Matériaux d'ingénierie : classification et guide de sélection

Un matériau est une substance utilisée pour créer quelque chose. Les matériaux d'ingénierie sont ceux utilisés pour applications d'ingénierie. Selon les propriétés mécaniques, physiques, chimiques et de fabrication, les matériaux sont sélectionnés selon l'application.

Propriétés mécaniques :

Résistance (compression/traction), ténacité, rigidité, élasticité, plasticité, ductilité, fragilité, dureté.

Propriétés physiques :

Densité, conductivité (thermique/électrique), acoustique (transmission/absorption sonore), optique, combustibilité.

Propriétés chimiques :

Composition (oxydes, composés), acidité/alcalinité, altération, corrosion.

Propriétés de fabrication :

Aptitude au moulage, indice d'usinabilité, vitesses et avances d'usinage, forme et dimension pour le dimensionnement.

Facteurs de sélection du matériau :

1. Contraintes subies par la pièce/composant
2. Résistance à la corrosion
3. Résistance température, usure
4. Flexibilité et rigidité
5. Facilité du procédé de fabrication
6. Rentabilité pour le développement produit
7. Disponibilité du matériau

Classification des matériaux d'ingénierie :

Selon la nature de la substance :

1. Métaux et alliages
2. Métaux ferreux
3. Métaux non ferreux
4. Non-métaux
5. Céramiques
6. Polymères
7. Composites
8. Semi-conducteurs
9. Biomatériaux

1. MÉTAUX ET ALLIAGES :

Matériaux métalliques = combinaison d'éléments métalliques. Propriété marquante : électrons non localisés (électrons de valence externes n'appartiennent pas à un atome individuel mais à tout le volume). Électrons libres = conduction charge électrique/thermique. Bons conducteurs. Aspect métallique. Majorité solides à température ambiante (mercure = liquide).

Selon présence de fer :

1. Métaux ferreux
2. Métaux non ferreux

Métaux ferreux :

Contenu principal : fer et carbone. Magnétiques, vulnérables à la rouille sous humidité. Fer forgé ne rouille pas (pureté), acier inoxydable (chrome). Ex: fer, acier. Propriété magnétique → moteurs, applications électriques.

Métaux non ferreux :

Fer non principal. Haute résistance rouille/corrosion, non magnétiques. Ex: cuivre, laiton, aluminium, tungstène, plomb, zinc, or, etc.

Alliage :

Combinaison de deux ou plus métaux. Nommé selon caractère liaison métallique. Deux types : alliage ferreux, alliage non ferreux. Fonte = fer, carbone, silicium. Laiton = cuivre, zinc.

Applications :

1. Résistance et stérilisation haute température → aiguilles, lames chirurgicales
2. Résistance et support charges lourdes → fer, acier dans construction
3. Or, argent, platine → joaillerie
4. Machines, automobiles : haute température, pression, charges
5. Aluminium, titane → alliages légers aéronautiques
6. Tungstène → applications haute température

2. CÉRAMIQUES :

Particules/fibres pour produits céramiques. Structure atomique/cristalline régulière. Principalement oxydes, nitrures, carbures. Non conducteurs (isolants). Très durs et fragiles.

Ex: alumine, silice, carbure de silicium, diamant, briques, etc.

Applications :

1. Résistance compression briques → construction
2. Bonne isolation thermique → carreaux céramiques fours
3. Transparents radar/ondes EM → radômes, émetteurs
4. Verres-céramiques haute température → optique, isolation fibre
5. Alumine, silice, carbure Si → outils
6. Diamant → ornement, outils coupe

3. POLYMÈRES :

Structure moléculaire en chaîne, carbone comme squelette. Principalement matériaux organiques résistants. Faible densité, flexibles. Parfois non flexibles. Pas seulement matériaux structurels, aussi fibres et résines dans matrices composites.

Ex: polyester (fibres), phénoliques, époxydes (résines). Élastomères = polymères à part (absorption chocs/vibrations).

Polymères naturels : laine, soie, ADN, cellulose, protéines.

Polymères synthétiques :

1. Thermoplastiques
2. Thermodurcissables

Ex: nylon, polyéthylène, polyester, Téflon, époxy, Bakélite.

Applications :

1. Polyéthylène → sacs
2. Polypropylène → produits résistance chaleur (biberons)
3. PEEK, PEK → bouteilles eau minérale
4. Polycarbonate → polymères haute performance transparents
5. Polyaniline → polymère conducteur
6. Bakélite → matériaux isolants

4. COMPOSITES :

Composition de deux ou plus matériaux constitutifs aux propriétés physiques/chimiques différentes pour produire un matériau aux caractéristiques différentes. Combinaison : métaux-métaux, métal-céramique, métal-polymère, selon application.

Ex: bois, béton, fibre de verre, PRFC (plastique renforcé fibre carbone), PRFV (plastique renforcé fibre verre).

Applications :

1. PRFC, PRFV → pièces carrosserie automobile
2. PRFC, composites nid d'abeille → châssis
3. Réservoirs carburant → Kevlar fibre renforcée
4. Thermodurcissables renforcés → ressorts, pare-chocs
5. PRFV → coques bateaux, cannes pêche, raquettes, casques, arcs/flèches

5. SEMI-CONDUCTEURS :

Matériaux à conductivité intermédiaire. Conductivité < métaux, > céramiques isolantes. Résistance diminue quand température augmente. Structure atomique unique permettant contrôle conductivité.

Ex: silicium, germanium, arseniure de gallium, sélénium.

Applications :

1. Arseniure de gallium → dispositifs amplification faible bruit, gain fort, signaux faibles
2. Dispositif semi-conducteur = fonction tube vide volume cent fois moindre

6. BIOMATÉRIAUX :

Matériaux non viables. Ex: alumine, zircone, titane, tantale, niobium, carbone.

Applications :

1. Métaux en médecine : carences micronutriments (fer = hémoglobine → sulfate ferreux anémie)
2. Implants pour réparer/remplacer tissus endommagés

NOTES :

• Composite = composition de deux ou plus matériaux.
• Semi-conducteur = semi (demi) + conducteur.
• Différence alliage/composite : composite = renforcement d'un autre matériau. Alliage = mélange de matériaux en quantités requises.
• Semi-conducteurs et biomatériaux = substituts aux métaux, céramiques, polymères selon besoins.