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

Cet article couvre : 1. Propriétés générales 2. Propriétés physiques 3. Propriétés mécaniques.

Propriétés générales des matériaux d'ingénierie

Les économistes de l'industrie des matériaux cherchent l'utilisation optimale économique. Ils doivent connaître propriétés et procédés de fabrication. Leur expertise aide au choix matériaux selon conditions ou filière de production à partir de matières premières locales.

Les domaines d'application d'un matériau sont régis par ses caractéristiques et propriétés, classables ainsi :

1. Propriétés chimiques : Tendance à se combiner, réactivité, solubilité, corrosion, composition, acidité, basicité. Corrosion = problème majeur (ex. fer + O₂ → oxyde fer rouge).
2. Propriétés électriques : Résistance passage courant : conductivité, rigidité diélectrique, résistivité.
3. Propriétés magnétiques : Perméabilité, hystérésis, force coercitive (générateurs, transformateurs).
4. Propriétés mécaniques : Comportement sous forces extérieures : élasticité, dureté, plasticité, résistance, etc.
5. Propriétés optiques : Couleur, transmission lumière, indice réfraction, réflectivité (travail optique). Interaction lumière/atomes : réflexion, réfraction, diffusion, absorption. Optique = étude lumière dans matériaux.
6. Propriétés physiques : État sans force extérieure : masse volumique apparente, durabilité, porosité, etc.
7. Propriétés thermiques : Chaleur spécifique, dilatation, conductivité thermique (réponse variations T°).
8. Propriétés technologiques : Aptitude traitement/application : coulabilité, usinabilité, soudabilité, déformabilité.

Pour l'ingénieur construction, propriétés physiques et mécaniques sont particulièrement importantes.

Propriétés physiques des matériaux d'ingénierie

Termes définis et expliqués :

1. Masse volumique apparente (Bulk density) : Masse volume unitaire état naturel (pores/vides inclus). Ratio masse/volume état naturel. Influence fortement résistance, conductivité thermique, etc. → performance. Généralement < densité vraie (sauf matériaux denses, liquides, fondu). Tableau 1-1 : valeurs matériaux construction.
2. Résistance chimique : Aptitude à résister acides, bases, gaz, sels. Critique pour tuyaux égouts, ouvrages hydrauliques, équipements sanitaires.
3. Coefficient d'adoucissement : Ratio résistance compression saturé eau / état sec. Verre, métaux = 1 (inchangés). Argile = 0 (perte résistance). ≥ 0,8 = matériaux résistants à l'eau. Éviter < 0,8 si exposition humidité permanente.
4. Densité (masse volumique vraie) : Masse volume unitaire matériau homogène. Ratio masse/volume homogène. Influence grandes propriétés physiques.
5. Indice de densité : Ratio masse volumique apparente / densité. Degré remplissage volume par matière solide. < 1 (quasiment aucun matériau dense dans la nature).
6. Durabilité : Résistance actions combinées atmosphériques/autres. Coût entretien bâtiment en dépend.
7. Résistance au feu : Aptitude à supporter haute T° sans perte capacité portante (résistance/forme). Importance incendie. Testé combiné haute T° + eau (lutte incendie). Doit assurer sécurité/stabilité.
8. Résistance au gel : Aptitude matériau saturé eau à résister cycles gel/dégel répétés sans perte résistance mécanique significative ni signes visibles rupture. Dépend densité et saturation. Matériaux denses = résistants. Poreux pores fermés/remplis < 90% volume = résistants.
9. Hygroscopicité : Aptitude absorber vapeur eau air. Dépend nature substance, pores, T° air, humidité relative. Substances hydrophiles = se dissolvent facilement.
10. Porosité : Degré volume occupé par pores. Ratio volume pores/volume échantillon. Indique résistance, masse volumique apparente, absorption eau, conductivité thermique, durabilité → étude attentive.
11. Réfractarité : Aptitude supporter haute T° prolongée sans fondre ni perdre forme.
12. Résistance à l'écaillage (Spalling resistance) : Endurance cycles variations T° brusques sans rupture. Dépend coefficients dilatation linéaire constituants.
13. Chaleur spécifique : Chaleur (kcal) pour chauffer 1 N matériau de 1°C. À considérer pour accumulation chaleur. Valeurs : Acier 0,046×10³ J/N°C ; Pierre 0,075-0,09×10³ ; Bois 0,239-0,27×10³.
14. Capacité thermique : Aptitude absorber chaleur. T = H / [M(T₂-T₁)] (T en J/N°C, H en J, M en N, T₁/T₂ en °C).
15. Conductivité thermique : Chaleur (kcal) traversant surface unitaire, épaisseur unitaire, temps unitaire, ΔT=1. Unité J/m·h·°C, notée K. Dépend densité, porosité, humidité, T°. Résistivité thermique = 1/K. Résistance thermique = résistivité × épaisseur.
16. Absorption d'eau : Aptitude absorber/retenir eau. Matériau sec immergé → % poids ou % volume sec. Dépend volume, taille, forme pores.
17. Perméabilité à l'eau : Capacité laisser passer eau sous pression. Quantité eau traversant en 1h pression constante, section 1 cm². Matériaux denses (verre, acier) = imperméables.
18. Résistance aux intempéries : Aptitude résister alternance humide/sec sans altération forme/résistance mécanique. Comportement conditions hygrométriques changeantes.

