Propriétés des matériaux d'ingénierie :générales, physiques et mécaniques

Dans cet article, nous discuterons de :1. Propriétés générales des matériaux d'ingénierie 2. Propriétés physiques des matériaux d'ingénierie 3. Propriétés mécaniques.

Général Propriétés des matériaux d'ingénierie :

Les économistes principalement concernés par les industries fabriquant des matériaux d'ingénierie sont intéressés à découvrir des façons dont les matériaux d'ingénierie peuvent être utilisés ou appliqués de la meilleure manière économique. L'économiste doit avoir une connaissance pratique des propriétés et des procédés de fabrication de divers matériaux d'ingénierie.

Les services d'un tel économiste peuvent être extrêmement utiles pour faire le choix des matériaux d'ingénierie dans des conditions spécifiques ou pour décider de la ligne de fabrication des matériaux d'ingénierie à partir des matières premières locales disponibles.

Les domaines d'application d'un matériau d'ingénierie particulier sont régis par les caractéristiques et les diverses propriétés de ce matériau d'ingénierie.

Ces propriétés peuvent être classées dans diverses catégories comme suit :

(1) Propriétés chimiques :

Les propriétés chimiques du matériau suggèrent la tendance du matériau à se combiner avec d'autres substances, sa réactivité, sa solubilité et ses effets tels que la corrosion, la composition chimique, l'acidité, l'alcalinité, etc. La corrosion est l'un des sérieux problèmes rencontrés par les ingénieurs dans la sélection des matériaux d'ingénierie, dus aux propriétés chimiques du métal.

Dans les métaux, les électrons de valence sont faiblement liés à leurs atomes et peuvent être facilement éliminés lors de réactions chimiques. Ainsi, lorsque des métaux sont exposés dans l'atmosphère et entrent en contact avec des gaz comme l'oxygène, le chlore, etc., des réactions chimiques ont lieu. Lorsque le fer réagit avec l'oxygène, il se forme de l'oxyde de fer qui est de couleur rouge et le fer métallique en est recouvert. C'est ce qu'on appelle la corrosion.

(2) Propriétés électriques :

Ces propriétés signifient la capacité du matériau à résister au passage d'un courant électrique et elles incluent la conductivité, la rigidité diélectrique et la résistivité.

(3) Propriétés magnétiques :

L'étude des propriétés magnétiques du matériau comme la perméabilité, l'hystérésis et la force coercitive est requise lorsqu'il doit être utilisé pour des générateurs, des transformateurs, etc.

(4) Propriétés mécaniques :

Les caractéristiques régissant le comportement du matériau lorsque des forces externes sont appliquées sont incluses dans ces propriétés. Certaines des propriétés mécaniques importantes sont l'élasticité, la dureté, la plasticité, la résistance, etc.

(5) Propriétés optiques :

Lorsque le matériau doit être utilisé pour le travail optique, la connaissance de ses propriétés optiques comme la couleur, la transmission lumineuse, l'indice de réfraction, la réflectivité, etc. est nécessaire. Lorsque la lumière frappe un matériau, elle interagit avec ses atomes et provoque divers types d'effets. La lumière peut être réfléchie, réfractée, diffusée ou absorbée. L'étude de la lumière dans les matériaux et la façon d'utiliser ce comportement pour contrôler les différents effets lumineux s'appelle l'optique.

(6) Propriétés physiques :

Ceux-ci sont nécessaires pour évaluer l'état du matériau sans qu'aucune force externe n'agisse sur lui et ils incluent la densité apparente, la durabilité, la porosité, etc.

(7) Propriétés thermiques :

La connaissance des propriétés thermiques du matériau comme la chaleur spécifique, la dilatation thermique et la conductivité est utile pour connaître la réponse du matériau aux changements thermiques. Ainsi, des matériaux appropriés peuvent être sélectionnés pour résister à des températures fluctuantes et élevées.

(8) Propriétés technologiques :

Les propriétés des métaux et alliages qui ont une incidence sur leur traitement ou leur application sont appelées propriétés technologiques. La coulabilité, l'usinabilité, la soudabilité et l'ouvrabilité sont quelques-unes des propriétés technologiques importantes des métaux et alliages.

Parmi toutes ces propriétés, les propriétés physiques et les propriétés mécaniques sont particulièrement importantes pour un ingénieur en construction.

