Comment choisir un matériau ?
Les différentes sollicitations que supportent les matériaux
.
Définition :
Les sollicitations subies par une pièce, selon les différentes étapes de sa vie, ont comme effet de la déformer, de modifier la structure et éventuellement de détruire le matériau qui la constitue.
Les sollicitations mécaniques qui sont prises en compte sont les contraintes extérieures, la pression, les vibrations et les chocs.
Les sollicitations thermiques concernent la dilatation, la conduction de chaleur, les changements de phases et parfois la fusion ou l'évaporation.
Les sollicitations physiques sont liées surtout au comportement électromagnétique (comportement magnétique, conduction électrique), mais aussi à l'effet des rayonnements.
Les sollicitations chimiques concernent le comportement à la corrosion, la réactivité chimique, sans oublier le devenir du matériau abandonné dans l'environnement.
Les différentes étapes de la vie d'un objet.
Une pièce située dans une machine ou un objet, subit des conditions différentes selon trois époques : sa fabrication, sa vie en service et son rejet sous forme de déchet.
On peut très souvent observer que les propriétés que l'on espère pour cette pièce sont contradictoires, selon qu'on s'intéresse à l'une des époques ci-dessus. Par exemple, on souhaite usiner facilement une pièce métallique, qui ne doit donc pas être dure durant sa fabrication, mais durant sa vie en service, on attend d'elle la plus grande dureté.
Le concepteur devra donc choisir un matériau adapté à ces conditions variables.
Le cahier des charges
Le concepteur d'une pièce décide du mode de fonctionnement de celle-ci, ainsi que de sa forme, en fonction des exigences du Cahier des Charges que lui a remis son client.
Ce document décrit toutes les caractéristiques physico-chimiques, mécaniques et économiques que devra posséder l'objet terminé.
En fonction des sollicitations extérieures prévues par ce Cahier des Charges, ainsi que de celles qui sont subies par la pièce lorsqu'elle le système fonctionne, le concepteur doit choisir le matériau le plus approprié techniquement pour la fabrication de l'objet.
Mais il doit aussi tenir compte de bien d'autres facteurs, économiques, écologiques et sociaux, comme on peut le voir ci-dessous :
Cette étape est délicate car il s'agit en fait de choisir ensemble une matière et un mode de fabrication. C'est ce couple qui produira la microstructure interne du matériau et qui définira les propriétés de la pièce terminée.
L'expérience montre que le choix est rarement univoque et, qu'à performances égales, un même type de pièce peut être confectionné avec des matériaux différents. En effet, ces choix sont fortement guidés par la taille des séries à produire, le coût unitaire imposé, et la disponibilité dans l'entreprise de moyens de mise en forme adaptés à certains matériaux.
Pour prendre quelques exemples fréquents : les pièces métalliques usinées sont réputées chères et, de ce fait, réservées au petites séries ou aux productions où la qualité est primordiale. Au contraire, les grandes séries, où souvent le coût est le facteur essentiel, utilisent massivement les procédés de fonderie pour produire ne métal, mais peuvent aussi conduire à opter pour des polymères, si les sollicitations thermiques le permettent.
En effet, les matières plastiques sont réputées assez chères mais bénéficient des performances exceptionnelles des techniques de production de la plasturgie, particulièrement l'injection.
Fondamental : Influence des liaisons chimiques sur la nature des solides
Les solides constituent l'état le plus condensé de la matière, dans lequel des atomes ou des ions sont maintenus dans une position très stricte par rapport aux atomes ou aux ions qui les environnent. On peut donc définir, pour un atome donné, le nombre de voisins et les distances qui les séparent. Cet état condensé est rendu possible par la création de liaisons chimiques entre l'atome et ses voisins, ayant pour effet de diminuer l'énergie potentielle du système que représentent les atomes considérés. Plus cette diminution d'énergie potentielle est forte, plus les atomes sont retenus fortement entre eux, et plus il faudra une force importante pour rompre ces liaisons.
