Identification des matériaux

L'identification des matériaux peut, bien sûr, se pratiquer dans des laboratoires convenablement équipés en moyens scientifiques pour déterminer la nature des matériaux, tant d'un point de vue de la composition chimique que de la microstructure.

Le but n'est pas ici d'examiner toutes les méthodes possibles mais plutôt de donner quelques pistes simples pour permettre rapidement, lorsqu'on possède une pièce d'un appareil, et sans moyens lourds, d'identifier la famille à laquelle appartient le matériau qui constitue cette pièce.

A partir de là, on obtient, en général, des informations sur les performances du matériau, les techniques d'usinage/mise en forme qui ont été utilisées, et finalement sur un ordre de grandeur du coût de cette pièce.

La question : à quelle classe de matériaux appartient cette pièce?

Métal, polymère ou céramique? Éventuellement s'agit-il d'un matériau composite?

Les propriétés physiques qui départagent le mieux ces 3 classes sont :

Abordons maintenant le problème de l'identification des alliages métalliques et des polymères à l'intérieur de leur classe (on ne traitera pas le cas des céramique qui est plus compliqué et moins fréquent).

cinq mesures simples apportent souvent un indice important :

1. Que peut-on dire de la mesure de la densité?

Cette mesure permet souvent d'identifier clairement les alliages légers, les aciers et les métaux lourds. Beaucoup d'alliages industriels ne seront pas identifiables par cette méthode.

La densité est le rapport entre la masse d'un objet et la masse d'eau de même volume.

Pour mesurer la masse, on pèse l'objet (c'est facile). Mais pour mesurer son volume c'est plus délicat. Le volume peut être mesuré à partir des dimensions d'une forme simple (parallélépipède, cylindre...), ou en faisant déborder un récipient rempli d'eau par immersion d'une pièce de forme complexe. On mesure ensuite le volume perdu.

Voici quelques valeurs approchées de la densité d'alliages industriels courants.

On voit que cette mesure ne permet pas d'identifier les alliages de cuivre ou de nickel, tout comme les fontes et le zinc.

2. Ce métal est-il conducteur de l'électricité ?

En général, ce test est facile à pratiquer et identifie avec certitude les métaux parce qu'ils sont immensément plus conducteurs de l'électricité que les polymères et les céramiques.. Par contre il est très difficile, sans matériel adapté, d'identifier la famille d'un alliage métallique parce que les conductivités électriques sont trop voisines.

Il suffit de mesurer, à l'aide d'un contrôleur électrique standard en mode ohm-mètre et équipé de pointes à touches, la résistance électrique entre deux points distants de quelques mm. Si on trouve autour de 1 ohm, c'est un métal.

Attention aux revêtements (peinture, film plastique, oxydation de surface) !

Pour éviter ce piège, il est conseillé de limer un peu la pièce pour atteindre avec certitude la métal sous-jacent.

Application pratique : On se propose de montrer que le matériau constituant un boîtier de disque dur est un métal. Cette pièce est peinte en noir, aussi a-t-on légèrement limé un angle. On utilise un contrôleur en fonction ohmmètre, sur la gamme 0-200 Ohms.

• Il faut commencer par tester le court-circuit des deux pointes, qui doit idéalement donner 0 Ohm (photo ci-dessous).

Les deux photos suivantes montrent :

• Qu'on mesure une résistance infinie sur on pose les pointes, écartées d'environ 15mm, sur la peinture.

• Qu'on mesure une résistance très faible (0.5 – 0.4 = 0.1 ohm) si on touche dans la zone limée.

3. Ce métal est-il attiré par un aimant?

L'attraction par l'aimant montre qu'il s'agit d'un matériau ferromagnétique, ce qui est une propriété très rare parmi les éléments. Les plus fréquents sont le fer, le cobalt et le nickel, ainsi que la plupart de leurs alliages.

En cas d'attraction, il y a de très fortes chances pour que ce soit un matériau ferreux, le plus souvent acier, ou fonte (attention : certains aciers inoxydables ne sont pas ferromagnétiques). Il peut aussi s'agir d'un alliage de nickel (Invar) et beaucoup plus rarement, de cobalt.

4. Que vaut son potentiel de corrosion?

Il s'agit de mesurer la différence de potentiel qui s'établit entre l'échantillon et une électrode de référence (électrode électrochimique au sulfate d'argent ou au calomel), lorsque ceux-ci sont immergés dans de l'eau salée (30 g/litre).

Cette mesure n'est pas toujours sélective et peut même conduire à des erreurs d'interprétation, mais elle est simple et facile à mettre en œuvre.

Elle identifie facilement les aciers, les alliages de cuivre et de zinc. Difficile avec les inox et les alliages légers.

5. Obtient-on des étincelles en meulant à sec?

Ce test est très connu dans les ateliers. Selon la forme et la taille de la gerbe d'étincelles, il permet de différencier les aciers en fonction de leur teneur en carbone, les fontes, les aciers inoxydables et les alliages de titane (étincelles très blanches).

