Les matériaux : familles, propriétés et choix

Familles de matériaux (métaux, plastiques, organiques, céramiques, composites), propriétés mécaniques, thermiques, électriques, choix d'un matériau selon le cahier des charges, impact environnemental

Classer un matériau dans sa famille, connaître ses propriétés, calculer une masse volumique et justifier le choix d'un matériau à partir d'un cahier des charges et de son impact environnemental.

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Les cinq familles

Métalliques : ferreux (fer, acier = fer + moins de 2 % de carbone, fonte, inox) ; non ferreux (aluminium, cuivre, zinc) ; alliages : laiton (cuivre + zinc), bronze (cuivre + étain).
Plastiques : thermoplastiques (ramollissent, refondables : PE, PP, PVC, PET, ABS, PLA) ; thermodurcissables (ne ramollissent plus : bakélite, époxy) ; élastomères (caoutchouc, silicone).
Organiques : origine végétale ou animale (bois, papier, liège, coton, laine, cuir).
Céramiques : verre, porcelaine, terre cuite ; dures, fragiles, résistent à la chaleur.
Composites : renfort + matrice (carbone-époxy, fibre de verre-polyester, béton armé).

Propriétés

Mécaniques : dureté (rayure), élasticité (reprend sa forme), plasticité (déformation durable), fragilité (casse net), résistance (traction, compression, flexion), résilience (chocs).
Thermiques : conducteur (grand λ) ou isolant (petit λ), température de fusion, dilatation.
Électriques : conducteurs (métaux, graphite) ; isolants (plastiques, verre, céramiques, bois sec).
Chimiques : corrosion (l'acier rouille ; inox, aluminium et zinc résistent).

Formules et repères

ρ = m / V ; 1 g/cm³ = 1 000 kg/m³ ; 1 mL = 1 cm³ ; flotte si ρ < 1 g/cm³.
ρ (g/cm³) : liège 0,24 ; PP 0,90 ; PVC 1,4 ; verre 2,5 ; aluminium 2,7 ; acier 7,8 ; cuivre 8,9.
λ (W/(m·K)) : cuivre 390 ; aluminium 230 ; acier 50 ; verre 1 ; bois 0,13 ; polystyrène expansé 0,035.

Méthode : choisir un matériau

Relever les critères du cahier des charges.
Éliminer les matériaux qui ne respectent pas une contrainte impérative.
Note × coefficient pour chaque critère, puis total.
Retenir le meilleur total, vérifier coût et fabrication.

Impact environnemental

Extraction, transformation (énergie), transport, utilisation, fin de vie.
Métaux et verre : recyclables presque indéfiniment ; thermoplastiques : quelques fois ; thermodurcissables et composites : très difficilement.
Aluminium : environ 200 MJ/kg à partir de bauxite, environ 10 MJ/kg recyclé.

Pièges à éviter

Tous les métaux ne sont pas attirés par l'aimant (aluminium, cuivre, certains inox).
Isolant ne veut pas dire plastique.
Dur ne veut pas dire résistant aux chocs (verre).
Biosourcé ne veut pas dire biodégradable.
Oublier de convertir mm, mL ou kg/m³ avant de calculer.

L'essentiel

Cinq familles : métalliques, plastiques, organiques, céramiques, composites.
Un thermoplastique ramollit à la chaleur et se recycle par refonte ; un thermodurcissable non.
Masse volumique : ρ = m / V ; un matériau flotte sur l'eau si ρ < 1 g/cm³.
On élimine d'abord les matériaux hors contrainte impérative, puis on compare les totaux pondérés.
L'impact d'un matériau se juge sur toute sa vie : origine, énergie, durée de service, fin de vie.

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