Science des Matériaux

On traite des propriétés physiques des différents matériaux et la manière de les mesurer.

Comprendre et mesurer les matériaux

La compréhension des propriétés physiques des matériaux est cruciale dans de nombreuses industries, car elle permet le développement et l'amélioration de matériaux adaptés à des applications spécifiques :

Mesurer les matériaux

Dans le langage courant, on dit qu'un matériaux ou objet est "solide" ou "fragile". Cependant, le verre est par exemple très dur, mais se casse, le plastique est presque incassable mais plus "mou". Dans une approche technique et scientifique, on a besoin de précision, mettons donc cela au clair avec les diférentes "dimensions" de la solidité.

Les propriétés des matériaux sont généralement décrites à l'aide des unités suivantes :

Ces essais et unités fournissent une compréhension globale des caractéristiques mécaniques d'un matériau et aident les ingénieurs à sélectionner les matériaux les plus appropriés pour leurs applications.

Élasticité / Plasticité

La déformation élastique et la déformation plastique sont deux types de déformation qui peuvent se produire dans les matériaux lorsqu'ils sont soumis à des forces ou des contraintes externes.

La Limite d'élasticité (Yield strength) définit la quantité de contrainte qu'un matériau peut supporter avant de commencer à se déformer plastiquement (c'est-à-dire de manière permanente). Elle est généralement mesurée en unités de force par unité de surface, telles que les psi ou les MPa.

Solidité / Ductilité

La fragilité et la ductilité sont deux propriétés importantes qui décrivent la réponse d'un matériau à la déformation ou au stress.

La fragilité (brittleness) est la tendance d'un matériau à se fracturer ou à se casser sans subir de déformation plastique significative. Les matériaux fragiles sont généralement durs et rigides, mais ils manquent de la capacité d'absorber de l'énergie et de se déformer plastiquement avant la rupture (verre, céramique, fonte).

La ductilité, en revanche, est la capacité d'un matériau à subir une déformation plastique significative avant la rupture. Les matériaux ductiles sont généralement plus mous et plus malléables que les matériaux fragiles, et ils sont capables d'absorber plus d'énergie et de se déformer plastiquement avant la rupture. Cela peut les rendre plus résistants aux chocs et au chargement dynamique (cuivre, aluminium, plastiques).

Déterminer les propriété mécanique

On va pouvoir qualifier les propriétés mécanique d'un matériau au travers de son comportement (plasticité, élasticité) sous différentes contrainte :

Pour chacun de ces tests, on mesure plusieurs grandeurs :

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Dans certains matériaux, comme l'aluminium, il y a une apparition progressive de comportement non-linéaire, et il n'y a pas de point de rupture précis. Dans un tel cas, le point de rupture à l'offset (ou la contrainte d'essai) est pris comme étant la contrainte à laquelle se produit une déformation plastique de 0,2 %. On note donc la limite d'élasticité (Rp0,2).

Pour ceux qui ne saisissent pas le module de Young, deux vidéos YouTube élcairent bien le sujet :

L'article anglais de Wikipedia sur la résistance des matériaux détaille bien les différents types de forces et de stress.

Résistance à l'impact

Un essai d'impact est un type d'essai mécanique utilisé pour déterminer la capacité d'un matériau à résister à des contraintes soudaines et élevées, telles que celles qui peuvent survenir lors d'un choc. L'essai consiste à soumettre un échantillon du matériau à un choc contrôlé, puis à mesurer la quantité d'énergie absorbée par le matériau avant qu'il ne se brise ou ne se rompe.

Il existe plusieurs types d'essais d'impact, notamment :

Les résultats d'un essai d'impact sont toujours exprimés en Joules et permettent d'évaluer la résistance et la ténacité d'un matériau, ce qui est important dans les applications telles que l'ingénierie automobile et aérospatiale, où les matériaux doivent être capables de résister à des contraintes de choc élevées.

Traction (tensile strength)

Dans un test de traction, un échantillon du matériau est soumis à une charge de traction uniaxiale croissante jusqu'à ce qu'il se brise. La force appliquée et la déformation résultante sont enregistrées, et les données sont utilisées pour calculer la résistance à la traction ultime (UTS pour ultimate tensile strength), la limite d'élasticité et l'allongement du matériau.

