Les trois classes de solides
En fonction de la nature des liaisons de cohésion dans un solide, la Science des matériaux identifie trois classes de solides : les métaux, les céramiques et les polymères.
Les métaux et leurs alliages
Parmi les éléments purs, on dénombre 84% de métaux. Ce sont des atomes qui possèdent des électrons périphériques peu liés au noyau et facile à capter.
Cela signifie qu'il est aisé d'obtenir des ions, ce qui a deux conséquences :
Dans la nature, les métaux sont sous forme de sels très stables, le plus souvent des oxydes ou des sulfures. Il faut une grande quantité d'énergie pour réduire ces sels et obtenir l'état de métal. Leur élaboration sera donc énergivore.
Les métaux s'oxydent facilement et sont donc (presque) tous capables de se corroder. C'est malheureusement un cas majeur de « ruine » des matériaux métalliques très fréquent.
A l'état solide, c'est évidemment la liaison métallique qui s'impose. De ce fait, tous les métaux sont cristallisés et très conducteurs de l'électricité et de la chaleur.
L'état cristallin procure aux métaux des propriétés mécaniques particulières et extrêmement importantes, et qu'il convient de citer dès maintenant :
La plupart des métaux manifestent un comportement de déformation plastique appelé ductilité. Cet étrange phénomène s'explique par la grande facilité de déplacement de certains défauts (dislocations) dans l'édifice cristallin des solides à liaisons métalliques. Cette déformation plastique est à l'origine du grand succès technique des métaux pour produire facilement des objets de forme complexe, en utilisant les très nombreux procédés de mise en forme comme le laminage, le tréfilage, l'extrusion, le forgeage, le matriçage, etc..
Autre conséquence de la ductilité, certains métaux très ductiles présentent une très grande ténacité (énergie de déchirement). Pour ceux qui cristallisent dans le système « idéal » cubique à faces centrées, cette ténacité reste très importante jusqu'aux températures inférieures à -200°C. Pour cette raison, l'aluminium ou le nickel constituent des familles d'alliages spécialisées dans les applications cryogéniques. Cette ténacité élevée est le gage de la sureté de fonctionnement de nombreux systèmes et se trouve souvent exigée comme propriété essentielle dans un cahier des charges.
Pour les raisons exposées ci-dessus, les métaux sont donc les matériaux de structure les plus performants et leurs applications sont innombrables. On trouve parmi eux la famille géante des aciers qui sont, économiquement les matériaux les plus importants du monde.
Cependant, l'emploi des matériaux métalliques présente aussi de graves inconvénients. Ils sont polluants, parfois toxiques, et leur élaboration également. Pour beaucoup, leur ressource sur terre est limitée, et conduit à une exploitation dévastatrice de l'environnement. Enfin, hormis le cas exceptionnel des aciers, les métaux sont l'objet d'une économie spéculative qui va en s'aggravant.
Le tableau suivant rassemble les principales propriétés des métaux et alliages :
Propriétés physiques et mécaniques |
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Propriétés chimiques |
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Caractéristiques économiques |
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Mise en œuvre |
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Si les éléments de base nécessaires pour élaborer les céramiques sont très courants (sables et roches), ces matériaux ne possèdent pas de procédés de mise en forme et d'assemblage aussi performant que ceux des polymères et des métaux. Et, surtout, le caractère fragile de leur comportement mécanique les rend inaptes à constituer des pièces de structure.
Les céramiques
La cohésion de ces solides repose sur des liaisons iono-covalentes. Ils sont obtenus par réaction d'un métal et d'un métalloïde léger, comme le bore, le carbone, l'azote, l'oxygène, ou un mélange de ces derniers.
Ce sont les matériaux des records ! Record de dureté, de rigidité, de résistance, de température de fusion. On peut les séparer en deux grandes familles :
Les céramiques naturelles, comme par exemple le sable, le quartz, le diamant, le grès, les roches. Ces matériaux sont connus pour leur dureté, leur caractère réfractaire (ils ne s'oxydent pas à haute température) et leur température de fusion très élevée. Mais ils sont tous fragiles.
Les céramiques de synthèse reconstituent des oxydes, carbures, et autres nitrures de métaux grâce à des procédés d'élaboration souvent complexes. Certaines de ces céramiques, dites traditionnelles, sont connues depuis longtemps et universellement employées, surtout dans le génie civil. Par exemple le verre, les terres cuites (tuiles et briques), les isolants fibreux (laine de roche), l'alumine ou le corindon. D'autres céramiques de très hautes performances, dites techniques, sont présentes dans les outils d'usinage les plus performants, du fait de leur dureté exceptionnelle et de leur résistance à l'usure record. Enfin, certaines céramiques sont indispensables pour fabriquer les équipements travaillant à très haute température : fours, turbo-réacteurs, creusets et pièces pour la fonderie.
Propriétés physiques et mécaniques |
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Propriétés chimiques |
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Caractéristiques économiques |
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Mise en œuvre |
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Si les éléments de base nécessaires pour élaborer les céramiques sont très courants (sables et roches), ces matériaux ne possèdent pas de procédés de mise en forme et d'assemblage aussi performant que ceux des polymères et des métaux. Et, surtout, le caractère fragile de leur comportement mécanique les rend inaptes à constituer des pièces de structure.
Les polymères organiques
Les polymères organiques proviennent de la polymérisation de molécules organiques légères (éléments légers) souvent simples, appelées monomères, et possédant au moins deux extrémités réactives. Celles-ci permettent de lier ces molécules entre elles et de former ainsi des chaînes carbonées très longues (jusqu'à un million d'atomes) et plus ou moins ramifiées, le long desquelles les atomes sont liés entre eux par des liaisons covalentes très fortes
Propriétés physiques et mécaniques |
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Propriétés chimiques |
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Remarque : Les matériaux pour traitements thermiques
Les propriétés mécaniques des trois classes de matériaux sont comparées dans la fiche « Propriétés mécaniques et physiques des matériaux ».