Propriétés physiques des matériaux d'ingénierie :

Les termes suivants en rapport avec les propriétés physiques des matériaux d'ingénierie sont définis et expliqués :

(1) Densité apparente

(2) Résistance chimique

(3) Coefficient d'adoucissement

(4) Densité

(5) Indice de densité

(6) Durabilité

(7) Résistance au feu

(8) Résistance au gel

(9) Hygroscopicité

(10) Porosité

(11) Réfractarité

(12) Résistance à l'écaillage

(13) Chaleur spécifique

(14) Capacité thermique

(15) Conductivité thermique

(16) Absorption d'eau

(17) Perméabilité à l'eau

(18) Résistance aux intempéries.

(1) Densité en vrac :

Le terme densité apparente est utilisé pour désigner la masse d'une unité de volume de matériau dans son état naturel, c'est-à-dire y compris les pores et les vides. Il est obtenu en trouvant le rapport entre la masse de l'échantillon et le volume de l'échantillon à l'état naturel.

Les propriétés techniques du matériau telles que la résistance, la chaleur, la conductivité, etc. sont fortement influencées par sa densité apparente et, par conséquent, l'efficacité des performances d'un matériau dépendra de sa densité apparente.

Pour la plupart des matériaux, la densité apparente est inférieure à sa densité, sauf pour les matériaux denses, les liquides et les matériaux obtenus à partir des masses fondues.

Le tableau 1-1 montre les densités apparentes de certains des matériaux de construction importants.

(2) Résistance chimique :

La capacité du matériau à résister à l'action des acides, des alcalis, des gaz et des solutions salines est connue sous le nom de résistance chimique.

Cette propriété est soigneusement examinée lors de la sélection des matériaux pour les conduites d'égout, les installations hydrauliques, les installations sanitaires, etc.

(3) Coefficient de ramollissement :

Le rapport de la résistance à la compression du matériau saturé d'eau à celui à l'état sec est connu sous le nom de coefficient de ramollissement. Les matériaux tels que le verre et le métal ne sont pas affectés par la présence d'eau et leur coefficient de ramollissement est l'unité. D'un autre côté, les matériaux comme l'argile perdent facilement leur résistance lorsqu'ils sont trempés dans l'eau et, par conséquent, leur coefficient de ramollissement est nul.

Les matériaux ayant un coefficient de ramollissement égal ou supérieur à 0,8 sont appelés matériaux résistants à l'eau. Il convient d'éviter l'utilisation de matériaux à coefficient de ramollissement inférieur à 0,8 pour les situations susceptibles d'être exposées en permanence à l'action de l'humidité.

(4) Densité :

Le terme densité d'un matériau est défini comme la masse d'une unité de volume de matériau homogène. Il est obtenu en calculant le rapport de la masse de matière sur le volume de matière à l'état homogène. Les propriétés physiques d'un matériau sont fortement influencées par sa densité.

(5) indice de densité :

Le rapport de la densité apparente d'un matériau à sa densité est connu comme son indice de densité et il désigne ainsi le degré auquel son volume est rempli de matière solide.

Comme il n'y a pratiquement pas de substances denses dans la nature, l'indice de densité de la plupart des matériaux de construction est inférieur à l'unité.

(6) Durabilité :

La propriété d'un matériau à résister à l'action combinée des facteurs atmosphériques et autres est connue sous le nom de durabilité.

Le coût de fonctionnement ou d'entretien d'un bâtiment dépendra naturellement de la durabilité des matériaux qui le composent.

(7) Résistance au feu :

Le terme résistance au feu désigne la capacité d'un matériau à résister à l'action d'une température élevée sans perdre sa capacité de charge, c'est-à-dire sans perte substantielle de résistance ni déformation de forme.

Cette propriété d'un matériau est d'une grande importance en cas d'incendie et comme l'opération de lutte contre l'incendie s'accompagne généralement d'eau, cette propriété d'un matériau est testée par les actions combinées de haute température et eau. Le matériau doit être suffisamment ignifuge pour assurer la sécurité et la stabilité en cas d'incendie.

(8) Résistance au gel :

La capacité d'un matériau saturé d'eau à résister au gel et au dégel répétés sans diminution considérable de la résistance mécanique ou des signes visibles de défaillance est connue sous le nom de résistance au gel. La résistance au gel d'un matériau dépend de la densité du matériau et de son degré de saturation en eau.

