Propriétés et structures de base des matériaux

ENSA de Béni Mellal

Université Sultan Moulay Sliman

Pr. M. KAAB

Chapitre 1: Propriétés et classification des matériaux

Plan

1. Introduction: Qu’est ce qu’un matériau?
2. Liaisons chimiques
3. Structure cristalline
4. Propriétés physique, chimique et mécanique

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INTRODUCTION

C’est en général, le comportement des matériaux qui limite les performances des machines et des équipements

• Les matériaux ont défini le niveau de développement de la civilisation humaine: Age de la pierre, du Bronze et du Fer.
• Actuellement, ils jouent un rôle primordial dans toutes les mutations technologiques,
• Pour un ingénieur, La conception et la construction de nouveau objet ne peut se faire qu’en tenant compte des propriétés des matériaux utilisés.

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Répondre aux exigences technologiques, environnementales et sociétales croissantes: Nécessité de l’amélioration, l’adaptation et l’optimisation

INTRODUCTION

DÉFINITION

• un matériau est la forme marchande d’une matière première choisie en raison de propriétés d’usage spécifiques et mise en œuvre par des techniques appropriées pour l’obtention d’un objet de géométrie donnée à fonction préméditée.

INTRODUCTION

DÉFINITION

• un matériau est la forme marchande d’une matière première choisie en raison de propriétés d’usage spécifiques et mise en œuvre par des techniques appropriées pour l’obtention d’un objet de géométrie donnée à fonction préméditée.

Exemple

• Fer, acier, aluminium, cuivre, bronze, fonte …
• Bois, coton, laine, papier, carton, matière plastique, caoutchouc, cuir…
• Verre, porcelaine, pierre naturelle, plâtre…

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INTRODUCTION

• Les propriétés des matériaux sont définies par la nature des liaisons chimiques, l’arrangement atomique et la microstructure.
• En plus de leur comportement l’utilisation des matériaux dépend également de leur disponibilité, de leur coût, de leurs méthodes de synthèse et de fabrication.
• L’emploi des matériaux est aussi conditionné par les méthodes de transformation, leur facilité de mise en forme et leur compatibilité avec l’environnement.

INTRODUCTION

Exemple: Ligne électrique haute tension

• Pertes minimales: Le câble porteur du courant doit être bon conducteur,
• Augmentation de la capacité: Tension très élevée,
• Raisons économiques: utilisation des pylônes,
• Limitation du nombre de pylônes: le câble doit être léger et très résistant à la rupture.

INTRODUCTION

Exemple: Ligne électrique haute tension

• Les meilleurs conducteurs (cuivre et aluminium) n’ont pas une résistance mécanique suffisante: utilisation d’un câble composé de plusieurs matériaux,
• L’âme est faite en acier (résistance élevée mais conductivité plus faible): des fils d’aluminium (plus léger que Cu) sont disposés autour de l’âme.

INTRODUCTION

Exemple: Ligne électrique haute tension

• Les pylônes sont fabriqués en acier pour résister au poids du câble,
• L’acier doit être protégé contre la corrosion par une peinture (matériau polymère),
• Des éléments isolants sont nécessaires pour fixer les câbles sur les pylônes métalliques: utilisation des matériau céramiques,
• Ancrage des pylônes dans le terrain: utilisation du béton (matériau céramique)

1 – 1 Rappel sur la structure des atomes

1 – Liaisons chimiques

1 – 1 Rappel sur la structure des atomes

• Le nuage électronique est stratifié en niveaux d’énergie quantifiés autour du noyau définissant des couches et des sous-couches électroniques.
• Plusieurs atomes peuvent établir des liaisons chimiques entre eux grâce à leurs électrons de la couche externe: Couche de valence,
• En général, les propriétés des atomes sont déterminées par leur configuration électronique: découle du nombre de protons de leur noyau (Z)

1 – Liaisons chimiques

1 – 1 – 1 Famille chimiques

• Les propriétés chimiques des atomes des différents éléments dépendent essentiellement du nombre d’électron présent dans leur couche de valence.
• Les éléments de la même colonne du tableau périodique possèdent le même nombre d’électrons dans leur couche externe: Propriétés très semblables
• Ces éléments constituent une famille chimique.

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1 – 1 – 1 Famille chimiques

1 – 1 – 2 Nombre de liaisons établies par un atome

Dans une liaison covalente, les paires électroniques qui associent deux atomes résultent de la mise en commun d’électrons de valence pouvant provenir des deux atomes ou d’un seul.

1 – 1 – 2 Nombre de liaisons établies par un atome

Règle de l’octet: Les atomes d’un édifice polyatomique tendent à partager autant de doublets d’électrons qu’il leur en est nécessaire pour la réalisation de leurs octets.

1 – 2 Caractéristiques d’une liaison covalente

Longueur de la liaison

1 – 2 Caractéristiques d’une liaison covalente

Énergie de liaison

L’énergie de liaison donne une idée précise de la force des interactions qui associent les atomes.