Ce test, dont les résultats s'expriment en Pascal (Pa) établit différentes propriétés :

Test de compression

Le test de compression est une autre méthode couramment utilisée pour mesurer la résistance et la rigidité des matériaux. Dans un test de compression, un échantillon du matériau est soumis à une charge de compression uniaxiale croissante jusqu'à ce qu'il se brise. La force appliquée et la déformation résultante sont enregistrées, et les données sont utilisées pour calculer la résistance à la compression, la limite d'élasticité et le module d'élasticité du matériau.

Une considération importante dans les tests de compression est la possibilité de flambement, ou d'instabilité latérale, dans l'échantillon de test. Le flambement peut se produire lorsqu'une colonne ou une poutre mince est soumise à une charge de compression, ce qui l'amène à se plier ou à se déformer sur le côté.

Pour éviter le flambement dans les tests de compression, l'échantillon de test doit être aussi court et rigide que possible, et la charge doit être appliquée aussi près que possible du centre de gravité de l'échantillon.

Test de flexion

Les essais de flexion (bending test ou flexural test), également appelés essais de pliage, sont une méthode utilisée pour mesurer la résistance et la rigidité des matériaux soumis à des charges de flexion.

Dans un essai de flexion, un échantillon du matériau est soumis à une charge croissante qui est appliquée perpendiculairement à son axe longitudinal, ce qui le fait plier. La force appliquée et la déformation résultante sont enregistrées, et les données sont utilisées pour calculer la résistance à la flexion, la limite d'élasticité et le module d'élasticité du matériau.

Une considération importante dans les essais de flexion est le type de charge et les conditions de support utilisés dans le test. Les types de charge les plus courants sont la flexion à trois points et la flexion à quatre points, qui diffèrent par le nombre de points d'application de la charge. Les conditions de support peuvent également varier, certains tests utilisant des supports simples et d'autres des dispositifs plus complexes. Le choix de la charge et des conditions de support dépend de l'application spécifique et des propriétés les plus importantes pour l'utilisation prévue du matériau.

Les essais de flexion sont un outil précieux pour comprendre le comportement mécanique des matériaux et pour sélectionner des matériaux pour des applications spécifiques. L'utilisation de méthodes d'essai standardisées et d'unités de mesure assure la fiabilité et la comparabilité des résultats des essais de flexion.

Test de dureté

Les essais de dureté sont une méthode utilisée pour mesurer la résistance d'un matériau à la déformation ou à la pénétration. C'est une considération importante dans la conception de composants et de systèmes qui sont soumis à l'usure, aux chocs ou à d'autres types de chargement.

Il existe plusieurs types d'essais de dureté, chacun utilisant une méthode différente pour appliquer une charge au matériau et mesurer sa réponse. Voici quelques-uns des types d'essais de dureté les plus courants :

Le choix de l'essai de dureté dépend de l'application spécifique et des propriétés qui sont les plus importantes pour l'utilisation prévue du matériau. Par exemple, l'essai de dureté Brinell est couramment utilisé pour les grandes sections épaisses de métal, tandis que l'essai de dureté Vickers est souvent utilisé pour les sections plus petites et plus minces. L'essai de dureté Rockwell est couramment utilisé pour les métaux traités thermiquement et l'acier trempé, tandis que l'essai de dureté Shore duromètre est souvent utilisé pour les élastomères et autres matériaux souples.

Propriétés thermiques

Les propriétés thermiques sont un aspect important de la caractérisation des matériaux, car elles peuvent avoir une grande influence sur les performances et le comportement d'un matériau dans une application donnée. Voici quelques-unes des propriétés thermiques les plus couramment utilisées :

Tg vs HDT

La température de transition vitreuse (Tg glass transition temp) est la température à laquelle un matériau amorphe (non cristallin) passe d'un état dur et cassant à un état souple et élastique. Cette transition est due à la mobilité accrue des chaînes moléculaires du matériau à des températures plus élevées. Tg est une considération importante dans la sélection de matériaux pour les applications qui nécessitent de la flexibilité ou de l'élasticité.

La température de fléchissement sous charge (HDT heat deflection temp), en revanche, est une mesure de la capacité d'un matériau à résister à une certaine charge ou déformation à des températures élevées. HDT est généralement déterminé en soumettant un échantillon du matériau à une charge ou un stress spécifique tout en augmentant progressivement la température.