En général, les matériaux denses résistent au gel. Les matériaux poreux dont les pores sont fermés ou remplis d'eau à moins de 90 % de leur volume résistent au gel.

(9) Hygroscopicité :

La propriété d'un matériau à absorber la vapeur d'eau de l'air est connue sous le nom d'hygroscopicité et elle est régie par la nature de la substance impliquée, le nombre de pores, la température de l'air, l'humidité relative, etc. -les substances de rétention ou hydrophiles se dissolvent facilement dans l'eau.

(10) Porosité :

Le terme porosité est utilisé pour indiquer le degré auquel le volume d'un matériau est occupé par des pores. Il s'exprime en rapport du volume des pores à celui de l'échantillon. La porosité d'un matériau est révélatrice de ses diverses propriétés telles que la résistance, la densité apparente, l'absorption d'eau, la conductivité thermique, la durabilité, etc., et doit donc être soigneusement étudiée et analysée.

(11) Réfractarité :

La capacité d'un matériau à résister à une action prolongée à haute température sans fondre ni se déformer est connue sous le nom de réfractaire.

(12) Résistance à l'écaillage :

La capacité d'un matériau à supporter un certain nombre de cycles de fortes variations de température sans défaillance est connue sous le nom de résistance à l'écaillage et elle dépend principalement des coefficients de dilatation linéaire de ses constituants.

(13) Chaleur spécifique :

Le terme chaleur spécifique est défini comme la quantité de chaleur, exprimée en kilocalories, nécessaire pour chauffer 1 N de matériau de 1°C. La chaleur spécifique d'un matériau doit être prise en compte lorsque l'accumulation de chaleur doit être prise en compte.

Les chaleurs spécifiques de l'acier, de la pierre et du bois sont les suivantes :

Acier – 0,046 x 10 ³ J/N °C

Pierre – 0,075 à 0,09 x 10 ³ J/N °C

Bois – 0,239 à 0,27 x 10 ³ J/N °C.

(14) Capacité thermique :

La propriété d'un matériau à absorber la chaleur est connue sous le nom de capacité thermique et est déterminée par l'équation suivante -

T =H/M (T₂ – T₁ )

Où, T =Capacité thermique en J/N °C

H =Quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température du matériau de T₁ à T₂ en J M =Masse de matière en N

T₁ =Température du matériau avant chauffage en °C

T₂ =Température du matériau après chauffage en °C.

(15) Conductivité thermique :

La conductivité thermique d'un matériau est la quantité de chaleur en kilocalories qui traversera une unité de surface du matériau avec une unité d'épaisseur en unité de temps lorsque la différence de température sur ses faces est également unité. L'unité de conductivité thermique est J par m h °C et elle est généralement désignée par K. La conductivité thermique d'un matériau dépend de sa densité, de sa porosité, de sa teneur en humidité et de sa température.

Le terme résistivité thermique d'un matériau désigne l'inverse de sa conductivité thermique. La résistance thermique d'un matériau est égale à la résistivité thermique multipliée par son épaisseur.

(16) Absorption d'eau :

La capacité d'un matériau à absorber et à retenir l'eau est connue sous le nom d'absorption d'eau. Le matériau sec est complètement immergé dans l'eau, puis l'absorption d'eau est calculée soit en pourcentage en poids, soit en pourcentage de volume de matériau sec. Elle dépend principalement du volume, de la taille et de la forme des pores présents dans le matériau.

(17) Perméabilité à l'eau :

La capacité d'un matériau à laisser passer l'eau sous pression est connue sous le nom de perméabilité à l'eau et est décrite comme la quantité d'eau qui traversera le matériau en une heure à pression constante , la section transversale de l'échantillon étant de 1 cm. Les matériaux denses comme le verre, l'acier, etc. sont étanches ou imperméables à l'eau.

(18) Résistance aux intempéries :

Le terme résistance aux intempéries est utilisé pour exprimer la capacité d'un matériau à résister à une alternance de conditions humides et sèches sans affecter sérieusement sa forme et sa résistance mécanique. Il indique ainsi le comportement des matériaux lorsqu'ils sont exposés à des conditions changeantes d'humidité.

