indochine, à couvrir ses besoins. C'est peut-être pour cela qu'elle n'a pas développé des recherches sur
les caoutchoucs synthétiques et qu'elle doit faire appel, aujourd'hui, à des firmes étrangères essentiellement implantées aux États-Unis
(Dupont de Nemours, Dow-Corning, Schell.) et à l'Allemagne (Bayer).
On peut le regretter car comme on l'a vu précédemment, ce sont les Français, la famille Bouchardat, qui firent la synthèse de l'isoprène et
sa polymérisation. Le Royaume-Uni, également approvisionné par les propres plantations de ses colonies, s'intéressa très peu aux
caoutchoucs.
7.8.1. Les caoutchoucs synthétiques
L'Allemagne, par contre, n'avait pas de territoires outre-mer au climat propice à la culture de l'hévéa.
Le berceau de la fabrication d'un caoutchouc de synthèse, approchant les qualités du naturel, se trouva
logiquement dans ce pays.
Dotée d'une industrie chimique puissante, l'Allemagne perdant la guerre de 1914-1918 a été isolée de
tous les pays tropicaux.
Ses laboratoires firent des recherches et mirent au point une gomme synthétique qui fut abandonnée
après la guerre à cause de son prix de revient trop élevé. Mais sous l'impulsion du national-socialisme,
les recherches continuèrent et aboutirent à l'obtention des bunas.
En 1939, les usines avaient une capacité de production de 50 000 tonnes par an. Les Etats-Unis, après
la mainmise du Japon sur les régions productrices, ont développé à grande échelle, la fabrication du
BUNA-S qu'ils ont appelé GRS (Government Rubber Styrene). La production passait de 4 000 tonnes
en 1942 à 700 000 tonnes en 1944.
Les principaux caoutchoucs artificiels utilisés dans l'industrie sont les suivants:
Copolymères de butadiène et de styrolène: il s'agit de caoutchoucs artificiels courants, utilisés en
association avec le caoutchouc naturel, en particulier pour la fabrication des pneumatiques dont ils
améliorent leur résistance à l'abrasion.
Copolymères de butadiène et de nitrile acrylique: ce sont des caoutchoucs artificiels qui résistent aux
attaques des solvants, huiles, contrairement au naturel qui double de volume lorsqu'il est en contact
avec ces produits.
Polymère de chloroprène: il s'agit du néoprène, découvert en 1936 par la société Dupont de Nemours.
Il résiste très bien aux agressions de l'oxygène, de l'ozone, des huiles végétales. Grâce à sa résistance
aux efforts mécaniques il est utilisé chaque fois qu'on a besoin d'un élastomère pour amortir les chocs
vibratoires: supports de moteurs par exemple.
Copolymères de l'isobutylène: ils portent le nom de butyl. Ils résistent aux acides forts, à l'oxygène et à
l'ozone. Leur principale propriété est leur imperméabilité aux gaz. Ils ont donc remplacé, tout
naturellement, le caoutchouc naturel pour la fabrication des chambres à air.
Polyéthylènes chlorosulfurés: commercialisés sous le nom d'hypalon, ils résistent mieux que le
néoprène à l'ozone, à la chaleur (145/150 °C), aussi bien que les nitriles aux essences et aux huiles. Ce
sont les élastomères appropriés pour enduire les toiles des embarcations pneumatiques type Zodiac.
Viton: élastomère à haute teneur en fluor, résiste aux températures supérieures à 240/260 °C, en
service continu et à 330 °C en service intermittent. On lui attribue également une très bonne tenue aux

Dr. Gilles OLIVE 97
hydrocarbures, aux radiations nucléaires et une faible perméabilité aux gaz. C'est le matériau idéal
pour résoudre les problèmes soulevés par l'industrie moderne.
Caoutchoucs d'éthylène et de propylène: les plus employés sont les terpolymères d'éthylène, de
propylène et de diène (EPDM) pour leur excellente résistance au vieillissement et aux températures
(-60 °C à +110 °C). Ils sont utilisés dans l'industrie automobile (joints de pare-brises, de portes). Ils ont
remplacé le caoutchouc naturel pour la fabrication des tuyaux d'arrosage.
Silicones: on les trouve sous forme liquide ou résineuse suivant leur grandeur moléculaire. Leurs
caractéristiques essentielles sont leur résistance à la chaleur (300 °C) et au froid (-55 °C). Translucides,
ils sont utilisés pour la fabrication des jupes de masques de plongée, en chirurgie, etc.
Elastomères thermoplastiques: il s'agit d'élastomères que l'absence de réticulation chimique apparente
plus aux plastiques qu'aux caoutchoucs, mais qui possèdent néanmoins, une certaine élasticité. On les
rencontre de plus en plus dans la vie courante, en particulier pour la fabrication des semelles de nos
chaussures.
7.8.2. Autres élastomères naturels
La balata: (nom féminin) fournie par le balata (nom masculin), arbre que l'on trouve en Guyane et au
Venezuela. Le latex qu'il fournit fut employé pour la fabrication de câbles sous-marins et les courroies
de transmission.
La gutta-percha: latex tiré d'un arbre de Malaisie, il fut utilisé comme isolant dans l'industrie et en
prothèse dentaire pour l'obturation provisoire des dents dépulpées ou pour l'obturation définitive des
canaux radiculaires.
Le guayule: arbrisseau cultivé pour sa forte tenue en caoutchouc naturel, sa production rapide et sa
culture facile. En 1943 une usine fut créée au Mexique, destinée à approvisionner les Etats-Unis. Elle
put fournir 70 tonnes par jour mais fut abandonnée en 1946.
Le tau-saghyz: plante semblable au pissenlit, cultivée au Turkestan en 1934 par les Russes. Sur un bon
sol elle peut donner 120 kg à l'hectare. Les plantations furent petit-à-petit abandonnées au profit de
l'hévéa et des caoutchoucs synthétiques.
7.8.3. Propriétés physiques du caoutchouc
Elasticité: parmi les propriétés physiques du caoutchouc, la plus importante est son extrême élasticité,
c'est-à-dire la faculté qu'il possède de pouvoir supporter de grandes déformations et de revenir
sensiblement à sa forme initiale. On explique ce phénomène par la théorie suivante: le taux
d'élongation résulte du passage d'une forme ramassée de la chaîne isoprène à une forme étirée. Au
repos, les chaînes sont enchevêtrées, repliées sur elles-mêmes pour former des pelotes. Lorsqu'on étire
les fils on obtient une longueur plus importante. La propriété remarquable du caoutchouc est que
l'étirement relâché, la chaîne revint presque à sa position originale.
Compression: la forme de compression à la rupture est d'environ 9 tonnes au cm2
, valeur énorme par
rapport à la résistance à la rupture par traction qui est au maximum de 250 à 300 kg par cm2
.
Le caoutchouc est le matériau idéal pour supporter les tabliers de ponts et pour assurer la liaison des
rails de chemins de fer avec les traverses.

Dr. Gilles OLIVE 98
7.8.4. Le latex d'hévéa
Le latex, tel qu'il est récolté sur l'hévéa est une dispersion de caoutchouc dans un sérum aqueux. Le
latex coagulant spontanément quelques heures après la saignée, on ajoute de l'ammoniaque pour le
conserver à l'état liquide. En augmentant le pH de la solution, les particules de caoutchouc qui avaient
tendance à se rapprocher naturellement à l'air libre entraînant la coagulation, s'éloignent
artificiellement les unes des autres.
Utilisé sous cette forme aqueuse, on peut fabriquer des gants de ménage, chirurgicaux, des articles
d'hygiène, des préservatifs et, en général, tous les articles à parois minces.
On incorpore au latex les ingrédients nécessaires à la vulcanisation après les avoir finement broyés
pour les rendre plus actifs. On plonge dans cette composition des formes en verre ou en porcelaine,
identiques à l'objet que l'on désire protéger: des mains par exemple pour obtenir des gants.
La coagulation du dépôt se fait par séchage, la vulcanisation à la vapeur ou à l'eau chaude.
On peut également remplir de latex liquide des moules et obtenir des objets qui diminueront de volume
mais garderont la forme désirée.
Une autre application du latex est celle du caoutchouc alvéolaire. Le principe consiste, à partir d'un
mélange de latex ordinaire, à ajouter, aux produits nécessaires à la vulcanisation, un corps capable de
dégager des bulles d'azote sous l'influence de la chaleur. C'est la technique utilisée pour la fabrication
des matelas, coussins, etc.
7.8.5. L'ébonite
Coïncidence ou pas, en 1843, Thomas Hancock refit les mêmes expériences que celles effectuées par
Goodyear peu de temps avant lui. Il remarqua que le chauffage prolongé du caoutchouc dans du soufre
fondu conduisait à l'obtention d'une matière dure et noire.
On donna à ce matériau le nom d'ébonite, de l'anglais ebony qui signifie ébène.
L'ébonite est un produit dur et résistant, susceptible d'un beau poli que l'on a pu observer sur les
rouleaux d'anciennes machines à écrire.
C'est l'un des meilleurs matériaux d'isolement. Un des débouchés importants du caoutchouc durci a été
la fabrication des bacs pour les batteries de voitures et des sous-marins.
Aujourd'hui, le plastique a détrôné l'ébonite. À Marseille, la société SIDMAP, 110, boulevard de la
Capelette, a fabriqué pendant de longues années, les enveloppes de batteries pour la société STECO,
fournisseur des grands groupes automobiles.
7.8.6. Quelques applications du caoutchouc aujourd'hui oubliées
Vêtements imperméables en tissus caoutchoutés
Les inconvénients rencontrés avant 1840: mauvaises odeurs, décomposition à la chaleur, disparurent
après la découverte de Goodyear.
Ce furent les Anglais qui eurent, jusqu'en 1880, le monopole de la fabrication, d'où l'origine des noms
tels que raglans (lord Raglan était un général anglais), paletots (de l'anglais paltok).
En 1880, les industriels français fabriquent les tissus et parvinrent même à exporter. Ceux-ci furent
abandonnés après la guerre de 1939-1940, remplacés par des tissus plastifiés à l'aide de produits de
synthèse: nylon, polyester. Cependant les tissus caoutchoutés sont toujours utilisés pour la confection
de bottes, cuissardes, chapeaux marins et embarcations pneumatiques.

Dr. Gilles OLIVE 99
Caoutchoucs dentaires
Il s'agissait de mélanges à base de caoutchouc fortement chargés en soufre et auxquels on ajoutait des
colorants.
Après plusieurs opérations: prises d'empreintes, confection d'un moule, le prothésiste plantait les dents
en porcelaine, munies de leurs crochets, dans le caoutchouc, là où elles faisaient défaut. L'ensemble
était vulcanisé, démoulé, poli. Dans ce domaine comme tant d'autres, les résines synthétiques ont
remplacé le caoutchouc.
Fabrication des éponges
Ce furent les Russes qui maîtrisèrent leur fabrication bien avant la guerre de 1914-1918, en réalisant de
superbes éponges rondes, résistantes et de bonne conservation.
De 1914 à 1920, Allemands et Américains se disputèrent le marché. Ce n'est qu'en 1920 qu'un
industriel français s'intéressa à leur production. Il estimait le marché à 4 millions, chiffre qui ne fut
jamais atteint, faute d'avoir trouvé une souplesse équivalente à celle de l'éponge naturelle.