Propriétés mécaniques des matériaux d'ingénierie

Rigidité, ductilité, résistance : vitales pour fabrication et applications. Gamme large : dureté diamant → ductilité cuivre pur → élasticité caoutchouc. Comportement différent selon sollicitation : fonte, ciment, briques = compression ; bois, acier = traction.

Termes propriétés mécaniques courantes :

1. Abrasion : Résistance = Δmasse avant/après abrasion / surface abrasée.
2. Fluage (Creep) : Sous charges constantes longues durées, déformation continue jusqu'à inutilité. Peut croître jusqu'à rupture sans augmentation charge. Déformation supplémentaire sous charge constante = fluage. La plupart matériaux fluage à toutes T°. Métaux (acier, Al, Cu) : fluage faible T° ambiante. Haute T° → fluage rapide + changements microstructuraux. Important polymères T° ambiante, alliages Al 100°C, aciers >300°C.
3. Élasticité : Aptitude retrouver forme/dimensions initiales après décharge. Déformation élastique : solide se déforme chargé, revient position initiale déchargé. Variation pression/charge → déformation élastique. Déformation idéale = instantanée à l'application force, disparaît complètement retrait force. Loi Hooke : contrainte élastique ∝ force. Forces déformation petites → contraintes dans limite élastique. Déformation plastique : solide conserve tout/partie changement forme après décharge. Contrainte > limite élastique. Vitesse contrôlée par taux déformation, contrainte, T°. Traction, compression, torsion. Intentional : laminage, forgeage → produits utiles.
4. Fatigue : Contraintes répétées/fluctuantes → rupture contrainte bien inférieure rupture charge constante. Trois traits : (i) incertitude accrue résistance/durée vie, (ii) perte ductilité, (iii) perte résistance. Causes : (i) environnements corrosifs → résistance fatigue réduite, (ii) points concentration contrainte, (iii) défauts surface (traces usinage, irrégularités), (iv) T° : résistance fatigue haute basses T°, diminue progressivement T° croissante.
5. Dureté : Aptitude résister pénétration corps plus dur. Facteur majeur travailabilité, sols, chaussées. Pas propriété fondamentale mais effet combiné compression/élasticité/plasticité selon mode pénétration, forme pénétrateur. Relation constante avec résistance traction → test non destructif pratique pour estimation résistance traction et état surface. Dureté pierres : échelle Mohs (10 matériaux dureté croissante). Dureté matériau = entre celui qui raye et celui rayé. Tableau 1-2 : échelle Mohs.
6. Résistance à l'impact : Travail rupture / volume unitaire. Indique ténacité. Test machine choc. Caractéristique complexe = ténacité + résistance. Varie selon : (i) dimensions éprouvette ↑ → résistance impact ↑, (ii) acuité entaille ↑ → résistance impact ↓, (iii) angle entaille améliore après certains seuils, (iv) vitesse impact influence, (v) T° éprouvette → type rupture (ductile, fragile, transition).
7. Plasticité et fragilité : Plasticité = aptitude changer forme sous charge sans fissurer et conserver forme après décharge. Matériaux : plastiques (acier, Cu, bitume chaud) vs fragiles (rupture soudaine sans déformation appréciable). Roches, céramiques, verre, fonte, béton = fragiles, mauvaise résistance flexion, choc, traction.
8. Résistance (Strength) : Aptitude résister rupture sous contraintes charge. Charges courantes : compression, traction, flexion. Résistance = charge ultime / section éprouvette. Contraintes matériaux construction limitées à % résistance ultime → marge sécurité. Coefficient sécurité = contrainte ultime / contrainte admissible. Ex: coefficient 2 → contrainte dimensionnement = ½ ultime. Valeurs coefficients normes selon nature travail, qualité matériau, conditions service, économie.
9. Usure (Wear) : Rupture sous actions combinées abrasion + impact. Résistance usure = % perte masse. Important pour chaussées, ballast ferroviaire.