Propriétés mécaniques des matériaux d'ingénierie :

Les propriétés mécaniques des matériaux comme leur rigidité, leur ductilité et leur résistance sont d'une importance vitale pour déterminer leur fabrication et leurs applications pratiques possibles.

Les matériaux de construction présentent un large éventail de propriétés mécaniques allant de la dureté du diamant à la ductilité du cuivre pur et au comportement élastique étonnant du caoutchouc. De la même manière, de nombreux matériaux se comportent très différemment lorsqu'ils sont soumis à des contraintes différentes. Par exemple, la fonte, le ciment et les briques sont beaucoup plus résistants à la compression alors que le bois et l'acier sont plus résistants à la traction.

Les termes suivants en rapport avec les propriétés mécaniques courantes des matériaux de construction sont définis et expliqués :

(1) Abrasion

(2) Fluage

(3) Élasticité

(4) Fatigue

(5) Dureté

(6) Résistance aux chocs

(7) Plasticité et fragilité

(8) Force

(9) Usure.

(5) Dureté

(1) Abrasion :

La résistance d'un matériau à l'abrasion est déterminée en divisant la différence de poids des échantillons avant et après abrasion par la zone d'abrasion.

(2) Fluage :

Dans de nombreuses applications, les matériaux de construction doivent supporter des charges constantes pendant de longues périodes. Dans de telles conditions, le matériau peut continuer à se déformer jusqu'à ce que son utilité soit sérieusement réduite. De telles déformations d'une structure dépendantes du temps peuvent devenir importantes et peuvent même entraîner une rupture finale sans aucune augmentation de la charge. Si la déformation continue même lorsque la charge est constante, cette déformation supplémentaire est connue sous le nom de fluage.

La plupart des matériaux de construction fluent dans une certaine mesure à toutes les températures. Cependant les métaux techniques tels que l'acier, l'aluminium et le cuivre fluent très peu à température ambiante. Les températures élevées conduisent à un fluage rapide qui s'accompagne souvent de changements microstructuraux. Le phénomène de fluage est important dans les polymères à température ambiante, dans les alliages d'aluminium à 100°C et dans les aciers au-dessus de 300°C.

(3) Élasticité :

Lorsqu'une charge est appliquée à un matériau, sa forme et ses dimensions changent. Le terme élasticité est utilisé pour indiquer la capacité d'un matériau à restaurer sa forme et ses dimensions initiales après la suppression de la charge.

La différence entre les deux termes suivants doit être notée :

(i) Déformation élastique :

Une déformation est dite élastique lorsque le solide se déforme lorsqu'il est chargé mais revient à sa position d'origine lorsqu'il est déchargé. Un changement de pression ou une application de charge entraîne la déformation élastique. Le terme déformation idéale est utilisé pour désigner la déformation qui se produit instantanément lors de l'application de la force et disparaît complètement lors de la suppression de la force.

De telles déformations obéissent à la loi de Hooke et la déformation élastique du métal est directement proportionnelle à la force appliquée. La déformation idéale se produit avec des forces de déformation comparativement plus petites qui peuvent maintenir les contraintes de travail dans la limite élastique.

(ii) Déformation plastique :

Une déformation est dite plastique lorsque le solide conserve totalement ou partiellement le changement de forme après suppression de la charge. La déformation plastique est observée lorsque la contrainte dépasse la limite élastique et sa vitesse est contrôlée par la vitesse de déformation, la contrainte appliquée et la température. Elle peut se produire sous des contraintes de traction, de compression et de torsion. Il est intentionnellement effectué dans des processus tels que le laminage, le forgeage, etc. afin de fabriquer des produits utiles.

(4) Fatigue :

Lorsque les matériaux sont soumis à une contrainte répétitive ou fluctuante, ils échoueront à une contrainte bien inférieure à celle requise pour provoquer une rupture sous des charges constantes.

Ce comportement s'appelle la fatigue et il se distingue par les trois caractéristiques suivantes :

(i) Incertitude accrue concernant la résistance et la durée de vie ;

(ii) Perte de ductilité ; et

(iii) Perte de force.

Voici les raisons des ruptures par fatigue :

(i) Environnements corrosifs entraînant une réduction de la résistance à la fatigue ;

(ii) Points de concentration de contraintes ;

(iii) Imperfections de surface telles que marques d'usinage et irrégularités de surface ; et

(iv) Température, la résistance à la fatigue étant élevée à basse température et diminuant progressivement avec la montée en température.