Dr. Gilles OLIVE 100
CHAPITRE 8: ANNEXES
8.1. ANNEXE 1 - Joints de Grain28
Dans la plupart des cas, la matière cristalline est composée de plusieurs cristaux. Il existe quelques
exemples notoires de monocristaux, comme par exemples certains cristaux géologiques, dont les
gemmes et pierres précieuses, et des réalisations technologiques comme par exemple les aubes de
turbine pour les moteurs d'avions de chasse, les semiconducteurs pour l'électronique (germanium) ou
les monocristaux d'étude, utilisés en recherche métallurgique ou pour caractériser de nouvelles
molécules pharmaceutiques.
Mais dans le cas général, la matière est composée de plusieurs cristaux accolés, qui ont une orientation
différente ; on dit qu'elle est «polycristalline». L'interface entre deux cristaux s'appelle un «joint de
grain» (grain boundary).
Figure 8 - Matière polycristalline et joints de grain
Lorsque la différence d'orientation entre deux cristaux voisins est faible, le joint de grain peut se
décrire comme une succession de dislocations coin ; on parle alors de «paroi de dislocations» ou
encore de «joint de faible désorientation».
Figure 9 - Joint de faible désorientation - paroi de dislocations
Si la désorientation est importante, alors seuls restent à l'interface les atomes dont la position est
commune aux réseaux des deux cristaux.

Figure 10 - Joint de grande désorientation - atomes communs aux deux réseaux
On constate que:
" il y a des espaces vides dans le joint de grain par rapport au sein du cristal ;
" les atomes du joint de grain ont moins de voisins qu'au sein du cristal.
Il en résulte que
" la diffusion est plus rapide dans les joints de grain, puisqu'il y a plus de place pour circuler ;
" de même que pour les surfaces libres, l'énergie des atomes des joints de grain est plus
importante que celle des atomes au sein du cristal, et donc des impuretés vont pouvoir se lier
aux joints de grain (phénomène de «ségrégation»).
8.2. ANNEXE 2 - Interactions dipolaires29
Nous allons essayer de comprendre dans cette annexe les interactions microscopiques de type
électrostatique existant entre molécules (ou ions) et leur manifestation dans quelques exemples en
chimie.
8.2.1. Dipôle électrique
8.2.1.1. Moment dipolaire permanent
Dans une molécule dépourvue de centre de symétrie, par exemple une molécule diatomique A-B, de
longueur d. Si A est plus électronégatif que B, le nuage électronique est plus dense vers A. Tout se
passe comme si A était chargé avec -δ et B avec +δ (δ < e , la liaison n'est pas ionique).
Le barycentre des charges positives ne correspond pas au barycentre des charges négatives: la
molécule est alors équivalente à un dipôle électrique c'est-à-dire deux charges +δ et -δ distantes de d.
On caractérise alors ce dipôle électrique par son vecteur moment dipolaire orienté du moins vers le
plus et de norme:

µ = δ x d
Unité du système international: C.m
Unité usuelle: le debye (symbole D): 1 D = 3,336 .10-30
C.m
Remarque:
Lorsqu'on a plusieurs liaisons polarisées dans une molécule, on fait la somme vectorielle de tous les
moments dipolaires des liaisons pour trouver le moment dipolaire de la molécule. Plus µ est grand,
plus la molécule est polaire.
Exemple:
En se reportant à la géométrie des molécules suivantes (voir méthode VSEPR), on peut déterminer si
la molécule est polaire ou non, ce qu'on vérifie expérimentalement par la mesure du moment dipolaire.
molécule moment dipolaire en debye remarque
H2O 1,86 polaire
HCl 1,03 polaire
H2 0 apolaire
C6H6 0 apolaire
CCl4 0 apolaire
8.2.1.2. Moment dipolaire induit
Sous l'effet d'un champ électrique (créé par le voisinage d'un ion, d'une molécule,…), le nuage
électronique d'un ion ou d'une molécule peut se déformer temporairement. Il apparaît donc un moment
dipolaire temporaire dit induit µ i qui dépend du champ électrique E appliqué et de la nature du nuage
déformé:
µ i = α x ε o x E
Le coefficient de proportionnalité α est d'autant plus grand que le nuage est facile à déformer: α est
appelé polarisabilité de la molécule. Unité dans le système international: m3
.
Les molécules apolaires peuvent être polarisées et présenter un moment induit temporairement de
même que les molécules polaires permanentes.
Exemple:
molécule polarisabilité en 10-24
cm3
remarque
H2 0,79 apolaire
O2 1,60 apolaire
N2 1,76 apolaire
Cl2 4,61 apolaire
HF 2,46 polaire
HCl 2,63 polaire
HBr 3,61 polaire
Remarques:
" on remarque sur la première série que plus le nuage électronique est gros , plus il est
polarisable.

" on remarque sur la deuxième série que plus l'atome halogène associé à H est gros plus la
polarisabilité est grande.
8.2.1.3. Etude expérimentale de la polarisation
Considérons un condensateur dont l'isolant est l'air sec ou le vide: lorsqu'il est chargé, il règne entre les
plaques un champ électrique Eo. La plaque positive est reliée à une électroscope (ces deux éléments
sont isolés, la charge totale est donc la même pendant toute l'expérience).
Si on introduit un matériau entre les plaques, l'électroscope se décharge, ce qui veut dire que la charge
du condensateur augmente (la capacité du condensateur augmente), le champ électrique résultant est
lui diminué entre les plaques: E < Eo.
Rappel: la capacité d'un condensateur est proportionnelle à la constante diélectrique du milieu isolant qui le constitue εr.
Pour un condensateur plan: C = εo εr S /d où S est la surface des plaques et d leur distance , εo la constante
diélectrique du vide.
En effet dans le matériau les dipôles induits dans le matériau s'orientent dans le champ électrique et ils
modifient le champ lui-même: E = Eo - Epolarisation
E polarisation est d'autant plus grand que les dipôles induits µ i et donc la polarisabilité α sont grands.

Plus α est grand plus la capacité sera grande mais aussi εr: la constante diélectrique du matériau
caractérise donc aussi la polarisabilité des molécules.
Remarque: en pratique la détermination des caractéristiques des diélectriques se fait en soumettant le matériau à une
tension oscillante de fréquence variable.
8.2.2. Interactions moléculaires
Les forces d'interactions moléculaires ou ioniques qui s'exercent au sein des milieux liquides ou solide
peuvent être modélisées de la façon suivante:
interactions coulombiennes (charge électrique/charge électrique) ou interactions dipolaires dites forces
de Van der Waals.
8.2.2.1. Force de Coulomb
La force coulombienne F = (4π εo εr)-1
qq'/r2
dépend de la constante diélectrique du milieu: plus un
solvant est polaire, εr grand, plus cette force est faible. On peut comprendre alors que dans un solvant
fortement polaire, les cations et les anions d'un sel que l'on dissout ont des interactions faibles facilitant
leur dispersion.
Autre illustration: un acide AH est plus fort dans un solvant plus polaire (exemple: HNO3 est un acide
fort dans l'eau, faible dans le méthanol qui est moins polaire).
Ce ne sont cependant pas les seules interactions intervenant lors de la dissolution ou dissociation.
8.2.2.2. Forces de Van der Waals:
Les forces de Van der Waals, d'intensité faible, sont cependant d'une importance considérable pour
expliquer la plupart des comportements de ces produits vus leur nombre très important.
Elles sont de diverses natures. Elles sont en 1/r7
, ce qui veut dire qu'elle diminue rapidement avec la
distance.
On peut comparer leur importance en exprimant l'énergie qu'il faudrait fournir pour rompre ces
interactions.
8.2.2.2.1. interaction dipôle permanent/dipôle permanent (forces de Keesom)
FK = k µ 1
2µ
2
2
/ r7
Energie = 0,5 à 3 kJ/mol
8.2.2.2.2. interaction dipôle permanent/dipôle induit (forces de Debye)
FD = k' α µ 2
/ r7
Energie = 0,02 à 0,5 kJ/mol

8.2.2.2.3. interaction dipôle induit/dipôle induit (forces de London)
FL = k'' α 1α 2 / r7
Energie = 0,5 à 30 kJ/mol (plus importante que les précédentes)
8.2.2.2.4. cas particulier: la liaison hydrogène
interaction dipôle/dipôle entre deux groupements d'une même molécule ou de deux molécules
voisines.
" Premier groupement: atome d'hydrogène lié à un atome fortement électronégatif (moment
dipolaire fort)
exemples: O-H, N-H, F-H
" Deuxième groupement: atome porteur d'un doublet non liant (polarisabilité très forte)
exemple: -O-, -N-, B-
Energie = 5 à 40 kJ/mol
Remarques: Energie d'une liaison covalente = 100 à 500 kJ/mol
Force de répulsion entre nuage électronique en 1/ r 13
prédominante à courte distance.
8.2.3. Conséquences des forces de Van der Waals
8.2.3.1. Energie de cohésion dans solides moléculaires
solide
energie de cohésion en
kJ/mol
température de fusion en K
néon 2,5 24
argon 8,5 84
krypton 12 117
xénon 16 161
dihydrogène 1 14
dioxygène 8,6 54
dichlore 31 172
De H2 à Cl2 ou de Ne à Xe: nuage électronique de plus en plus gros => polarisabilité de plus en plus
forte => interaction dipôle induit/dipôle induit de plus en plus forte
8.2.3.2. Solubilisation et miscibilité
Plus les molécules d'un soluté peuvent donner d'interactions avec celles d'un solvant et plus grande
sera la solubilité dans ce solvant - il en est de même pour la miscibilité entre deux liquides.

Exemple 1:
produit propriétés
solubilité dans
l'eau
n- pentane CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 apolaire 0,4 g/L
diéthyléther CH3-CH2-O-CH2-CH3
interaction possible
avec l'eau par l'oxygène
(polarisation possible et
liaison hydrogène
possible)
75 g/L
1-aminobutane CH3-CH2-CH2-CH2-NH2
moléculaire polaire et
double possibilité de
former des liaisons
hydrogène
très soluble
Exemple 2:
H-I: molécule très polaire => interaction dipôle permanent/dipôle permanent avec l'eau suffisamment
forte pour rompre la liaison => solubilisation avec ionisation
I-I: moléculaire apolaire => peu soluble dans l'eau gros nuage électronique => polarisation induite à
l'approche de la molécule d'eau => cette interaction (faible) permet la dispersion de I2 dans l'eau en
petite quantité.
Rappel: pour dissoudre I2 dans l'eau, on le dissout en fait dans une solution de KI alors il se forme
l'ion I3
-
polaire => interaction dipôle/dipôle avec l'eau forte => solubilisation importante
8.2.3.3. Tension superficielle, formation de micelles
Tensio-actif: présente une " tête " polaire => interaction dipôle permanent/dipôle permanent avec l'eau
=> orientation du tensio-actif telle qu'on minimise l'énergie du système.
8.3. ANNEXE 3 - Cristallographie30
Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
La cristallographie est la science qui se consacre à l'étude des substances cristallines à l'échelle
atomique. L'arrangement spatial des atomes dans la matière est étroitement lié à ses propriétés. L'état
cristallin est défini par un caractère périodique et ordonné à l'échelle atomique ou moléculaire. Ce
caractère périodique est appelé la maille élémentaire.
Elle est en rapport avec des disciplines aussi diverses que la physique, la chimie, la biophysique, la
biologie, la médecine, les sciences des matériaux, la métallurgie ainsi que les sciences de la terre.

