Propriétés des Matériaux et Techniques d'Essai

1. Propriétés des Matériaux

Les propriétés d'un matériau dépendent de sa structure interne et déterminent son comportement au cours du processus de fabrication, tout en étant utiles pour donner des applications. Si certains matériaux sont modifiés pour changer leur structure interne, comme dans le cas des métaux, ils peuvent être alliés ou soumis à des traitements thermiques. Le choix d'un matériau doit tenir compte de ses propriétés : chimiques, physiques, mécaniques, économiques et esthétiques. Grâce à une étude détaillée des propriétés physiques et chimiques des atomes, des molécules et des composés, et en utilisant des outils de conception assistée par ordinateur, les scientifiques peuvent concevoir des matériaux aux propriétés étonnantes.

1.1 Propriétés Chimiques

L'interaction entre la matière et l'environnement cause des propriétés. Les pertes ou dommages seront différents en fonction du matériau : métal, céramique ou polymères.

• a) Oxydation : Déplacement des atomes de l'état élémentaire pour former des cations. Le matériau est combiné avec de l'oxygène. La réaction d'oxydation. Ag, Au ou Pt ne sont pas oxydés, mais ils sont coûteux pour créer une couche autoprotégée. L'industrie de l'alliage utilise Cr ou Ni pour l'acier inoxydable. On utilise des revêtements de protection, la galvanisation ou la chromation.
• b) Corrosion : L'oxydation humide en couche d'oxyde est dissoute et claire. Il y a une détérioration lente de l'action matérielle par un agent (O2) en présence d'eau. Ce processus n'est pas uniforme. Des points de corrosion apparaissent dans les différentes parties du matériau.

1.2 Propriétés Physiques

Les propriétés physiques sont dues à l'organisation dans l'espace des atomes des matériaux.

• a) Densité : Si < 1 kg/m³, le matériau flotte dans l'eau. Le poids spécifique dans l'eau est le rapport entre le poids d'une quantité de matière et le volume qu'elle occupe.
• b) Propriétés Électriques : La résistance au passage du courant électrique dépend de la nature du matériau, de la présence d'électrons mobiles et de leur degré de mobilité. La résistivité est une propriété spécifique de cette substance.
• Isolation
• Pilotes
• Semi-conducteurs
• Superconducteurs : La résistivité tend vers zéro et le courant circule à travers le matériau sans opposition pour une durée indéterminée (de nombreuses applications médicales). Le changement de conduction normale se produit à la température critique (Tc) liée aux propriétés magnétiques de la matière.

c) Propriétés Thermiques

Les effets sur le chauffage solide incluent l'absorption, le transfert de chaleur et l'expansion ou la dilatation.

• Coefficient de dilatation thermique linéaire : Le matériau s'élargit en augmentant sa température (s'il n'y a pas de changements de phase) en raison de la vibration accrue des atomes.
• Chaleur spécifique : Énergie absorbée pour élever de 1 ºC la température du matériau sans introduire de changements de phase.
• Température de fusion : Lors du chauffage des solides, la vibration des particules devient plus large. Si l'amplitude des vibrations augmente suffisamment, la structure du matériau se rompt ou fond.
• Conductivité thermique : Le transfert de chaleur par conduction se fait à travers les corps des points de température plus basse et est dû aux collisions des atomes et des particules.

c) Propriétés Magnétiques

Les propriétés magnétiques d'un matériau représentent l'interaction entre le champ magnétique et la structure atomique.

• Diamagnétisme : Le champ magnétique induit s'oppose au champ appliqué.
• Paramagnétisme : Le champ magnétique à l'intérieur est légèrement supérieur au champ appliqué.
• Ferromagnétisme : Les dipôles permanents s'alignent avec le champ appliqué.

d) Propriétés Optiques

Les propriétés optiques concernent l'interaction d'un matériau avec le rayonnement lumineux visible. La lumière interagit avec la surface du corps : une partie est réfléchie, une partie est transmise et une partie est absorbée. La couleur d'un corps dépend de la lumière réfléchie.

• Opaque : Absorbe ou réfléchit toute la lumière.
• Transparent : La lumière est transmise, permettant de voir à travers.
• Translucide : Laisse entrer la lumière, mais ne permet pas de voir à travers.