La température à laquelle l'échantillon se déforme ou se déforme d'un certain montant est enregistrée comme la HDT. HDT est une considération importante dans la sélection de matériaux pour les applications qui impliquent des températures élevées et un stress mécanique, comme dans les industries automobile ou aérospatiale.

En résumé, Tg est une mesure de la transition d'un matériau d'un état dur et cassant à un état souple et élastique, tandis que HDT est une mesure de la capacité d'un matériau à résister à une certaine charge ou déformation à des températures élevées.

Autres propriétés importantes

Voici quelques propriétés supplémentaires des matériaux qui sont importantes à prendre en compte, ainsi qu'une brève explication de chacune d'entre elles :

  1. Conductivité thermique : Il s'agit d'une mesure de la capacité d'un matériau à conduire la chaleur, mesuré en watts par mètre-kelvin (W/m-K). Les matériaux à haute conductivité thermique, tels que les métaux, sont bons pour transférer la chaleur, tandis que les matériaux à faible conductivité thermique, tels que les plastiques et les isolants, sont bons pour empêcher le transfert de chaleur applications telles que l'aérospatiale et l'ingénierie automobile, où des tolérances précises sont requises.
  2. Conductivité électrique : Il s'agit d'une mesure de la capacité d'un matériau à conduire l'électricité, mesuré en siemens par mètre (S/m). Les matériaux à haute conductivité électrique, tels que les métaux, sont bons pour transporter le courant électrique, tandis que les matériaux à faible conductivité électrique, tels que les plastiques et les isolants, sont bons pour empêcher le courant électrique de circuler.
  3. Densité : Il s'agit d'une mesure de la masse d'un matériau par unité de volume, mesuré en grammes par centimètre cube (g/cm3). Les matériaux à haute densité, tels que les métaux, sont plus lourds et plus compacts, tandis que les matériaux à faible densité, tels que les plastiques et les mousses, sont plus légers et moins compacts.
  4. Résistance à l'usure : la capacité d'un matériau à résister à l'usure et à l'abrasion peut être une considération importante dans les applications telles que les roulements, les engrenages et les outils de coupe.
  5. Résistance à la corrosion : Il s'agit d'une mesure de la capacité d'un matériau à résister à la corrosion, qui est la dégradation d'un matériau due à des réactions chimiques ou électrochimiques. Les matériaux à haute résistance à la corrosion, tels que l'acier inoxydable et l'aluminium, sont capables de résister à l'exposition à des environnements corrosifs sans se dégrader, tandis que les matériaux à faible résistance à la corrosion, tels que l'acier au carbone, ne le sont pas.

Résistance à l'usure

La résistance à l'usure fait référence à la capacité d'un matériau à résister aux forces mécaniques qui peuvent causer des dommages de surface, tels que des rayures, de l'abrasion ou de l'érosion. L'usure peut être causée par une variété de facteurs, notamment la friction, l'impact et la contamination par des particules. Les matériaux à haute résistance à l'usure sont souvent utilisés dans les applications où il y a beaucoup de contact ou de mouvement entre les surfaces, comme les roulements, les engrenages et les outils de coupe.

Il existe plusieurs façons de mesurer la résistance à l'usure, notamment :

Alliages d'Aluminium

Dans la production de pièces en aluminium, l'aluminium pur n'est presque jamais utilisé. On utilise des alliages, le choix de ce dernier est primordial car il détermine les propriétés des pièces finales.

Il existe deux grandes familles d'alliages d'aluminium, en fonction du procédé de fabrication :

Désignation de trempe

L'aluminium est souvent soumis à un traitement après fabrication, tel qu'un traitement thermique, un recuit (annealing) ou un traitement chimique. La désignation de trempe est un système utilisé pour indiquer le traitement spécifique qu'un alliage a subi. Il est commun aux deux systèmes d'alliages et suit le code d'alliage, séparé par un tiret, une lettre et éventuellement un à trois chiffres (par exemple, 6061-T6).

Les différentes désignations de trempe sont les suivantes :

NB : -W est une désignation intermédiaire relativement molle qui s'applique après le traitement thermique et avant que le vieillissement ne soit terminé. La condition -W peut être prolongée à des températures extrêmement basses, mais pas indéfiniment, et selon le matériau, elle durera généralement pas plus de 15 minutes à température ambiante.