8.3.1. Historique
Le cristal, d'abord simple objet de curiosité, passionna les collectionneurs avant d'intriguer les savants
qui, en étudiant sa structure, ébauchèrent les premières théories sur la constitution intime de la matière.
La loi des indices rationnels ou des troncatures simples fut définie par l'Abbé Haüy en 1774. Par
observation du phénomène de clivage de la calcite, il a déterminé les "molécules intégrantes" c'est-à-
dire les parallélépipèdes identiques constituant les cristaux et suite à cela, il a été déduit que chaque
face d'un cristal peut être repérée dans l'espace par des nombres entiers.
8.3.2. Les bases
La matière solide est composée d'atomes, que l'on peut voir comme des boules élémentaires qui
s'assemblent.
Elles peuvent s'assembler de plusieurs manières: quelques boules s'assemblent pour former une
molécule, c'est le cas des gaz, des liquides, des polymères (caoutchoucs, plastiques, papiers,
protéines,...), ces matériaux comportent des milliards de molécules semblables.
Les boules s'agencent de manière irrégulière, on a alors de la matière dite "amorphe" (ou "vitreuse"),
comme par exemple le verre, ou encore elles s'entassent de manière ordonnée, c'est alors un cristal.
8.3.3. Le cristal
Le cristal est un solide à structure constituée d'atomes ordonnés dans un réseau périodique et même
tripériodique et symétrique. Il a des propriétés de symétrie avec des axes directs et inverses, des
miroirs, des plans et des centres de symétrie.
Un cristal peut être isotrope (même indice de réfraction de la lumière dans toutes les directions) ou
anisotrope (deux indices différents dans deux directions perpendiculaires).
La maille élémentaire est le plus petit volume cristallin conservant toutes les propriétés physiques,
chimiques et géométriques du cristal. Elle est définie par trois angles α, β, γ et par trois vecteurs.
8.3.3.1. Le réseau cristallin
Un réseau est un ensemble de points ou «nœuds» en trois dimensions qui présente la propriété
suivante: lorsque l'on se translate dans l'espace selon certains vecteurs, on retrouve exactement le
même environnement. Il y a donc une périodicité spatiale. Cela permet de définir sept systèmes
cristallins de base: cubique, tétragonal, orthorhombique, hexagonal, monoclinique, triclinique, trigonal.
8.3.3.2. Le réseau de Bravais
Le français Auguste Bravais définit, en 1848, à partir des différentes combinaisons des éléments de
symétrie cristalline, 32 classes de symétrie, qui elles-mêmes se répartissent en 14 types de réseaux (il
n'existe pas d'autre façon de disposer des points dans l'espace, afin de réaliser un réseau ou une maille,
de manière à ne laisser aucun volume libre entre les réseaux). Les 14 réseaux de bravais sont des
expansions des 7 formes primitives de cristaux.

8.3.3.3. Les indices de Miller
Haüy a défini des indices (P, Q, R) qui permettent de repérer dans l'espace les faces d'un cristal. Miller,
pour simplifier, a dit qu'il ne fallait pas utiliser P, Q et R mais leurs inverses (1/P, 1/Q, 1/R) qui seront
notés h, k, l. Ils doivent être entiers, premiers entre eux et de valeurs simples.
8.3.3.4. Les groupes d'espace
Vers 1890, Fedorov et Schoenflies - indépendant l'un de l'autre - démontrèrent l'existence de 230
groupes, qui représentent toutes les combinaisons possibles de réseaux et d'opérations de symétrie. Si
on limite l'application de ces éléments de symétrie aux faces externes et aux propriétés physiques des
cristaux, on réduit, de toute façon, le nombre de combinaisons possibles à 32 groupes cristallins.
8.3.4. La cristallogenèse
La cristallogénèse est la formation d'un cristal, soit en milieu naturel, soit de façon expérimentale.
8.3.5. Diffraction
8.3.5.1. Principe
Max von Laue eut l'idée d'irradier les cristaux avec des rayons X, car il pensait que le réseau cristallin
ferait dévier le rayonnement de la même façon que la lumière est déviée dans certains minéraux
transparents. L'expérience que des collègues réalisèrent sur un cristal de sulfate de cuivre lui permit de
faire la démonstration de la structure périodique des empilements d'atomes dans les cristaux et de la
nature ondulatoire du rayonnement X. La détermination minéralogique s'effectue le plus souvent en
mesurant la diffraction du rayonnement électromagnétique des rayons X, dont les longueurs d'onde,
comprises entre 0,01 et 10 nm, sont de l'ordre des distances qui séparent les plans atomiques des
réseaux cristallins. Lorsque le cristal à étudier est irradié par un fin faisceau de rayons X, chacun des
atomes du cristal réfléchit une onde de faible amplitude, qui se propage dans toutes les directions. Les
ondes issues des atomes interfèrent, faisant apparaître sur le film photographique qui les reçoit des
«taches» qui correspondent au maximum des ondes en phase; les autres, en opposition de phase, se
sont annulées.
8.3.5.2. Réseau réciproque
Au niveau d'un écran situé à une distance d' des centres diffuseurs secondaires, on observera des
figures de diffraction qui permettent de visualiser les perturbations créées par les interférences citées
précédemment. Le réseaux réciproque est l'image que l'on obtient à partir de la figure de diffraction.
8.3.5.3. Appareillage utilisé en cristallographie
" Le microscope polariseur analyseur
" Le diffractomètre

8.3.6. Applications
On applique les méthodes cristallographiques en physique, chimie, biologie, biochimie, médecine et en
sciences de la terre. Elle est intéressante car elle permet l'analyse des substances organiques et
inorganiques.
8.4. ANNEXE 4 - Vocabulaire des matériaux31
Le vocabulaire à été téléchargé sur Internet. Malheureusement je n'ai pas le nom de l'auteur. S'il se
reconnaît qu'il me contacte.
Nota:
Chim(Al) correspond au symbole chimique et Mét(A) correspond au métallurgique, ce dernier n'existe plus mais
vous pouvez toujours le rencontrer.
8.4.1. A
A % Allongement en % d'un matériau. Si A % < 5 %, on a un matériau cassant, si A
% > 5 % on dit que le matériau est ductile, et si A % > 35 % on a un matériau
malléable
Acier allié Alliage d'acier et d'un autre métal.
Acier coulé Acier très dur, riche en carbone, obtenu par moulage.
Acier demi-doux 0,25 à 0,40 % de carbone.
Acier demi-dur 0,40 à 0,60 % de carbone.
Acier doux 0,15 à 0,25 % de carbone.
Acier dur 0,60 à 0,70 % de carbone.
Acier extra doux < 0,15 % de carbone.
Acier extra dur > 0,70 % de carbone.
Acier faiblement
allié
Aucun élément d'addition ne dépasse 5 %.
Acier fortement
allié
Au moins un élément d'addition dépasse 5 %.
Acier inoxydable Acier fortement allié résistant aux agents de corrosion.
Acier laminé Teneur modérée en carbone, idéal pour l'obtention de tôle et profilé.
Acier moulé Voir acier coulé.
Acier non allié Acier pur sans élément d'addition.
Acier rapide Acier très dur (Outils de coupe: Fraisage, tournage, ...).
Acier tréfilé Acier dur, idéal pour l'obtention de fil et câble.
Acier Alliage de fer et de carbone < 1,7 %.
Agrégat Union intime et solide d'éléments primitifs distincts.
Alliage fer
carbone
Voir Acier.
Alliage Produit résultant du mélange d'un métal avec d'autres éléments métalliques ou
non.
Allotropie Propriété d'un corps de se présenter sous plusieurs formes ayant des propriétés
physiques différentes.
Aluminium Chim(Al), Mét(A). Métal blanc brillant, ductile et malléable, s'altérant peu à l'air.
Argent Chim(Ag). Métal précieux blanc, brillant, très ductile.
Atome Constituant élémentaire de la matière, assemblage de particules fondamentales.
Austénite Constituant micrographique des aciers. Existant de 900 °C à 1300 °C. Mélange

de fer γ et de carbone dissout.
8.4.2. B
Bronze Alliage de cuivre et d'étain(4 à 22 %).
8.4.3. C
Carbone Corps simple non métallique constituant essentiel des charbons, graphites et
diamants.
Carbure Combinaison de carbone et d'un autre corps simple.
Cémentite Carbure de fer qui se forme dans les aciers et les fontes blanches.
Céramique Matériaux qui n'est ni un métal ni un produit organique.
Chrome Chim(Cr), Mét(C). Métal blanc, dur, inoxydable. Utilisé comme revêtement
protecteur.
Cobalt Métal blanc rougeâtre, dur et cassant. Chim(Co) Mét(K).
Corroyage Opération de déformation à chaud d'un métal ou d'un alliage.
Cristal Corps solide, pouvant affecter une forme géométrique bien définie, et caractérisé
par une répartition régulière et périodique des atomes.
Cuivre Chim(Cu), Mét(U). Métal de couleur rouge brun, malléable et ductile.
Cupro-aluminium Alliage de cuivre et d'aluminium.
Cupronickel Alliage de cuivre et de nickel.
Cuproplomb Alliage de cuivre et plomb.
8.4.4. D
Diagramme fer-
carbone
Diagramme expliquant les traitements thermiques et la formation des aciers et
des fontes.
Ductilité Propriété d'un métal à s'étirer, s'allonger sans se rompre.
8.4.5. E
E (N:mm²), Module d'élasticité longitudinal. Plus E est grand, plus le matériau est
rigide.
Ecrouissage Action de travailler un métal ou alliage à une température inférieure à sa
température de recuit et au de la de sa limite d'élasticité, afin de lui donner du
ressort et d'augmenter sa résistance à la déformation
Elastomère Polymère possédant des propriétés élastiques analogues au caoutchouc.
Emboutissage Action de marteler, comprimer à chaud ou à froid une pièce de métal.
Etain Chim(Sn), Mét(E). Métal blanc, brillant, très malléable. Point de fusion bas.
Eutectique Fonte contenant un seul constituant un seul élément: la lédéburite (4,3 % de
carbone).
Eutectoïde Acier contenant un seul constituant un seul élément: la perlite (0,83 % de
carbone).
8.4.6. F
Fer α (alpha) Existe de 0 à 906 °C, maille cubique centrée. 0,008 % à 0,025 % de carbone.
Fer δ (delta) Existe entre 1401 et 1528 °C, peu d'importance dans le monde industriel.
Fer γ (gamma) Existe entre 906 et 1401 °C, maille cubique à faces centrées. 1,7 % de carbone à
1135 °C.

Ferrite Mélange de fer a et de carbone. Variété allotropique de fer pur présente dans les
aciers
Fibre Eléments filamenteux allongés tissés ou non.
Fluage Déformation lente que subit un matériau soumis à une contrainte permanente.
Fonte à graphite
lamellaire F.G.L
Voir fonte grise.
Fonte à graphite
sphéroïdale F.G.S
Addition de magnésium avant moulage.
Fonte alliée Addition d'un élément supplémentaire en vue d'obtenir des caractéristiques
particulières.
Fonte blanche A base de carbure de fer.
Fonte grise A base de carbone sous forme de graphite
Fonte malléable
MB, MN ,MP
Bonne malléabilité due à la structure particulière de son graphite
Fonte Alliage fer carbone 1,7 à 6,67 % de carbone. Elaboré directement à partir du
minerai de fer.
Forgeage Action de façonner (généralement à chaud) un métal ou alliage par déformation
plastique.
8.4.7. G
8.4.8. H
Haut fourneau Appareil à cuve, chauffé au coke, dans lequel s'effectue la réduction du minerai
de fer et l'obtention de la fonte.
Hypereutectoïde Acier de 0,83 à 1,7 % de carbone. Perlite + ferrite.
Hypoeutectoïde Acier de 0,008 à 0,83 % de carbone. Perlite + cémentite.
8.4.9. I
Inox Voir acier inoxydable.
8.4.10. J
8.4.11. K
8.4.12. L
Laiton Alliage de cuivre et de zinc. £ 46 % de zinc.
Lédéburite Constituant microscopique des alliages ferreux. Alliage de fer et de carbone à 4,3
% de carbone.
8.4.13. M
Magnésium Chim(Mg), Mét(G). Métal solide blanc, argenté. Pouvant brûler à l'air avec une
flamme éblouissante.
Maille Réseaux cristallins formés par l'empilement des atomes.
Maillechorts Alliage de cuivre, nickel et zinc imitant l'argent.