2. Propriétés Mécaniques

Les propriétés mécaniques décrivent comment un matériau supporte les forces appliquées, y compris les forces de traction, de compression, d'impact, de fatigue cyclique ou de haute température. De nombreux matériaux en service sont soumis à des forces ou des charges. Dans de telles conditions, il est nécessaire de connaître les propriétés des matériaux pour concevoir l'instrument qui sera utilisé afin que les efforts ne soient pas excessifs et que le matériau ne se fracture pas. Le comportement mécanique d'un matériau est un reflet de la relation entre sa réponse ou sa déformation à une force appliquée ou à une charge.

a) Élasto-Plastique

La capacité d'un matériau à reprendre sa forme une fois que la force qui l'a déformé a disparu. Chaque atome occupe une position d'équilibre solide en raison de l'existence de forces internes. La déformation élastique est immédiate et réversible. Pour déterminer l'élasticité et la plasticité d'un matériau, des tests de tension et de compression sont effectués. Dans de nombreux matériaux, y compris les métaux et les minéraux, la déformation est directement proportionnelle à l'effort.

b) Plasticité

Aptitude d'un matériau à conserver sa forme après avoir été déformé. Cela est particulièrement important dans les processus de formation, comme le laminage à chaud de l'acier ou le formage à froid des feuilles pour automobiles.

c) Ductilité

Capacité d'un matériau à s'étirer en fils.

d) Malléabilité

Possibilité d'un matériau de s'étirer en plaques sans se casser.

e) Dureté

Résistance d'un matériau à être rayé ou pénétré, c'est-à-dire sa résistance à l'usure.

f) Ténacité

Capacité d'un matériau à résister aux efforts de rupture lorsqu'il est soumis à une contrainte.

g) Fragilité

Un matériau est considéré comme fragile s'il se casse lorsqu'il est soumis à un impact.

h) Fatigue

Déformation d'un matériau sous diverses charges, en dessous de la fracture, après un certain temps ou un certain nombre de cycles.

i) Autres Propriétés

Incluent la facilité de mise en forme, la dureté, la fragilité et la résistance dans certains métaux comme conséquence de la déformation à froid, ainsi que la coulabilité, qui est la capacité d'un matériau à remplir un moule.

3. Techniques de Mesure et d'Essai des Matériaux

Types de tests : destructifs ou non destructifs (rayons X, rayons gamma, ultrasons, particules magnétiques, ressuage, courants de Foucault, tests magnétiques, tests sonores). Selon la méthode :

• Tests Chimiques : Analyse de la composition chimique et du comportement face à des agents chimiques.
• Tests Métallographiques : Études de la structure interne pour répondre aux traitements thermiques et mécaniques : homogénéité, fissures, surfaces de grains en stratifié, forgeage, etc.
• Tests de Densité : Mesures de la densité physique, du point de fusion, de la conductivité électrique et thermique.

3.2 Essai de Dureté

3.2.1 Tests de Résistance à la Rayure :

• Essai de Martens : Mesure de la largeur de ligne provoquée par une pointe de diamant pyramidale.
• Test à la Chaux : Pour l'acier doux.

3.2.2 Test de Pénétration

Techniques quantitatives basées sur des pénétrateurs de surface forcés de charge dans des conditions contrôlées, avec mesure de la profondeur ou de l'empreinte.

• Essai Brinell : Utilisation d'une bille d'acier trempé.
• Essai Vickers : Utilisation d'une pyramide régulière.
• Test de Rockwell

3.3 Test Dynamique de Résilience

Objectif : Déterminer l'énergie absorbée par l'échantillon pour provoquer la rupture d'un seul coup (pendule Charpy).

3.4 Essais de Fatigue

Les pièces sont soumises à des variables de déformation (rotation, flexion ou vibration) dans une certaine magnitude et direction, et peuvent se rompre avec des charges inférieures à la rupture.

3.5 Essai de Fluage

Le fluage est la déformation d'un matériau en fonction du temps et de la température, lorsqu'il est soumis à une tension constante ou à une charge (comme les aubes de turbines).