1. Campus centre
Science des Matériaux
Cours de tronc commun
12/03/2013 Science des matériaux 1

2. Campus centre
Objectifs
• Connaître les principaux groupes de matériaux et
leurs propriétés.
• Avoir des notions sur la structure de la matière
• Avoir des notions sur la manière dont on élabore
les matériaux.
• Etre capable de choisir un matériau pour une
utilisation d'ordre générale.
12/03/2013 Science des matériaux 2

3. Campus centre
Histoire de la métallurgie
•L'échelle des temps
synthétise les principales
avancées en métallurgie.
•Les matériaux sont en
général le facteur limitant des
machines définissent le
niveau de développement de
l’humanité.
•âge de pierre, puis de bronze, puis de fer
•maîtrise de l’acier: trains, automobile, …
•maîtrise des semi-conducteurs: informatique
•moitié de la recherche du programme Apollo :
12/03/2013
matériaux nouveaux Science des matériaux 3

4. Campus centre
Généralités
• Matériau = est un solide utilisé par l’homme pour la
fabrication d’objets
• La science des matériaux est l’étude des relations qui
existent entre la structure et les propriétés générales de
ces matériaux
• La structure d’un matériau correspond à la façon dont
s’agencent ses éléments constitutifs
Échelle
subatomique Échelle
atomique Échelle
Échelle
microscopique
12/03/2013 Science des matériaux
macroscopique 4

5. Campus centre
Généralités
• L’utilisation d’un matériau dépend :
• de ses propriétés
• de ses ressources
• de son coût
• des méthodes de synthèse
• de sa compatibilité avec l’environnement
• de la possibilité de mise en forme
• de son aspect esthétique
12/03/2013 Science des matériaux 5

6. Chapitre 1:
Choix d’un matériaux
12/03/2013 Science des matériaux 6

7. Campus centre
Choix d’un matériaux
• Le choix d'un matériau dépend de
l'application. Il faut définir précisément le
besoin. Cela fait appel à la notion de fonction :
• cahier des charges fonctionnel (CDCF).
• Méthode APTE : diagramme pieuvre, validation du besoin
12/03/2013 Science des matériaux 7

8. Pourquoi le besoin existe-t-il ?
Qu'est-ce qui peut le faire évoluer ?
Qu'est-ce qui peut le faire disparaître ?
12/03/2013 Science des matériaux 8

9. Campus centre
Choix d’un matériaux
• Méthode APTE : diagramme pieuvre
Diagramme des interactions
pour un produit ayant
deux fonctions de service
principales, FP1 et FP2,
six fonctions contraintes ou
complémentaires, FC1 à 6
12/03/2013 Science des matériaux 9

10. Campus centre
Stratégie de choix
• Méthode de M. F. Ashby et D. Cebon de
l'Université de Cambridge :
• Traduction du cahier des charges.
• Revue des matériaux, sélection en fonction des
contraintes.
• Classement des matériaux retenus en fonction des
objectifs.
• Consultation de la documentation sur les matériaux.
12/03/2013 Science des matériaux 10

11. Campus centre
Classes des matériaux
• Il y a trois classes de matériaux :
Métaux et alliages
Céramiques Polymères
métalliques
Mélange
Les matériaux
composites
12/03/2013 Science des matériaux 11

12. Campus centre
Classe des matériaux
Métaux et alliages Exemples :
Polymères Exemples:
Céramiques (matériaux minéraux) : Exemples:
Composites Exemples:
12/03/2013 Science des matériaux 12

13. Campus centre
Différence entre Propriétés et
Performances
Propriétés mécaniques
Propriétés chimiques
Propriétés physiques
12/03/2013 Science des matériaux 13

14. Différence entre Propriétés et
Campus centre
Performances
Performances
techniques
Performances
socio-économiques
12/03/2013 Science des matériaux 14

15. Propriétés Générales
Campus centre des Matériaux
Métaux Céramiques Polymères
Rigidité
Ductilité
Conductivité
électrique
Conductivité
thermique
Stabilité chimique
Impact
environnemental
Aspect
12/03/2013 Science des matériaux 15

16. Campus centre
Quelques chiffres
• Répartition mondiale de la consommation des
principaux matériaux en millions de tonnes/an:
• Béton environ 5000 Mt/an
• Aciers 1300 Mt/an
• Polymères 150 Mt/an
• Aluminium 22 Mt/an
• Cuivre 12 Mt/an
12/03/2013 Science des matériaux 16

17. Campus centre
Recyclage
12/03/2013 Science des matériaux 17

18. Campus centre
Recyclage
• Intérêt :
– Préserver les ressources naturelles et éviter les dommages dus à
l’extraction
– Economiser l’énergie
– Eviter et la destruction
• Recyclage actuel:
• Acier
• Cuivre
• Aluminium
• Papier
• Verre
• Certains polymères
12/03/2013 Science des matériaux 18

19. Campus centre
Chapitre 2:
Les Propriétés des matériaux
12/03/2013 Science des matériaux 19

20. Campus centre
Introduction
6 grandes catégories de propriétés
•Mécaniques
•Électriques
•Thermiques
•Magnétiques
•Optiques
•Chimiques
12/03/2013 Science des matériaux 20