Malléabilité Propriété d'un métal a être façonner et réduit en feuilles.
Manganèse Chim(Mn), Mét(M). Métal grisâtre très dur et très cassant.
Matériaux
composites
Association d'un matériau de base (Métal, céramique, résine) avec une fibre ou
un agrégat d'un autre matériau.
Matriçage Action de former une emprunte sur une pièce a l'aide d'une forme creuse ou
bombée.
Métal Corps simple caractérisé par son éclat. Aptitude à la déformation. Conduisant
généralement bien la chaleur et l'électricité.
Molybdène Chim(Mo), Mét(D). Métal blanc, dur, cassant et peu fusible.
Monomère Composé chimique constitué de molécules simples.
8.4.14. N
Nickel Chim(Ni), Mét(N). Métal d'un blanc grisâtre, brillant, à cassure fibreuse.
8.4.15. O
Or Chim(Au). Métal précieux d'un jaune brillant. Inaltérable à l'air et l'eau.
8.4.16. P
Perlite Constituant microscopique des alliages ferreux. Alliage de fer et de carbone à
0,83 % de carbone.
Phosphore Chim(P), Mét(P). Corps simple représenté par plusieurs formes allotropiques.
Plastique Malléable, qui peut être façonné par modelage.
Plastique Matière synthétique constituée de macromolécules susceptible d'être modeler
(Généralement à chaud).
Plomb Chim(Pb), Mét(Pb). Métal dense d'un gris bleuâtre, très malléable. Point de
fusion bas.
Polycarbonate Matière plastique transparente et très résistante aux chocs.
Polymère Corps formé à partir de monomère se liant les uns aux autres par une réaction.
Polymérisation Réaction transformant des monomères en un polymère.
Polypropylène Matière plastique obtenue par polymérisation du propylène.
8.4.17. Q
8.4.18. R
Re Limite élastique.
Recuit Chauffage d'un matériau métallurgique suivi d'un refroidissement lent en vue
d'assurer son équilibre structural et physico-chimique.
Résilience Caractéristique mécanique qui définit la résistance aux chocs des matériaux.
Résine Epoxy Composé macromoléculaire naturel ou synthétique utilisé dans la fabrication de
matière plastique contenant un époxyde.
Résine Polyester Composé macromoléculaire naturel ou synthétique utilisé dans la fabrication de
matière plastique contenant un alcool.
Revenu Chauffage d'un matériau métallurgique à une température inférieure à celle de la
trempe en vue de détruire l'état de faux équilibre.
Rr Résistance à la rupture.

8.4.19. S
Silicium Chim(Si), Mét(S). Non métal de couleur brune ou gris plomb selon son état.
8.4.20. T
Thermodurcissab
le
Qui possède la propriété de durcir au-dessus d'une certaine température et de ne
pouvoir reprendre sa forme primitive de façon réversible.
Thermoplastique Qui se ramollit sous l'action de la chaleur et se durcit en se refroidissant de façon
réversible.
Titane Chim(Ti), Mét(T). Métal blanc et dur.
Trempe Refroidissement rapide d'un matériau métallurgique ou du verre, afin d'obtenir
une structure stable à chaud à température ambiante.
Tungstène Chim(W), Mét(W). Métal de couleur gris noir très dur.
8.4.21. U
8.4.22. V
Vanadium Chim(V), Mét(V). Métal blanc.
Verre Substance solide, transparente et fragile, obtenue par la fusion d'un sable siliceux
avec du carbonate de sodium ou de potassium
8.4.23. W
8.4.24. X
8.4.25. Y
8.4.26. Z
Zinc Chim(Zn), Mét(Zn). Métal d'un blanc bleuâtre, peu altérable.

8.5. ANNEXE 5 - Diagrammes Fe-C
8.5.1. Version 1: Diagramme fer+carbone simplifié32
Ce diagramme décrit les différents états du mélange fer+carbone selon la proportion de fer et de
carbone dans le mélange. Au-dessus de 2 % de carbone on parle de fontes, en dessous de 1,7 % de
carbone on parle d'acier.
En rouge, la ligne Ac3-Ac1 dite limite d'austénisation.
L'austénite (de Austen, métallurgiste anglais)
Fer γ constituant de l'acier n'existant de manière stable qu'à haute température (ligne Ac3-
Ac1). Ce constituant ne peut être obtenu à température normale que par une trempe très
rapide après avoir été amené à la température d'austénisation. L'austénite est composée de
fer cristallisé sous la forme cubique à faces centrées. Cette cristallisation donne un
matériau plus dense et plus dur que la ferrite.
Austénisation
Opération consistant à obtenir de l'austénite.
Austénitique
Se dit d'un acier qui contient de l'austénite.
La ferrite
(Fer α) est composée de fer cristallisé sous la forme cubique centré. La ferrite ne dissout
pratiquement pas le carbone. Au-dessus de la ligne Ac3-Ac1 le Fer a se transforme en Fer γ.
La cémentite
est un composé chimique de formule Fe3C très dur, mais cassant. La cémentite est le composant
principal des fontes.

8.5.2. Version 2: Diagramme fer+carbone33
• Fer α: doux et très malléable. Il est magnétique et ne dissout pas le carbone. Etat stable du fer
jusqu'à 740 °C environ.
• Fer β: Etat transitoire. Non magnétique. Ne dissout pas le carbone.
• Fer γ: Prend naissance vers 860 °C. Etat stable depuis 860 °C jusqu'à la fusion du métal. Il n'est
pas magnétique et dissout le carbone.
• Ferrite: fer α pur.
• Cémentite: combinaison chimique définie: Fe3C.
• Perlite: mélange en proportion eutectique de ferrite et de cémentite titrant 0.9 % de carbone et
contenant environ 0.87 % de ferrite et 0.13 % de cémentite.
• Austénite: solution solide de carbone dans du fer. Peut dissoudre jusqu'à 1.7 % de carbone.
• Produits intermédiaires de transformation de l'austénite en perlite: martensite, sorbite, troostite,
osmondite, etc., états d'équilibre et fonction de la vitesse de refroidissement.
8.5.3. Version 3: Diagramme fer+carbone34
ACIER
L'acier est un alliage composé essentiellement de fer, contenant jusqu'à 2 % de carbone en masse (au-
delà, on parle de fonte), et éventuellement d'autres éléments. La présence de carbone rend
progressivement l'acier plus dur, mais plus cassant.

COMPOSITION DES ACIERS
On distingue plusieurs types d'aciers selon leur structure cristallographique:
" les aciers ferritiques, qui ont une symétrie cristalline cubique centrée (fer α) ;
" les aciers austénitiques, qui ont une symétrie cristalline cubique à faces centrées (fer γ ou
austénite) ;
" les aciers martensitiques, qui contiennent des aiguilles de carbures (martensite).
Le diagramme fer-carbone permet de visualiser la forme d'acier que l'on a selon la température et la
teneur en carbone. Toutefois, ce diagramme n'est valable que pour des aciers non-alliés, c'est-à-dire ne
contenant que du fer et du carbone. Certains éléments d'alliage favorisent par exemple la forme γ (on
parle d'éléments gammagènes: nickel et manganèse).
Figure 11 - Diagramme de phase fer-carbone, permettant de visualiser les conditions d'existence des
formes d'acier
Sur ce diagramme, on parle d'acier jusqu'à 1,7 % en masse de carbone, mais ont peut avoir des aciers
contenant plus de carbone lorsque l'on ajoute des éléments d'alliage.
Le carbone provient du procédé de réduction du minerai, qui se fait avec du charbon dans un haut-
fourneau. Selon les propriétés désirées, on ajoute ou on enlève des éléments d'alliage:
" le bore renforce la cohésion des joints de grains, on en ajoute parfois en faible teneur
(quelques centaines de ppm en masse) ;
" le soufre fragilise l'acier, par précipitation de sulfures aux joints de grains, on l'enlève donc
lors de l'élaboration ;
" le nickel et le chrome protègent de la corrosion en venant former une couche passive, ils sont
donc présents dans les aciers dits "inoxydables" ;
" mais aussi le magnésium, l'aluminium, le silicium, le titane, le manganèse, le cobalt, le zinc,
l'yttrium...

Il existe des aciers faiblement alliés, à faibles teneurs en carbone, et au contraire des aciers contenant
beaucoup d'éléments d'alliage (par exemple, un acier inoxydable typique contient 10 % de nickel et 18
% de cuivre en masse).
PROPRIÉTÉS DES ACIERS
Ils ont un module d'Young d'environ 200 GPa, indépendamment de leur composition. Les autres
propriétés varient énormément en fonction de leur composition, du traitement thermo-mécanique et
des traitements de surface auxquels ils ont été soumis.
8.5.4. Version 4: Les différentes phases d'un acier35
Les alliages fer-carbone se solidifient en donnant naissance aux solutions solides interstitielles d'une
part, à de la cémentite ou du graphite d'autre part.
On peut alors établir un diagramme d'équilibre (diagramme ci dessous):
L'apparition de graphite ou de cémentite dépend de la vitesse de refroidissement de l'alliage et de la
présence de divers éléments. La cémentite peut, au cours du refroidissement être décomposée en
carbone et en fer, suivant la réaction:
Fe3C & 3 Fe +C
Par contre, la réaction inverse de combinaison du fer et du carbone ne se produit jamais à l'état solide.
8.5.4.1. Le diagramme d'équilibre est obtenu par refroidissement lent
après chauffage à température élevée. Il est donc utilisable uniquement pour déterminer les
constituants d'une fonte ou d'un acier refroidi lentement, après un traitement de recuit par exemple
(mais jamais après traitement de trempe).
La détermination des phases et des constituants d'un acier à une température donnée est fournie par la
lecture du diagramme. En effet, l'étude systématique des étapes de refroidissement lent des différents
aciers indique la structure et les propriétés des produits obtenus.

" Pour un acier hypoeutectoïde (% C < 0.8 %) l'austénite (γ) se transforme en ferrite (α) et en
perlite(α + Fe3C).
" Pour un acier eutectoïde (% C = 0.8 %), on obtient de la perlite (α + Fe3C).
" Pour un acier hypereutectoïde (% C > 0.8 %), on obtient de la perlite (α + Fe3C) et
cémentite (Fe3C).
8.5.4.2. Lors du refroidissement rapide d'un acier,
l'austénite ne se transforme plus en perlite. De nouveaux constituants (hors équilibre) apparaissent.
Leur existence dépend de la vitesse de refroidissement.
Ce sont:
" la troostite (refroidissement moyennement rapide)
" la bainite (refroidissement assez rapide)
" la martensite (refroidissement très rapide)
8.5.5. Version 5: Diagrammes d'équilibre36
Un diagramme d'équilibre est une représentation des transformations solide-liquide ou solide-solide
d'un alliage. La partie haute température est formée par le diagramme fusion-solidification, et la partie
basse température est constituée des lignes de transformation.
Diagramme fusion - solidification d'un alliage binaire:
A une température TM, la composition de la phase solide se lit sur le solidus et celle de la phase liquide
sur le liquidus.
Points spéciaux des diagrammes:
- Point eutectique: point unique où se produit une réaction eutectique:

Liquide <-> solution solide a de concentration n + solution solide b de concentration m + chaleur.
- Point péritectique: point unique où se produit une réaction péritectique:
Liquide + solution solide b de concentration y <-> solution solide a de concentration x + chaleur.
- Point eutectoïde: point unique où se produit une réaction eutectoïde:
Solution solide g <-> solution solide a de concentration N + solution solide b de concentration M.
Application aux alliages Fer - Carbone:
Différentes variétés allotropiques du fer:
- Feα: cI, stable de Tambiante à 906 °C. Il dissout très peu de C (0,8 % à 723 °C)
- Feβ: cF, stable de 906 °C à 1400 °C. Il dissout un peu plus de C (2 % à 1150 °C)
- Feδ: stable de 1400 °C à 1540 °C.
Il existe deux diagrammes Fer - Carbone, car il existe du C à l'état libre (graphite), et du C en
combinaison chimique (cémentite).
Il y a donc un diagramme Fer - Graphite (dit diagramme stabile) et un diagramme Fer - Cémentite (dit
diagramme labile). En pratique, pour des alliages Fe - C inférieurs à 4,3 % C, c'est le diagramme labile
qui convient.
Aciers: lorsque 0 < % C <2 %
- aciers hypoeutectoïdes: < 0,8 % C
- acier eutectoïde: = 0,8 % C
- aciers hypereutectoïdes: > 0,8 % C
Fontes: lorsque 2 < % C < 6,67 %
- fontes hypoeutectiques: 2 < % C < 4,3
- fonte eutectique: = 4,3 % C
- fontes hypereutectiques: 4,3 < % C < 6,67
8.5.6. Le Fer (d'après l'Université du Maine)
" Etat fondamental: 3d6
, 4s2
on attend donc les ions Fe2+
(3d6
) et Fe3+
(3d5
).
" C'est le 4ème
élément en terme d'abondance terrestre (O > Si > Al > Fe), 4,7% en masse.
" Les ions libres sont très paramagnétiques - spin élevé (champ faible): 4e-
pour Fe2+
et 5e-
pour Fe3+
.
" Rayons ioniques: r(Fe3+
) = 0,645 Å et r(Fe2+
) = 0,78 Å ; donc Fe3+
est plus polarisant que
Fe2+
. Les liaisons seront plus covalentes avec Fe3+
car le rapport q/r2
est plus grand.
On note que le cobalt et le nickel ont des propriétés voisines de celle du fer.