Les grades de CNC

Je fais un abus de langage en utilisant le terme CNC, mais je pense que ça parle plus que le corroyage, j'entends donc par CNC l'ensemble des techniques d'usinage qui ne relèvent pas de la fonderie.

Le système le plus couramment utilisé pour classer les grades d'aluminium est le système à quatre chiffres, qui est basé sur les éléments d'alliage et la trempe du métal.

Le premier chiffre du code à quatre chiffres indique l'élément d'alliage majeur :

Le deuxième chiffre du code indique les modifications apportées à l'élément d'alliage majeur ou les autres éléments d'alliage qui ont été ajoutés.

Les troisième et quatrième chiffres du code indiquent l'alliage spécifique et l'association d'aluminium qui l'a développé. Par exemple, 6082 alliage avec environ 0,7-1,2 % Mg, 0,7-1,3 % Si, avec de petites quantités de manganèse et de cuivre.

Série 1xxx - Aluminium pur à 99% +

La série 1 de l'aluminium fait référence à un matériau contenant 99% d'aluminium pur ou plus. Il a une excellente résistance à la corrosion et une conductivité électrique et thermique. Ductile à l'état pur, cela rend le matériau idéal pour les applications électriques ou l'utilisation externe où il est exposé aux éléments, mais peu adapté aux situations où la force est essentielle.

Série 2xxx - Alliage de cuivre

Les alliages d'aluminium de la série 2000 sont principalement des alliages d'aluminium-cuivre. Ils sont reconnus pour leur haute résistance, comparable à celle de certains aciers, et sont souvent utilisés dans l'industrie aéronautique et aérospatiale. Cependant, leur résistance à la corrosion est inférieure à celle des autres séries d'aluminium, et ils nécessitent souvent un traitement de surface pour améliorer cette caractéristique.

On peut les protéger par placage. Cependant, autrefois très utililisé dans l'aérospatiale, ces alliages sont souvent remplacé par la Série 7xxx.

Applications typiques

Les alliages d'aluminium de la série 2000 sont utilisés dans des applications nécessitant une haute résistance et de bonnes performances mécaniques.

Quelques exemples d'applications :

En résumé, les alliages d'aluminium de la série 2000 sont des matériaux à haute résistance, adaptés à des applications exigeantes où les propriétés mécaniques sont prioritaires. Ils nécessitent toutefois des traitements spécifiques pour améliorer leur résistance à la corrosion et pour optimiser leurs performances en service.

Série 3xxx - Alliage de manganèse

L'aluminium de la série 3 est allié avec du manganèse, ce qui en fait un compromis entre la série 1 et la série 2. Il a une augmentation modérée de la rigidité par rapport à la série 1 sans affecter autant la résistance à la corrosion que la série 2.

Ils sont connus pour leur bonne résistance à la corrosion, leur formabilité, et leur bonne soudabilité. Cela en fait un choix populaire dans les grades d'aluminium et est souvent trouvé dans la toiture, les réservoirs de stockage, les portes de garage et les articles de cuisine.

Applications typiques

Les alliages d'aluminium de la série 3000 sont utilisés dans de nombreuses applications en raison de leurs bonnes propriétés mécaniques et leur excellente résistance à la corrosion. Voici quelques exemples d'applications :

En résumé, les alliages d'aluminium de la série 3000 sont des matériaux polyvalents et performants, adaptés à une large gamme d'applications nécessitant une bonne résistance mécanique, une excellente résistance à la corrosion, et une bonne formabilité.

Série 4xxx - Alliage de silicium

Les alliages d'aluminium de la série quatre sont principalement formés avec du silicium, ce qui abaisse le point de fusion de l'aluminium sans provoquer de fragilité et en fait le grade idéal pour le soudage et la fonte.

Il est couramment utilisé pour les matériaux de remplissage de brasage et les composants nécessitant une bonne résistance à la fatigue thermique, comme les pistons automobiles.

Applications typiques

Les alliages d'aluminium de la série 4000 sont utilisés dans diverses applications grâce à leur bonne coulabilité et leur résistance à la corrosion :

En conclusion, les alliages d'aluminium de la série 4000 sont particulièrement adaptés aux applications nécessitant une bonne coulabilité, une résistance à la corrosion et une bonne soudabilité. Bien qu'ils ne soient pas aussi résistants mécaniquement que certains alliages des séries 2000 ou 7000, ils offrent des avantages spécifiques dans les applications de soudage, de brasage et de coulée.