1 – 2 Caractéristiques d’une liaison covalente

Polarisation

1 – 2 Caractéristiques d’une liaison covalente

Polarisation

1 – 3 Caractéristiques de la liaison ionique

• La liaison ionique est aussi, une liaison de forte intensité: Couche externe complète.
• Se caractérise, contrairement à la liaison covalente, par l’échange d’électrons entre deux atomes.
• En se liant, les atomes gagnent ou perdent un ou plusieurs électrons et deviennent ainsi des anions ou des cations,
• Concerne essentiellement les éléments qui ont peu d’électrons sur leur couche externe (colonnes 1 et 2) et les éléments qui ont des couches externes presque saturées (colonnes 16 et 17)

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1 – 3 Caractéristiques de la liaison ionique

Exemple de Chlorure de Sodium NaCl

1 – 4 Caractéristiques de la liaison métallique

• La liaison métallique s’exerce dans les métaux entre les atomes qui constituent ces corps.
• Les atomes perdent leurs électrons de valence et deviennent des cœurs d’atomes qui constituent le squelette de la structure cristalline du métal.
• Les électrons libérés forment une sorte de gaz d’électrons négatif qui se répand dans tout le métal: délocalisation de la liaison
• Les cœurs d’atomes baignent dans un bain d’électrons

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1 – 4 Caractéristiques de la liaison métallique

• Stabilité de la couche externe: chaque atome de sodium perd son électron de valence,
• Aucun d’eux n’a la possibilité de céder cet électron ou de le partager avec l’un de ses voisins. Il y a donc mise en commun de tous les électrons de valence.
• Le cristal de Sodium: un réseau d’ions Na+ baignant dans un nuage d’électrons libres qui ne sont plus localisés dans l’espace.

1 – 4 Caractéristiques de la liaison métallique

• Les métaux sont essentiellement formés d’éléments qui possèdent peu d’électron de valence.
• L’arrangement cristallin des matériaux métalliques résulte des forces d’attraction et de répulsion qui s’exercent entre les ions positifs et le nuage d’électrons délocalisés.
• La mobilité des électrons: Conductivité élevée.

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1 – 5 Caractéristiques de la liaison faible de �VAN DER WALLS

• Beaucoup de molécules à liaison covalente sont polaires: Ils se comportent comme des dipôles électriques,
• La liaison de VAN DER WALLS résulte de l’interaction entre ces dipôles,
• C’est une liaison de faible intensité: Facile à rompre par l’augmentation de l’agitation thermique,
• Température de fusion est relativement basse

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1 - 6 Caractéristiques de la liaison faible de la liaison hydrogène

Exemple : Liaison hydrogène dans l’eau

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• Pour la liaison σ : dO-H = 100 pm et E_cov = 460 KJ/mol.

- Pour la liaison Hydrogène : dO--H = 180 pm et E_H = 24 KJ/mol.

2 – 1 Classification des matériaux

• Les matériaux sont classés selon différents critères: leur composition, leur structure ou leur propriétés.
• Dans la suite, on fait la distinction entre 3 grands groupes de matériaux,
• Cette classification est basé sur la nature des liaisons et sur les structures atomiques:
• Les métaux et leurs alliages (liaison métallique),
• Les polymères organiques (liaisons covalentes et liaisons secondaires),
• Les céramiques (liaisons ioniques et liaisons covalentes).

2 – Classes des matériaux

2 – 2 Métaux et leur alliages

2 – Classes des matériaux

2 – 3 Polymères organiques

2 – Classes des matériaux

2 – 4 Céramiques

2 – Classes des matériaux

• Résistance mécanique et thermique élevées,
• Très durs, en général isolants électriques et thermiques,
• Fragiles, faible ténacité.
• Résistance à la corrosion

2 – 4 Matériaux composites

• Constitués de deux ou plusieurs matériaux différents qui combinent de manière synergique leurs propriétés spécifiques,
• Le béton armé, agglomérat de béton et de barres d’acier: Bonne résistance à la compression du béton et bonne résistance à la traction de l’acier.
• le pneu, formé par du caoutchouc et des fils d’acier
• Un composite est constitué au moins d’une matrice et d’un renfort,
• Les constituants sélectionnés peuvent améliorer les propriétés suivantes:
• rigidité, résistance thermomécanique, tenue à la fatigue,
• résistance à la corrosion, étanchéité, tenue aux chocs, au feu,
• isolations thermique et électrique

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2 – Classes des matériaux

Conclusion

• La classification précédente présente un caractère arbitraire,
• Le diamant, considéré comme polymère, est un matériau organique puisqu’il est composé d’atomes de carbone,
• Sa dureté et ses propriétés mécanique le rattache aux céramiques.
• La conductivité électrique n’est pas l’apanage des métaux puisque certains oxydes et quelques polymères conduisent l’électricité.

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