8.5.6.1. Propriétés physiques
Fer α Fer γ Fer δ Fer liquide
Cubique I c.f.c Cubique I
a (Å) 2,86 3,65 2,93
rM (Å) 1,24 1,29 1,27
" Propiétés magnétiques: a T > TC = 768 °C le fer est paramagnétique
a T < 768 °C le fer est ferromagnétique (σs = 1,8 µB/mol)
" Masse volumique: ρ = 7,87 g.cm-3
(2,7 g. cm-3
pour Al)
" Résistivité: ρ = 9,7 µΩ.cm (pour Al: 2,63 µΩ.cm et pour Cu: 1,72 µΩ.cm)
c'est un conducteur électrique moyen.
8.5.6.2. Propriétés chimiques
" Très réactif: si le fer est en poudre. Le fer pyrophorique (réduction de l'oxyde par H2) brûle
spontané ment à l'air.
" Moins réactif: à l'état massif.
Combustion avec les oxydants forts: O2, F2. C12 → degré +III (Fe2O3, FeF3, FeCl3)
322
3 FeFFFe →+ à froid, l'attaque s'arrête par passivation
322
3 FeClClFe →+ à 600°C, réaction exothermique
Combustion avec les oxydants faibles: I2, ...→ degré +II
22 FeIIFe →+
Avec les non-métaux: la réaction est plus douce
Soufre SFeS(limaille)Fe IIflammelaà
 →+
SFeSFeS -1
2
II
→+ pyrite (type NaCl)
Azote (N2 ou NH3) composés d'insertion qui durcissent le fer et augmente sa
résistance à l'abrasion (FeNx)
Carbone CFeCFe3 3
C1100T
 →+ °>
(cémentite) ou
23 COCFeCO2Fe3 +→+
voir le diagramme Fe-C (perlite = acier eutectoïde 0,8 % en C)
906 °C 1401 °C 1539 °C

8.6. Annexe 6 - Alliages binaires
Cette partie de cours écrite en 1999 par Claude Diroux pour des Terminales STI, est à considérer comme un
résumé de cours ... déjà connu.
Un matériau composite est constitué de deux ou plusieurs matériaux différents et possède des
propriétés mécaniques meilleures que celles de chacun de ses constituants. Alliant la légèreté à
d'excellentes caractéristiques mécaniques, ce sont des produits d'élection de l'industrie aérospatiale.
Un alliage binaire est un composé formé d'un métal et d'un deuxième élément qui peut être un autre
métal ou un élément tel que le carbone.

8.6.1. Définitions
8.6.1.1. Métaux purs
En métallurgie, un métal est pur lorsqu'il est présent à au moins 99% dans le composé.
Les métaux ont une structure cristalline. Les atomes, régulièrement répartis, forment un réseau qui
reproduit dans l'espace le même motif élémentaire, la maille.
Les principaux métaux cristallisent dans le système cubique. On trouve aussi la maille cubique
centrée ou la maille cubique à face centrée.
8.6.1.2. Structure microscopique des métaux purs
La micrographie ne montre qu'un seul type de grains.
8.6.1.3. Structure microscopique des alliages
La micrographie et l'analyse chimique permettent de distinguer différents grains: il y a plusieurs
constituants.
Certains alliages montrent une structure uniforme. Ce sont des alliages homogènes, ils ne possèdent
qu'une seule phase.
D'autres alliages comportent plusieurs phases. Ce sont des alliages hétérogènes.
8.6.1.4. Nature des alliages homogènes
On distingue:
" les solutions solides: les deux éléments se dissolvent l'un dans l'autre.
" les combinaisons chimiquement définies (CCD): ce sont des combinaisons chimiques de
deux éléments, donc des corps purs. Ils sont représentés par une formule chimique (ex. la
cémentite Fe3C).
8.6.1.5. Nature des alliages hétérogènes
Ils sont des juxtapositions de différentes phases pouvant être: des métaux purs, des solutions solides et
des combinaisons chimiquement définies.

8.6.2. Analyse thermique des alliages
8.6.2.1. Définition
L'analyse thermique consiste à relever en fonction du temps, l'évolution de la température θ d'un
produit. L'alliage, chauffé jusqu'à l'état liquide, se refroidit lentement, sous la pression atmosphérique.
8.6.2.2. Courbes de refroidissement des alliages binaires
" Courbe a: solidification à température constante.
Pendant toute la durée de la solidification, la
température reste égale à θ et l'analyse chimique montre
que le solide qui se dépose et le liquide conservent la
même composition.
Trois cas se présentent:
• s'il s'agit d'un métal pur (100% de M) ce palier
est normal, car un corps pur fond et se solidifie à
température constante.
• si c'est un alliage homogène, c'est une
combinaison chimiquement définie (CCD);
• si l'alliage est hétérogène, c'est un mélange
particulier appelé: eutectique.
" Courbe b: solidification à température variable.
Le premier cristal apparaît à la température θi et la
dernière goutte de liquide disparaît à la température θf.
Pendant cette solidification, l'analyse chimique montre
que les compositions, différentes, du liquide et du
solide varient: l'alliage est un mélange.
Il s'agit d'une solution solide.
" Courbe c: solidification en deux parties
(superposition des courbes a et b).
Grâce à la micrographie, on constate que, de θ1, à θ2, il
se dépose un solide homogène (métal pur, CCD ou
solution solide); à la température θ2 constante, le solide
devient hétérogène, par formation d'un eutectique.
Il s'agit d'un alliage hétérogène.
Remarque: les transformations qui accompagnent le
refroidissement d'un alliage sont mises en évidence par l'analyse thermique complétée par l'analyse
chimique et l'examen micrographique.

8.6.3. Diagrammes de solidification des alliages binaires
8.6.3.1. Construction du diagramme
Avec les deux composés M1 et M2 (dont l'un au moins est un métal) on forme des alliages de
composition variable. On réalise leur analyse thermique et l'on reporte, en fonction de leur composition
centésimale en masse, les températures de début et de fin de solidification:
" les températures de début forment une courbe appelée liquidus ;
" les températures de fin forment une courbe appelée solidus ;
" l'ensemble constitue le diagramme de solidification des alliages M1 et M2.
L'intérêt de ces diagrammes est de connaître la composition d'un alliage.
8.6.3.2. Diagramme à solution solide unique: Or-Argent
Considérons l'alliage représenté par le point P
composé de 40 % d'or et 60 % d'argent.
C'est un alliage dit une solution solide à 40 %
d'or.
Règle de l'horizontale
A 1000 °C l'alliage est composé d'une phase
liquide à 20 % d'or (donc 80 % d'argent) et d'une
phase solide à 70 % d'or (donc 30 % d'argent).
Règle des segments inverses
A 1000 °C le point P correspond à un alliage de
PS/LS=30/50=60 % de liquide et
LP/LS=20/50=40 % de solide.

8.6.3.3. Diagramme à deux solutions solides
8.6.3.3.1. Principe de construction
Le point E correspond à un alliage hétérogène
eutectique.
Rappel: un alliage eutectique se solidifie à
température constante.
8.6.3.3.2. Interprétation - diagramme cuivre-argent
Ces deux métaux ont des rayons atomiques différents (cuivre:
0,255 nm, argent: 0,288 nm).
Ils sont solubles l'un dans l'autre, à l'état solide, mais dans des
proportions limitées (zones a et b du diagramme). A 780 °C,
l'argent dissout au maximum 8,8 % de cuivre (solution solide
α) et le cuivre 8 % d'argent (solution solide β). Au-dessous du
palier eutectique, l'alliage est hétérogène (non miscibilité des
solutions solides α et β).
8.6.3.4. Présence d'un composé défini (CCD) - diagramme magnésium-étain
Outre la présence de deux points eutectiques nous notons le
comportement particulier d'un alliage à 71 % d'étain: il se
solidifie à température constante et ne subit pas de
transformation à l'état solide. Cet alliage correspond à un
composé chimiquement défini (CCD). Il peut être représenté
par la formule chimique Mg2Sn. Ce composé fond à 778 °C,
température plus élevée que les températures de fusion du
magnésium et de l'étain.
Ce diagramme est divisé en deux parties par ce composé défini:
" les alliages dont la teneur en étain est inférieure à 71 %
sont des alliages hétérogènes formés de solution solide
α et de composé défini Mg2Sn ;
" les alliages dont la teneur en étain est supérieure à 71 %
sont des alliages hétérogènes formés de composé défini Mg2Sn et d'étain.

8.6.4. Etude du diagramme simplifié fer-carbone
Le diagramme s'applique à des alliages binaires à faible teneur en carbone.
Selon la vitesse de refroidissement et la présence d'éléments chimiques étrangers, on distingue deux
diagramme:
" le diagramme fer-graphite ou diagramme d'équilibre stable, caractérisé par la présence de
carbone libre C, correspond au fontes grises ;
" le diagramme fer-cémentite ou diagramme d'équilibre métastable, caractérisé par la
présence de cémentite Fe3C, correspond aux aciers et aux fontes blanches.
8.6.4.1. Diagramme fer-cémentite
1. Lignes du diagramme
Liquidus: AE, EC.
Solidus: AB, BD, CD.
Lignes de transformations: QS, BS, QP, PR,
PO.
2. Points particuliers
Q: transformation allotropique du fer.
C: combinaison chimiquement définie
(cémentite Fe3C).
E: eutectique appelé lédéburite.
S: eutectoïde appelé perlite.
3. Domaines et phases
Au-dessus du liquidus AEC: alliages liquides (phase liquide).
Domaine ABE: liquide + solution solide du carbone dans le fer rappelée austénite.
Domaine ECD: liquide + cémentite.
Domaine ABSQ: austénite.
Domaine QPO: solution solide du carbone dans le fer a appelée ferrite; ce domaine très limité, est
parfois négligé.
Domaine QSP: austénite + ferrite.
Domaine BDRS: mélanges hétérogènes d'austénite et de cémentite.
Domaine OPR 6,67 %: mélanges hétérogènes de ferrite et de cémentite.
4. Composition de la lédéburite à 1145 °C
L'eutectique est un alliage hétérogène, mélange de deux phases: de l'austénite à 1,7 % de carbone
(point B) et de la cémentite à 6,67 % de C (point D).
5. Composition de la perlite à 721 °C
L'eutectoïde est aussi un alliage hétérogène, dont les phases sont: de la ferrite à 0,02 % de C (point P)
et de la cémentite (point R).
6. Aciers et fontes blanches
On appelle aciers les matériaux titrant moins de 1,7 % de carbone, et fontes blanches ceux dont la
teneur est plus élevée. Remarquons qu'à la température ambiante, les aciers et les fontes blanches sont
des alliages hétérogènes, mélanges de ferrite et de cémentite.