Serie 5xxx – Alliage de magnésium

Les alliages d'aluminium de la série 5000 sont principalement des alliages d'aluminium-magnésium. Ils sont reconnus pour leur excellente résistance à la corrosion, leur haute résistance mécanique, et leur bonne formabilité. Ces alliages sont particulièrement adaptés pour des applications dans des environnements marins et industriels agressifs.

Applications typiques

Les alliages d'aluminium de la série 5000 sont utilisés dans diverses applications nécessitant une excellente résistance à la corrosion, une bonne formabilité, et une résistance mécanique adéquate :

En résumé, les alliages d'aluminium de la série 5000 offrent un excellent équilibre entre résistance mécanique, formabilité, et résistance à la corrosion, ce qui les rend particulièrement adaptés pour des applications dans des environnements marins, industriels, et de transport.

Leur bonne soudabilité et leur aptitude à être formés en font des matériaux polyvalents pour une large gamme de pièces mécaniques et de structures.

Serie 6xxx – Alliage de magnésium et silicium

Pour les pièces mécaniques nécessitant une combinaison de résistance, de durabilité, de formabilité et de bonne résistance à la corrosion, les alliages d'aluminium de la série 6000 sont souvent les plus appropriés. Ces alliages sont principalement composés d'aluminium, de magnésium et de silicium, et sont très polyvalents, ce qui les rend adaptés à une large gamme d'applications mécaniques.

Propriétés mécaniques spécifiques

Voici quelques alliages typiques de la série 6000 et leurs propriétés mécaniques courantes :

Applications typiques

Les alliages d'aluminium de la série 6000 sont utilisés dans de nombreuses applications mécaniques en raison de leur bonne combinaison de propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion. Voici quelques exemples d'applications :

En résumé, les alliages d'aluminium de la série 6000 offrent une excellente combinaison de résistance mécanique, de formabilité, de soudabilité et de résistance à la corrosion, ce qui les rend très polyvalents et adaptés à une large gamme de pièces mécaniques.

Serie 7xxx – Alliage de zinc

Pour les pièces mécaniques nécessitant une haute résistance, les alliages d'aluminium de la série 7000 sont généralement les plus convenables. Ces alliages sont principalement composés d'aluminium et de zinc, avec des ajouts de magnésium et de cuivre, et sont connus pour leur excellente résistance mécanique et leur durabilité.

Voici un aperçu des principales caractéristiques de cette série d'alliages :

Propriétés mécaniques spécifiques

Voici quelques alliages typiques de la série 6000 et leurs propriétés mécaniques courantes :

Applications typiques

Les alliages d'aluminium de la série 7000 sont utilisés dans des applications où la haute résistance est critique. Voici quelques exemples d'applications :

En conclusion, pour des pièces mécaniques nécessitant une haute résistance, les alliages d'aluminium de la série 7000 sont généralement les plus appropriés en raison de leur excellente résistance mécanique, bien que des précautions doivent être prises pour gérer leur résistance à la corrosion et leur soudabilité.

Comparaison et recommandations

Pour les pièces mécaniques, les alliages d'aluminium doivent offrir une combinaison de haute résistance, de bonne résistance à la corrosion, de légèreté, et de résistance à la fatigue. Les alliages d'aluminium des séries 7000 et 6000 sont les plus couramment utilisés dans cette application en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques.

Série 7000 (ex. 7075) : Recommandée pour les composants critiques où la résistance maximale est requise, tels que les cadres et les bras oscillants, mais nécessite une attention particulière pour la résistance à la corrosion, souvent traitée par anodisation ou autre revêtement protecteur.

Série 6000 (ex. 6061, 6082) : Recommandée pour les composants où un bon équilibre entre résistance, soudabilité, et résistance à la corrosion est nécessaire. Ces alliages sont souvent utilisés pour les pièces de suspension et les supports.

En conclusion, les alliages de la série 7000, en particulier le 7075, sont les plus adaptés pour les pièces nécessitant une haute résistance mécanique. Les alliages de la série 6000, tels que le 6061 et le 6082, sont également largement utilisés pour leurs bonnes propriétés mécaniques et leur excellente soudabilité et résistance à la corrosion.