21. Campus centre
Les propriétés Mécaniques
Elles concernent la déformation d’un matériau
soumis à une force
• La résistance
• La dureté
• La ductilité
• La rigidité
• La ténacité
12/03/2013 Science des matériaux 21

22. Campus centre
Les propriétés Mécaniques
• Quand un corps est soumis à l’action de forces
extérieures des contraintes internes
s’établissent:
• À ces contraintes sont associées des déformations
12/03/2013 Science des matériaux 22

23. Campus centre
Essai de traction
• Essais normalisés
• Pour étudier le comportement mécanique des
matériaux il faut travailler avec des pièces
identiques quelque soit le matériaux : Ce
qu’on appelle les éprouvettes.
12/03/2013 Science des matériaux 23

24. Campus centre
Essai de traction
• Tirer sur une éprouvette
• Enregistrer la force et l’allongement de
l’éprouvette.
• Analyse de l’assai:
12/03/2013 Science des matériaux 24

25. Campus centre
Essai de traction
• Distinguer les notions de résistance , de fragilité
et de dureté.
• Un matériau dur est souvent fragile : le verre
• Les modes de déformation sont :
– Elastique: La matière reprend sa forme initiale, la
déformation est réversible
– Plastique: La matière garde une déformation
résiduelle et irréversible.
– Striction: la matière se concentre dans un seul endroit
et il y aura une rupture prochaine.
12/03/2013 Science des matériaux 25

26. Campus centre
Essai de traction
• Courbe de traction:
Rm C
B D
Re 0.2 Point de rupture
A
Re
Contrainte (MPa)
Domaine
Domaine Plastique
Elastique
12/03/2013 O Science des matériaux 26
Déformation

27. Campus centre
Essai de traction
• La surface S est soumise à une contrainte
normale de traction :
Pour une traction simple , la
contrainte est la même sur toute la
surface S
La contrainte devient alors :
12/03/2013 Science des matériaux 27

28. Campus centre
Essai de traction
• Propriétés élastiques :
 La déformation élastique est réversible
 Les déformations sont extrêmement petites (< 0,001)
 En première approximation, les longueurs et les
surfaces restent constantes on ne distingue plus
valeurs vraies et nominales
12/03/2013 Science des matériaux 28

29. Campus centre
Essai de traction
• Propriétés élastiques :
• La loi linéaire : σ = f(ɛ)
• La loi de Hooke: σ = E.ɛ
• Si E est élevée le matériau est rigide
• Si E est faible alors le matériau est souple.
Matériaux E(Gpa)
Diamant 1000
Céramique 550
Méteaux 70-420
Béton 20
Elastomère 0.003
12/03/2013 29
Science des matériaux

30. Campus centre
Autres essais mécaniques
• Essai de dureté
– Essai de Vickers
– Essai de Brinell
– Essai de Rockwell
• Essai de flexion de Charpy
• Essai de fatigue
• Essai de fluage
• Coefficient d’adhérence et de frottement
12/03/2013 Science des matériaux 30

31. Campus centre
Essai de dureté
• La dureté quantifie la résistance d’un matériau à la
pénétration sous une charge F
• Il ne permet pas de déterminer des caractéristiques
fondamentales du matériau, mais il permet de
comparer plusieurs matériaux entre eux, et de suivre
l'évolution d'un matériau en cours de traitement
• Elle dépend de :
– Déformations élastiques et plastiques
– Forces de frottement sur la surface du matériaux
– Géométrie du pénétrateur
– Force appliquée
12/03/2013 Science des matériaux 31

32. .
Campus centre
Essai de dureté :
essai de Vickers
• L'essai VICKERS consiste à mesurer les dimensions d de
l'empreinte laissée par un pénétrateur pyramidal.
Diamant de forme pyramidale à base carrée
12/03/2013 Science des matériaux 32

33. .
Campus centre
Essai de dureté :
essai Brinell
L'essai BRINELL est similaire à l'essai VICKERS, mais le pénétrateur est une bille.
La dureté HB est calculée en fonction de la force, du diamètre de le bille D et
du diamètre de l'empreinte d :
12/03/2013 Science des matériaux 33

34. Campus centre
Essai de dureté :
essai Rockwell
• on effectue un pré chargement avec une force F0 ;
• on applique une force supplémentaire F1 puis on la relâche ;
• on regarde la profondeur r que l'on a gagné.
Un degré ROCKWELL correspond donc
à un enfoncement de 0,002 mm.
12/03/2013 Science des matériaux 34

35. Essai de flexion
Campus centre
choc CHARPY
Cet essai consiste à rompre une éprouvette entaillée par un choc. Il permet de tester le matériau
dans des conditions de fragilisation :
•vitesse de déformation élevée ;
•concentrations de contrainte (éprouvette entaillée) ;
•diverses conditions de température :
comme c'est un essai rapide, l’éprouvette n'a pas le temps de refroidir ni ne de se réchauffer.
12/03/2013 Science des matériaux 35