7. Constituants des aciers à la température ambiante
La nature des constituants dépend de la teneur en carbone; on distingue:
C < 0,85 %: aciers hypoeutectoïdes, constitués de ferrite et de perlite;
C = 0,85 %: acier eutectoïde, constitué de perlite;
C > 0,85 %: aciers hypereutectoïdes, constitués de cémentite et de perlite.
Les caractéristiques mécaniques des aciers dépendent de la nature et des proportions des constituants.
8. Constituants des fontes blanches à la température ambiante
Selon la teneur en carbone, on distingue:
C < 4,3 %: fontes hypoeutectiques, constituées de lédéburite et de perlite;
C = 4,3 %: fonte eutectique, constituée de lédéburite;
C > 4,3 %: fontes hypereutectiques, constituées de lédéburite et de cémentite.
8.6.4.2. Diagramme fer-graphite
Le diagramme d'équilibre stable correspond au refroidissement des fontes grises, produits titrant au
moins 2 % de carbone.
Ce diagramme ressemble beaucoup au précédent, les coordonnées des points particuliers étant
voisines. Cependant la verticale du solidus correspondant à la cémentite (à 6,67% de carbone)
n'existant plus, le diagramme se poursuit jusqu'au carbone pur: dans l'analyse précédente, il suffit donc
de remplacer le terme cémentite par graphite, mais l'étude se limite aux faibles teneurs en carbone.
8.6.4.3. Remarque
En réalité, les phénomènes sont plus complexes que ceux que nous venons d'évoquer; citons, par
exemple:
" pendant le refroidissement, le carbone devient moins soluble dans le fer γ (ligne BS), puis
l'austénite se transforme en S en perlite: la composition de la lédéburite évolue ;
" les lignes des deux diagrammes étant différentes, pendant le refroidissement on pourra passer
du diagramme fer-graphite au diagramme fer-cémentite, et obtenir finalement un mélange de
fontes grise et blanche.
Notre étude ne constitue donc qu'une approche de ces diagrammes.

8.6.4.4. Quelques caractéristiques
A titre indicatif, nous donnons quelques caractéristiques remarquables d'alliages particuliers du
diagramme fercarbone:
" la résistance à la traction de la perlite est supérieure à celle de la ferrite, alors que pour la
cémentite, corps très fragile, ce paramètre n'est pas mesurable ;
" la ferrite supporte un allongement 5 fois plus important que la perlite. La cémentite ne
s'allonge pas ;
" la cémentite est dix fois plus dure que la ferrite et 3,5 fois plus dure que la perlite (dureté
Brinell).
8.7. ANNEXE 7 - Spectre électromagnétique

(Source 37)
8.8. ANNEXE 8 - Systèmes d'identification des matériaux
Le système d'identification des emballages s'applique à tous les emballages et déchets d'emballages et
a pour objet d'établir les modes de numérotation et les abréviations servant de base au système
d'identification indiquant la nature du ou des matériaux d'emballages utilisés et précisant les matériaux
qui sont soumis à ce système.
Abrévation Numéro
Matières plastiques
Polyéthylène téréphtalate PET 1
Polyéthylène à haute densité HDPE 2
Polychlorure de vinyle PVC 3
Polyéthylène à faible densité LDPE 4
Polypropylène PP 5
Polystyrène PS 6
Papiers et Cartons
Carton ondulé PAP 20
Carton non ondulé PAP 21
Papier PAP 22
Métaux
Acier FE 40
Aluminium ALU 41
Matériaux en bois
Bois FOR 50
Liège FOR 51
Textiles
Coton TEX 60
Jute TEX 61
Verre
Verre non coloré GL 70
Verre vert GL 71
Vert brun GL 72

Les bouteilles plastiques en PVC se reconnaissent par la marque de moulage située sur le fond de la
bouteille qui se distingue de la marque de soufflage présente sur le fond des bouteilles en PET:
Les bouteilles en plastiques sont l'objet d'une attention particulière quant au recyclage (5 milliards de
bouteilles en PVC ont circulé sur le marché français en 1994) ce qui a donné lieu à la mise au point de
techniques de pointe pour la reconnaissance et le tri automatique des plastiques: pour affiner le tri
manuel, des cameras travaillant dans le proche infrarouge comparent le spectre du plastique trié avec
une bibliothèque de spectres enregistrés ; un robot doté de plusieurs capteurs peut ainsi repérer et
séparer les polymères de diverses natures. Ceci est très important car pour le recyclage, la présence de
deux bouteilles de PET dans un lot de 1 tonne de PVC, soit 22 000 bouteilles suffit à rendre ce lot
inutilisable.
8.9. ANNEXE 9 - Chaleur de combustion de différents matériauxdd
Polystyrène 46,0 MJ/kg Cuir 18,9 MJ/kg
Polyéthylène 46,0 MJ/kg Chlorure de polyvinyle 18,9 MJ/kg
Fioul domestique 44,0 MJ/kg Papier 16,8 MJ/kg
Graisses 37,8 MJ/kg Bois 16,0 MJ/kg
dd
Source 17

8.10. ANNEXE 10 - Mécanismes des réactions de polymérisation
8.10.1. Réaction d'addition
8.10.1.1. Réaction radicalaire
Elle se passe en trois phases selon:
" Initiation
RO OR
∆
hν
2 RO
RO + H2C CH2 ROCH2 CH2
" Propagation
H2C CH2 ROCH2CH2CH2CH2ROCH2 CH2 + (1)
H2C CH2 RO(CH2CH2)nCH2CH2(n-1) (2)(1) +
" Terminaison
2 (2) RO (CH2CH2)2n+2
Couplage
2 (2) RO (CH2CH2)n Dismutation+ RO (CH2CH2)n CH CH2CH2CH3
OR
8.10.1.2. Polymérisation cationique
Dans ce cas l'initiateur est un acide, souvent l'acide sulfurique.
CH2 + H2SO4 60 % CH3
CH2
CH2

8.10.1.3. Polymérisation anionique
Dans ce cas c'est une base qui sert d'initiateur.
R CH CH2
Y
R CH
Y
CH2
R CH CH2
R CH
Y
CH2 CH
R
CH2
Dans la nature, l'eau joue le rôle de base:
H2O +
H2O H2O
+
8.10.1.4. Ziegler-Natta (complexes)
Le procédé Ziegler-Natta utilise le couple tétrachlorure de titane/triéthylaluminium comme catalyseur.
Dans le procédé Philips, le catalyseur est à base d'aluminium et de chrome sur de la silice.
Schématiquement l'équation bilan peut s'écrire:
TiCl4/AlEt3
Au niveau du mécanisme:
Ti
Cl
Cl
Cl
AlR2
R CH CH2 Cl3Ti
AlR2
H2C CH
R
Cl3Ti
H2C CH
R
AlR2 + R CH CH2
Cl3Ti
CH2
H2C CH
R
AlR2
CH
R
L'arret se fait par la destruction du catalyseur:
ajout d'éthanol dans le milieu
8.10.2. Réaction de condensation
Il s'agit des mêmes mécanismes que ceux vu en cours de chimie organique mais exécuté un grand
nombre de fois. Le lecteur peut donc réviser l'estérification ou bien la formation des amides.
Mais on va voir le cas des résines avec le formol et les polyuréthannes.38

8.10.2.1. Phénoplastes
Ils proviennent de la condensation du méthanal (formol) sur un cycle phénolique. La réaction est une
substitution électrophile en ortho/para sur un aromatique activé. On peut la résumer ainsi:
En milieu acide la protonation du formol donne un électrophile
H2C=O + H+
→ H2C+
-OH
Qui se condense sur un cycle en donnant un alcool benzylique
Ar-H + H2C+
-OH → Ar-CH2-OH + H+
Qui donne un électrophile par protonation et perte d'eau
Ar-CH2-OH + H+
→ Ar-CH2-O+
H2 → Ar-CH2
+
+ H2O
Qui se condense sur un autre mole de phénol
Ar-H + Ar-CH2
+
→ Ar-CH2-Ar + H+
Comme il y a 3 positions de substitutions on obtient un édifice bidimensionnel rigide. Ce composé est
thermodurcissable et a été commercialisé sous le nom de Bakelite du nom de son inventeur, comme
isolant électrique remplaçant la porcelaine.

H C
O
H
OH
+
H+
CH2OH
OH
+
OH OH
+
CH2OH
CH2OH
OH
CH2OH
H+
OH
CH2
OH
+
OH
CH2
OH
H+
H C
O
H
OH
CH2
OH
CH2OH
Une réaction analogue avec l'urée permet la préparation des résines urée-formol ou aminoplastes.
Une autre molécule la mélamine réagit de la même façon. Elle est utilisée pour faire des colles et des
résines dures (formica).
mélamine

8.10.2.2. Polyuréthannes
La liaison entre les molécules monomères de ces polymères est une fonction uréthanne obtenue par
addition d'un alcool sur un isocyanate.
Avec un diol, éthanediol, et un diisocyanate on obtient un polymère.
A sec la réaction donne un solide thermoplastique permettant le moulage de pièces, en présence d'eau,
un dégagement de CO2 est produit par la réaction de l'isocyanate et de bulles sont formées. Selon
l'importance de celles-ci on obtient des mousses rigides, si les bulles sont isolées dans un solide ou des
mousses souples si les bulles se rejoignent en ne laissant qu'un réseau de solide. Cette mousse
déformable est employée en ameublement pour faire des matelas de lit ou des coussins de sièges.

8.11. Informations obligatoires pour un rapport de fin de module
L'absence de l'un des points suivants entraîne une perte de point.
" Historique
" Méthodes de production
" Propriétés physiques (données théoriques) et chimiques
" Donnez les différentes duretés
" Donnez le spectre d'absorption et d'émission
" Calculez le diagramme de Pourbaix simplifié
" Calculez la masse volumique théorique et la comparer avec la masse volumique
expérimentale
" Toxicité
" Applications
" Partie économique: production mondiale ou d'un pays, prix à la tonne...

CHAPITRE 9: LABORATOIRES
9.1. LABORATOIRE 1 - Propriétés des Polymères
Les tests seront effectués sur les polymères provenant du commerce.
9.1.1. Série 1
Comportement vis à vis de la lumière
Le polymère est-il coloré ? Est-il transparent, translucide ou opaque ?
Comportement: à la chaleur
Le polymère est-il thermoplastique ou thermodurcissable ? L'observation directe permet d'orienter le
classement ; celui-ci sera confirmé par le test de chauffage.
thermoplastiques thermodurcissables
<——— films
<——— plastiques souples
<——— plastiques rigides ———>
Placer un échantillon de polymère d'environ 3 cm sur 1 cm de large ou un petit fragment dans un tube
à essais. Chauffer doucement pendant 30 s dans la flamme d'un bunsen sous hotte et observer:
" si le polymère se ramollit et fond, il est thermoplastique
" s'il a tendance à carboniser sans ramollissement préalable, il est dit thermodurcissable.
Solubilité
Effectuer les tests dans des tubes à essais sous hotte sans flamme à proximité; utiliser une proportion
de 0,1 g de polymère pour 1 ml de solvant. Boucher le tube, et secouer énergiquement mais
prudemment, observer toute modification: volume, trouble.
Solvants:
acide acétique à 10 %, acide chlorhydrique à 10 %, acide nitrique concentré, acétone, acétate d'éthyle,
éthanol, chloroforme, toluène.
9.1.2. Série 2
9.1.2.1. Quelques tests d'identification des matières plastiques
Voici une série de tests qui vous permettront d'identifier certaines matières plastiques.