Mais il ne donne rien avec les alliages à base de cuivre ou d'aluminium.

Le problème est plus complexe que dans le cas des métaux car les propriétés physiques des polymères sont très voisines...

Heureusement, beaucoup de fabricants suivent la réglementation européenne qui consiste à apposer sur chaque pièce en plastique, un sigle indiquant la famille de polymère, afin de faciliter le tri et donc le recyclage. Voici la liste sigles, identifiés par des chiffres, au centre du logo triangulaire du recyclage, maintenant bien connu :

Et les familles correspondantes :

Cas des polymères renforcés : De nombreuses pièces plastiques sont constituées d'un polymère additionné de fibres courte, le plus souvent en verre (ce mélange améliore remarquablement la résistance à l'usure et au frottement).

Dans ce cas, on lira par exemple : 55HDPE – 45GF. Ce qui signifie : 55% en volume de Polyéthylène haute densité + 45% de fibres de verre (glass fibers).

Si on veut aller un peu plus loin dans l'identification, ou si aucune indication ne figure sur la pièce, on peut utiliser la méthode suivante.

Elle permet d'identifier les grandes familles de polymères les plus répandues, et fait particulièrement le tri entre les trois états des polymères : élastomères, thermodurcissables ou thermoplastiques, mais ne permet pas d'identifier sérieusement un thermodurcissable (résine).

Cet organigramme, ainsi que les explications qui y sont attachées sont accessibles

On passe au test suivant lorsqu'un résultat est négatif.

Les commentaires sur les sept tests successifs sont les suivants :

1- Test de déformation. C'est un élastomère si on obtient une grande déformation élastique (avec retour constaté à la longueur initiale) en tirant à la main.

2- Test de chauffage. L'échantillon est chauffé par contact avec une pièce très chaude (verre ou métal). S'il ne fond pas et ne se déforme pas, c'est un thermodurcissable.

3- Test de densité. Seules les polyoléfines (P-éthylène et P-propylène) flottent sur l'eau.

4- Test de Beilstein. Détection de chlore dans la molécule. On chauffe un fil de cuivre enrobé du polymère dans une flamme. C'est un PVC si on obtient une flamme verte.

5- Test du solvant. On immerge un fragment du polymère pendant 10 minutes dans de l'acétone. Puis on verse un peu d'eau. Le test est positif si on observe un précipité.

6- Test du papier pH. Chauffer jusqu'à pyrolyse un fragment de polymère dans un tube à essais en maintenant un morceau de papier Ph humidifié à l'entrée du tube. Si les fumées et vapeurs sont basiques, on dégage une amine ou une amide. Si les fumées sont acides, c'est un acide gazeux (HCl, HCN, HF ou SO2).

7- Test de combustion. Si la combustion est facile, avec une flamme claire, le test est positif (AF et SF signifient avec et sans fumée). Si l'échantillon se recouvre de poudre blanche réfractaire (SiO2), c'est un silicone.

Cette méthode peut être fortement faussée si le matériau contient plusieurs phases :

• s'il s'agit de polymères armés.

• s'il s'agit de mousses.

• dans le cas de certains copolymères (polyoléfine + autre).

Application pratique du test de densité :

Voici trois objets provenant de pièces d'évacuation d'eau.

La pièce grise 1 est notoirement en PVC, mais il y a un doute concernant les pièces du petit bac d'écoulement blanc. Les pièces 1, 2 et 3 ont été immergées dans l'eau.

Les pièces 1 et 2 sont en polyoléfines. La pièce 1 en HDPE ou en PP, mais la pièce 2, qui est très souple, est certainement en LDPE. Le test de la pièce 3 confirme l'hypothèse du PVC.

Voici un fil de cuivre chauffé et qui est enduit de pvc par contact, puis la flamme verte due à l'attaque du cuivre à chaud par HCl.

Application pratique du test de combustion.

Voici des vues de la combustion de polyéthylène, poly chlorure de vinyle et polystyrène.

On voit que le PE brûle sans aucune fumée, contrairement au PS et surtout au PVC.

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Application pratique : Attaque acide de surface pour identifier la nature de revêtements.

Voici trois pièces communes qui sont toutes revêtues :

Ces pièces ont été incomplètement immergées dans du vinaigre blanc (acide acétique très dilué) pendant 6 heures. Voici une vue en cours d'essai.

A l'issue des 6 heures :

• la vis chromée baignait dans un liquide coloré en jaune par les ions ferriques. Ceux-ci provenaient de la corrosion violente de l'acier mis à nu sur la tête. Le chrome du revêtement est resté intact car il est plus noble que l'acier.

La vis à bois a subi une corrosion rapide du zinc de surface, accompagnée de la formation de bulles d'hydrogène. Après l'essai, on distingue nettement les deux métaux par leur couleur.

Le support laiton/nickel est apparemment intact. Le laiton est très légèrement attaqué mais le revêtement de nickel n'a pas réagi.