(5) Dureté :

La capacité d'un matériau à résister à la pénétration d'un corps plus dur est connue sous le nom de dureté. C'est un facteur majeur pour décider de la maniabilité et de l'utilisation d'un matériau pour les sols et les revêtements routiers. La dureté n'est pas une propriété fondamentale. Mais c'est un effet combiné de propriétés compressives, élastiques et plastiques relatives au mode de pénétration, à la forme du pénétrateur, etc.

La dureté est en relation assez constante avec la résistance à la traction d'un matériau donné. Il peut donc être utilisé comme un test non destructif pratique pour avoir une idée approximative de la résistance à la traction du matériau et de l'état du métal près de la surface.

La dureté des matériaux en pierre peut être déterminée à l'aide de l'échelle de dureté de Mohs. Il s'agit d'une liste de dix matériaux classés par ordre de dureté croissante. La dureté d'un matériau se situe entre la dureté de deux matériaux à savoir celui qui raye et l'autre qui est rayé par le matériau à tester.

Le tableau 1-2 montre l'échelle de dureté de Mohs.

(6) Résistance aux chocs :

La résistance aux chocs d'un matériau est la quantité de travail nécessaire pour provoquer sa défaillance par unité de volume. Il indique ainsi la ténacité d'un matériau et les matériaux sont testés dans une machine d'essai aux chocs pour déterminer leur résistance aux chocs.

La résistance aux chocs est une caractéristique complexe qui prend en compte à la fois la ténacité et la résistance d'un matériau.

Cela varie en fonction des facteurs suivants :

(i) Si les dimensions de l'échantillon sont augmentées, il y a également une augmentation de la résistance aux chocs.

(ii) Si la netteté de l'entaille augmente, la résistance aux chocs requise pour provoquer une défaillance diminue.

(iii) L'angle de l'encoche améliore également la résistance aux chocs après certaines valeurs.

(iv) La résistance à l'impact est également affectée dans une certaine mesure par la vitesse d'impact.

(v) La température de l'éprouvette à tester donne une indication sur le type de fracture susceptible de se produire, c'est-à-dire transition ductile, cassante ou ductile à cassante.

(7) Plasticité et Fragilité :

Le terme plasticité d'un matériau est défini comme sa capacité à changer de forme sous charge sans se fissurer et à conserver sa forme après la suppression de la charge.

Les matériaux peuvent être globalement divisés en deux groupes, à savoir les matériaux plastiques et les matériaux cassants. L'acier, le cuivre, le bitume chaud, etc. sont des matières plastiques. Les matériaux fragiles se rompent soudainement sous pression sans déformation appréciable précédant la rupture. Les matériaux de roche, les matériaux céramiques, le verre, la fonte, le béton et certains autres matériaux sont cassants et ils offrent une faible résistance à la flexion, aux chocs et à la tension.

(8) Force :

La capacité d'un matériau à résister à la rupture sous l'action de contraintes causées par une charge est connue sous le nom de résistance. Les charges auxquelles un matériau est généralement soumis sont la compression, la traction et la flexion. La résistance correspondante est obtenue en divisant la charge ultime par la section transversale de l'éprouvette.

Les contraintes dans les matériaux de construction ne doivent pas dépasser un certain pourcentage de leur résistance ultime. Ainsi, une marge de sécurité est fournie et le terme facteur de sécurité est utilisé pour désigner le rapport entre la contrainte ultime et la contrainte sûre. Par exemple, si le facteur de sécurité est de deux, la contrainte à adopter à des fins de conception serait la moitié de la contrainte ultime.

Les valeurs des facteurs de sécurité sont spécifiées par des normes de conception et elles sont encadrées en tenant compte de divers facteurs tels que la nature des travaux, la qualité des matériaux, les conditions de service, les considérations économiques, etc.

(9) Porter :

La défaillance d'un matériau sous les actions combinées de l'abrasion et de l'impact est connue sous le nom d'usure. La résistance à l'usure est généralement exprimée en pourcentage de perte de poids et elle est d'une grande importance pour décider de l'adéquation d'un matériau à l'utilisation de revêtements routiers, de ballast ferroviaire, etc.

Différence :Chaux grasse et chaux hydraulique | Matériaux | Ingénierie Qualités, caractéristiques et propriétés d'une bonne pierre de construction