9.1.2.1.1. Test de densité
Une matière plastique qui flotte sur l'eau est probablement du polyéthylène. Test non valable avec les
plastiques «expansés» ou «renforcés».
Identification HDPE ou LDPEee39:
test de densité dans un mélange (1 pour 1) d'eau et d'éthanol. (LesHDPEcoulent;lesLDPEflottent)
9.1.2.1.2. Test de solubilité
une matière plastique qui se dissout dans le trichloréthylène est vraisemblablement un styrénique
(polystyrène, ABS...).
9.1.2.1.3. Test au papier pH
Une matière plastique qui brûle en dégageant un gaz (que vous éviterez de respirer) qui donne à un
papier pH humide une couleur acide (pH < 7) est probablement un vinylique. Quand le papier pH
prend une couleur basique (pH > 7), il s'agit vraisemblablement d'un polyamide.
Essayez d'identifier divers échantillons de matières plastiques en réalisant dans l'ordre les tests 1, 2, 3.
S'ils s'avèrent tous négatifs, il faudra procéder aux tests de combustion proposés au 9.1.2.3.
9.1.2.2. Thermoplastique ou thermodurcissable
Une matière plastique qui se présente sous une forme souple appartient certainement à la catégorie des
thermoplastiques. Par contre, dans le cas d'une forme rigide, il peut s'agir soit d'un thermoplastique soit
d'un thermodurcissable.
Placez un échantillon de matière plastique dans une boîte de conserve et chauffez modérément, assez
lentement pour qu'il ne se dégage de fumées.
" S'il se ramollit et devient pâteux, c'est un thermoplastique.
" S'il résiste à la chaleur et se décompose sans ramollir, c'est un thermodurcissable ; arrêtez le
chauffage.
9.1.2.3. Combustion
Identifiez quelques matière plastique en observant leur combustion. Procurez-vous des échantillons de
diverses matières plastiques de dimensions de l'ordre de quelques cm2
; placez-les en les tenant avec
une pince, dans une flamme. Notez vos observations pour chaque échantillon (inflammabilité, couleur
de la flamme, quantité et couleur des fumées, aptitude à fondre et à donner des gouttes).
Consultez ensuite la Table 1 et la Table 2.
ee
Information donnée par M. Gérard Fossion, Philippe Ghysels et Grégory Peeters (année 2005-2006).

Remarques importantes:
1. Il ne faut pas faire brûler les mousses de polyuréthane, car celles-ci dégagent un gaz très toxique:
le cyanure d'hydrogène.
2. Il arrive souvent que l'on incorpore aux matières plastiques des produits destinés à améliorer leur
comportement au feu. Dans ces cas, l'identification ne peut être faite avec la Table 1 et la Table 2.

Table 1
Produits non modifiés
Exemples
d'objets
Inflam-
mabilitéa Fuméeb
Toxicité
des
fumées
c
Odeur en brûlant
Tuyau
d'arrosage M ∫∫ ☻ TT ! Acide piquanteP.V.C. souple
Polychlorure de vinyle
P.V.C. rigide Bouteille F ∫ ☻ TT " Acide piquante
Polystyrène Pot de yaourt G ∫∫∫ ☻ T Gaz - Fleur de soucis
Acrylonitrile - Butadiène -
Styrène (A.B.S.)
Aspirateur M ∫∫ ☻ TT Gaz - Fleur de soucis
Polyamides Fil, Chemise F ∫ ☺ T ! Céleri - Poils brûlés
Polyméthyle
Méthacrylates
Luminaire M ∫∫ Pomme
Cellulosiques Lunettes M ∫∫ ☺ ! Vinaigre
Polyoléfines
(Polyéthylène -
Polypropylène)
Seau, Bassine M ∫∫ ☺ Bougie
Polyesters armés
Toitures
translucides G ∫∫∫ ☻ T Gaz - Fleur de soucis
Matelas G ∫∫∫ ☺ TTT Amandes amèresMousses souples
Polyurèthanes
Mousses rigides Flotteur M ∫∫ ☺ TTT Amandes amères
Polystyrènes expansés Emballage glace G ∫∫∫ ☻ Gaz - Fleur de soucis
Phenoplastes Téléphone Phénol, Crésyl
Aminoplastes Assiette F ∫ T " Marée
a
F = Faible, M = Moyenne, G = Grande
b
☺ blanche, ☻ noire
c
" s'éteint seul, ! peut s'éteindre seul

Table 2
Produits non modifiés
Inflam-
mabilité
Quantité
et
couleur
des
fumées
Aptitude à fondre
et à goutter
Odeur en brûlant Bruit en brûlant Divers
●● ☻☻☻ ## Acide piquante Résidus charbonneuxP.V.C. souple
Polychlorure de vinyle
P.V.C. rigide ● ☻☻☻ Acide piquante Résidus charbonneux
Polystyrène ●●● ☻☻☻ $$ Gaz - Fleur de soucis Bullent en brûlant Fumerons noirs
Acrylonitrile - Butadiène -
Styrène (A.B.S.) ●● ☻☻☻ Gaz - Fleur de soucis Fumerons noirs
Polyamides ◒ ☺ %%% Céleri - Poils brûlés Caramélisent et filent
Polyméthyle
Méthacrylates ◒◒ Pomme Crépitent
Cellulosiques ●● ☺ %%% Vinaigre Crépitent
Polyoléfines
(Polyéthylène - Polypropylène) ◒◒ ☺ $$$ Bougie
Polyesters armés ◓◓◓ ☻☻ Gaz - Fleur de soucis Résidus fibres de verre
●●● ☺ # Amandes amères CaramélisentMousses souples
Polyurèthanes
Mousses rigides ●● ☺ Amandes amères Crépitent Caramélisent
Polystyrènes expansés ●●● ☻☻☻ $$$ Gaz - Fleur de soucis Se rétractent devant la flamme
Phenoplastes Phénol, Crésyl Carbonisent sans flamme
Aminoplastes ● Marée Très difficilement inflammable
● Peu inflammables
●● Moyennement inflammables
●●● Très inflammables
◓ Flamme à extrémité bleu
◒ Flamme à base bleu
☺ Fumée blanche
☻☻ Moyenne fumée noire
☻☻☻ Epaisse fumée noire
# Peu de gouttes
$ Gouttes enflammées
% Gouttes filantes
CASE BARREE: le produit s'éteint seul
CASE BARREE en POINTILLE: certaines
qualités s'éteignent seules

9.1.3. Série 340
Matériel: - échantillons de matière plastique - 1 bécher de 250 mL
- 1 bec Bunsen - 4 béchers de 100mL
- 1 pince en bois - 6 tubes à essais
- 1 pince métallique - eau distillée
- 1 agitateur en verre - acétone + pipette 2 mL avec pipeteur
- 1 fil de cuivre - 1 rouleau de papier pH
Pour identifier les différents échantillons de matières plastiques, réaliser les tests décrits ci-dessous en
utilisant l'organigramme des essais et en respectant la chronologie des opérations et les consignes de
sécurité.
Remarque: pour les thermoplastiques, lorsqu'un test se révèle positif, arrêter la recherche et passer à
l'échantillon suivant.
DESCRIPTION DES ESSAIS:
9.1.3.1. Test de chauffage
Chauffer l'agitateur en verre, tenu avec la pince en bois, dans la flamme du bec Bunsen et le poser sur
l'échantillon.
Si l'échantillon ramollit (ou garde une empreinte), alors le test est positif.
9.1.3.2. Test de densité
(non valable pour les plastiques armés ou contenant de l'air)
Plonger l'échantillon dans un bécher rempli d'eau et le maintenir immergé pendant une vingtaine de
secondes, puis le libérer.
Si l'échantillon surnage, alors le test est positif.
9.1.3.3. Test de Belstein
- Chauffer au rouge le fil de cuivre tenu à l'aide d'une pince en bois.
- Poser le fil sur l'échantillon et le tourner afin de l'enrober de matière plastique.
- Réintroduire le fil de cuivre au sommet de la flamme du bec Bunsen.
Si la flamme prend une couleur verte, alors le test est positif.
- Nettoyer le fil de cuivre en le maintenant dans la flamme jusqu'à disparition de la couleur verte et le
décaper à l'aide du papier de verre avant de l'utiliser pour un nouveau test.

9.1.3.4. Test du solvant
(à faire loin de toute flamme):
- Placer l'échantillon dans un tube à essais.
- Prélever à l'aide la pipette environ 2 mL d'acétone et verser le liquide dans le tube à
essais.
- Attendre 10 minutes et verser quelques gouttes d'eau distillée dans le tube à essais.
Si un trouble (précipité) apparaît, alors le test est positif.
9.1.3.5. Test du papier pH
(à faire sous la hotte aspirante)
- Placer l'échantillon dans un tube à essais
- Placer un morceau de papier pH humidifié à l'eau distillée à l'orifice du tube.
- Chauffer doucement le tube jusqu'à obtention d'un dégagement gazeux.
En comparant la couleur du papier pH à celle de l'échelle de couleurs, déterminer le pH des vapeurs
obtenues.
Si le pH est supérieur à 8, alors le test est positif.
9.1.3.6. Test de combustion
(à faire sous la hotte aspirante)
- Placer l'échantillon, tenu à l'aide de la pince métallique, dans la flamme du bec
Bunsen.
- Observer la combustion éventuelle de l'échantillon.
Si la combustion est facile (avec ou sans fumées), alors le test est positif.

ORGANIGRAMME DES ESSAIS
Test de chauffage THERMODURCISSABLE
négatif
THERMOPLASTIQUE
Test de densité POLYOLEFINES
(polyéthylène ou polypropylène)
Test de Belstein POLYCHLORURE DE
VINYLE (PVC)
Test du solvant POLYSTYRENE
Test du papier pH POLYAMIDE
Test de combustion
POLYURETHANE
négatif
négatif
négatif
négatif
positif
positif
positif
positif
positif
Plastique contenant
de l'air ou armé
POLYACRYLIQUE
ACETATE DE CELLULOSE
positif
négatif
avec
fumée
sans
fumée

9.2. LABORATOIRE 2 - Pourcentage de cuivre dans une pièce de monnaie
Les pièces de 1, 2, 5 centimes d'euros sont en acier enrobés de cuivre ; le but de ce TP est de
déterminer le pourcentage de cuivre dans chacune de ces pièces.
9.2.1. Matériel et réactifs
• 2 burettes
• 10 tubes à essai
• 2 fioles jaugées de 100 mL
• 1 bécher de 400 mL
• balance
• spectrophotomètre
• 1 pièce de 2 centimes d'euro (ou 1 ou 5)
• acide nitrique concentré (53 %)
• sulfate de cuivre
9.2.2. Mode opératoire
1. Peser une pièce de monnaie.
2. Sous la hotte, placer la pièce dans le bécher et la recouvrir d'acide nitrique. ATTENTION LA
REACTION EST VIOLENTE ET EXOTHERMQUE. DEGAGEMENT DE VAPEURS
NITREUSES TRES IRRITANTES.
PORT DES LUNETTES ET GANTS OBLIGATOIRES.
3. Quand le dégagement gazeux cesse, transvaser la solution dans une fiole de 100 mL et ajuster à
100 avec de l'eau distillée. On obtient une solution verdâtre: solution S1.
4. Courbe d'étalonnage
Préparer une solution S dite solution mère: 3,75 g de sulfate de cuivre dans 100 ml d'eau
distillée.
Remplir une burette de cette solution et l'autre burette d'eau distillée. Préparer les 9 solutions
étalon suivantes qui serviront à la construction de la courbe d'étalonnage et calculer leur
concentration en Cu2+
.
Mesurer l'absorbance A de chaque solution en prenant pour maximum d'absorbance une
longueur d'onde de 800 nm. Le blanc sera fait avec de l'eau distillée.
Tracer le graphe A =f ([Cu2+
])
Tube 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Volume de S
Volume d'eau distillée
[Cu2+
]
A
5. Etude de la solution S1
Mesurer l'absorbance de la solution mère S1 en déduire sa concentration en [Cu2+
], calculer
alors la masse de cuivre et son pourcentage dans la pièce

9.3. LABORATOIRE 3 - Diagramme potentiel-pH du système fer-eauff
9.3.1. Introduction
L'oxydoréduction est un échange électronique entre deux espèces:
a Ox + n é b Red
Pour un système oxydoréducteur donné, et par suite d'électrons échangés entre la forme oxydée Ox et
la forme réduite Red en solution, un fil conducteur inattaquable plongé dans la solution prend un
potentiel d'équilibre donné par la formule de NERNST:
[ ]
[ ]b
a
0
Red
Ox
ln
n.F
R.T
EE +=
E° désigne le potentiel normal d'oxydoréduction du couple redox Ox/Red; n désigne le nombre
d'électrons échangés; F désigne le faraday, la charge transportée par une mole d'électrons, soit environ
96500 C; [Ox] et [Red] les concentrations respectives, exprimées en mol.L-1
, des espèces oxydante Ox
et réductrice Red mises en jeu.
A 298 K, et en remplaçant les constantes par leurs valeurs numériques, l'expression s'écrit en utilisant
le logarithme décimal, log:
[ ]
[ ]b
a
0
Red
Ox
log
n
0,059
EE +=
Le potentiel E est appelé potentiel d'équilibre d'oxydoréduction par rapport à l'électrode normale à
hydrogène (ENH), dont le potentiel normal E° vaut, par définition, 0,00 V, à n'importe quelle
température.
De nombreuses réactions d'oxydoréduction font, en plus de l'échange d'électrons entre les formes Ox et
Red, intervenir des protons.
Il en résulte que les propriétés oxydoréductrices dépendent du pH ou, inversement, qu'une réaction
d'oxydoréduction modifie le pH.
Le schéma d'écriture général de la réaction devient alors:
a Ox + m H3O+
+ n é b Red + c H2O
Il lui correspond un potentiel d'équilibre E tel que:
[ ]
[ ]
.pH
n
m
0,059.-
Red
Ox
log
n
0,059
EE b
a
0
+=
ff
Référence 41

Les mesures qui seront faites par l'étudiant seront des mesures de différence de potentiel ∆E entre deux
électrodes, puisqu'on ne lit jamais un potentiel mais une différence de potentiel entre deux électrodes:
l'électrode de mesure, en général en platine, qui mesurera E et l'électrode de référence, en général une
électrode au calomel, saturée en KCl, et dont le potentiel E° par rapport à l'électrode normale à
hydrogène vaut 0,24 V. Ce potentiel restera fixe tout au long de la mesure.
Ainsi, pour exprimer le potentiel de mesure Emesure, pris par l'électrode de platine, on aura la relation
suivante:
Emesure = ∆Elu + 240
si l'on exprime E et ∆Elu en millivolts.
On se propose de tracer la variation du potentiel de mesure Emesure de chaque équilibre d'un système
donné, en fonction du pH de la solution.
Ce tracé est particulièrement intéressant, comme l'a montré l'école belge de Marcel POURBAIX, pour
l'étude de la corrosion des métaux en solution aqueuse acidobasique et au contact d'un milieu
oxydoréducteur.
9.3.2. Tracé des diagrammes de POURBAIX
Pour un élément donné et une concentration fixée de l'élément en solution, on représente par des
droites, ou "frontières", les variations du potentiel E mesure des différents équilibres en fonction du
pH.
Dans un système d'axes Emesure - pH et dans le cas où le rapport
[ ]
[ ]b
a
Red
Ox
vaut 1, les courbes
Emesure = f(pH) sont des droites d'équation:
.pH
n
m
0,059.-EE 0
mesure =
Sur ces droites il y a égalité des concentrations de l'oxydant et du réducteur.
Au-dessus des droites il y a prédominance de la forme oxydée Ox sur la forme réduite Red car
Emesure > E° implique que [Ox] > [Red].
Au-dessous des droites il y a prédominance de la forme réduite Red sur la forme oxydée Ox car
Emesure < E° implique que [Ox] < [Red].
Si l'équilibre électrochimique est indépendant du pH, comme lorsqu'il se produit l'équilibre:
Mn+
+ n é M
alors la droite Emesure = f(pH) est parallèle à l'axe des pH. Son ordonnée à l'origine vaut alors:
Emesure = E°

L'utilisation de telles représentations graphiques mettant en évidence de façon très visualisée les
régions de prédominance des diverses espèces est très utile à la compréhension de la chimie
inorganique en solution aqueuse.
9.3.3. Etude théorique du diagramme d'équilibre potentiel-pH du fer
En première approximation on considèrera le système approché comprenant les constituants suivants:
Fesolide; Fe(II); Fe(III); Fe(OH)2 solide; Fe(OH)3 solide.
Les diverses droites frontières sont représentées pour les équilibres suivants:
Droite (1):
Fe2+
+ 2 é Fe
La valeur théorique du potentiel normal E° du couple redox Fe2+
/Fe est -0,44 V.
Droite (2):
Fe3+
+ 3 é Fe
La valeur théorique du potentiel normal du couple redox Fe3+
/Fe2+
est égale à 0,77 V.
En milieu sulfurique, du fait de la complexation des ions Fe(II) et Fe(III) avec les anions sulfate, la
valeur expérimentale de E° devient 0,68 V.
Droite (3):
Fe2+
+ 2 HO-
Fe(OH)2 solide
La valeur du produit de solubilité Ks de l'hydroxyde de fer (II), Fe(OH)2 est égale à 1,64.10-14
.
Droite (4):
Fe3+
+ 3 HO-
Fe(OH)3 solide
La valeur du produit de solubilité Ks de l'hydroxyde de fer (III), Fe(OH)3, est égale à 1,1.10-36
.
Droite (5):
Fe(OH)3 solide + 3 H3O+
+ é Fe2+
+ 6 H2O
Droite (6):
Fe(OH)2 solide + 2 H3O+
+ 2 é Fesolide + 4 H2O

Droite (7):
Fe(OH)3 solide + H3O+
+ é Fe(OH)2 solide + 2 H2O
9.3.4. Etude expérimentale des équilibres (2), (5) et (7)
Pour effectuer le travail on dispose de trois électrodes: une électrode de mesure, en platine; une
électrode de référence au calomel, saturée en KCl, et une électrode combinée de pH.
On pourra ainsi, simultanément, mesurer la différence de potentiel ∆E entre les électrodes de mesure et
de référence et le pH de la solution.
Dans cette étude les électrodes plongeront dans une solution contenant les ions Fe(II) et Fe(III) dont le
pH initial sera 0.
9.3.4.1. Préparation des solutions de Fe(II) et de Fe(III)
9.3.4.1.1. Solution de Fe(II)
A l'aide de cristaux de sel de MOHR (sulfate double de fer (II) et d'ammonium, hexahydraté:
Fe(NH4)2(SO4)2, 6H2O) préparer 200 mL d'une solution à 0,05 mol.L-1
en Fe(II). La masse molaire du
sel de MOHR est égale à 392 g.mol-1
. On dissoudra les cristaux dans 1 mL d'acide perchlorique
concentré HClO4. On étendra la solution à 200 mL avec de l'eau distillée.
9.3.4.1.2. Solution de Fe(III)
Préparer un volume de 200 mL d'une solution à 0,05 mol.L-1
en Fe(III) à partir de sulfate de fer(III).
9.3.4.2. Tracé des droites correspondant aux équilibres (2), (5) et (7)
Dans un bécher de 250 mL mélanger 50 mL de chacune des deux solutions préparées en 9.3.4.1.
Plonger les électrodes de travail.
Verser goutte à goutte la soude à 3 mol.L-1
.
Après chaque addition de soude noter les valeurs du pH et de la différence de potentiel ∆Elu.
Utiliser la soude à 3 mol.L-1
jusqu'à pH 9 puis ensuite la soude à 10 mol.L-1
.
Entre chaque addition de soude ne pas oublier d'agiter la solution. Attendre toujours que l'équilibre soit
réalisé: pH et différence de potentiel ∆E stables.
Noter chaque couple de valeurs (∆E ; pH).
En déduire chaque couple (Emesure ; pH).

Tracer les droites obtenues expérimentalement sur une feuille de papier millimétré.
9.3.4.3. Exploitation des résultats
Donner les valeurs des pH correspondant aux deux points d'intersection des droites.
Les lignes frontières entre Fe(II) et Fe(OH)2 solide, ainsi que celles entre Fe(III) et Fe(OH)3 solide sont des
verticales. Les tracer et en déduire les domaines de stabilité de Fe(II), de Fe(III), de Fe(OH)2 solide, ainsi
que de Fe(OH)3 solide.
9.3.4.4. Etude théorique des équilibres (3) et (4)
9.3.4.4.1. Equilibre (3)
Exprimer la valeur du pH en fonction de la concentration des ions Fe (II), connaissant la valeur du
produit de solubilité de Fe(OH)2 solide, à savoir Ks = 1,64.10-16
à 25°C.
On rappelle que le produit ionique de l'eau, Ke, Ke = (H3O+
)(HO-
), vaut 10-14
à la même température.
Donner la valeur du pH de début de précipitation de Fe(OH)2 solide pour une concentration en Fe(II)
égale à 0,025 mol.L-1
.
Comparer cette valeur à celle obtenue expérimentalement.
9.3.4.4.2. Equilibre (4)
Mêmes questions qu'en 9.3.4.4.1 mais cette fois pour l'équilibre (4). Le produit de solubilité Ks de
l'hydroxyde de fer (III) Fe(OH)3 solide est égal à Ks = 1,1.10-36
à 25°C.
9.3.4.5. Etude théorique des équilibres (1) et (6)
En appliquant la formule de NERNST donner l'expression du potentiel E1 correspondant à l'équilibre
(1) en fonction de la concentration en Fe(II), sachant que le potentiel E° du couple Fe2+
/Fe est égal à -
0,44 V.
En déduire la valeur de E1 lorsque la concentration en Fe(II) est égale à 0,025 mol.L-1
.
Tracer la ligne frontière relative à l'équilibre (1) et en déduire les coordonnées du point de concours A
avec la droite correspondant à l'équilibre (6).
A l'aide de l'équation de NERNST appliquée à la réaction (6) et des coordonnées du point A, donner
l'expression du potentiel E6 de l'équilibre (6) en fonction du pH et le tracer sur le diagramme.

9.3.4.6. Interprétation du diagramme
En utilisant les résultats précédents, préciser les domaines d'existence des différents constituants du
système fer-eau.
Tracer sur le même diagramme les deux droites correspondant respectivement à l'oxydation de l'eau et
à la réduction de l'eau.
On considérera que la pression des gaz est égale à 1 bar.
Pour l'oxydation de l'eau le potentiel normal E° du couple redox mis en jeu, O2/H2O, est égal à 1,23 V.
Pour la réduction de l'eau le potentiel normal E° du couple redox mis en jeu, H3O+
/H2, est égal à
0,00 V.
En déduire le caractère métastable (thermodynamiquement instable mais cinétiquement "favorisé",
c'est-à-dire avec une décomposition à la vitesse extrêmement lente) dans l'eau des espèces suivantes:
Fesolide, Fe(II), Fe(OH)2 solide.
En déduire le caractère thermodynamiquement stable des espèces suivantes: Fe (III) et Fe(OH)3 solide.
Pour les plus courageux:
Indiquer comment sont modifiées les lignes frontières lorsque la concentration en fer devient égale à 1
mol.L-1
(cas d'école).

BIBLIOGRAPHIE
1. Déformation plastique et dislocations - 2.2 - Document Internet, 2004
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