Sélection de matériau : Processus consistant à choisir le matériau le plus approprié en fonction des contraintes mécaniques imposées, en tenant compte de la sécurité et des facteurs de sécurité.
- Identifier les contraintes appliquées (traction, compression, cisaillement)
- Déterminer la contrainte maximale admissible
- Appliquer un facteur de sécurité (généralement 2-3)
- Consulter les propriétés des matériaux
- Sélectionner un matériau avec une résistance > contrainte maximale × facteur de sécurité
Contrainte de traction appliquée : σ_app = 200 MPa
Facteur de sécurité FS = 2 (valeur typique pour applications critiques)
Contrainte admissible = σ_app × FS = 200 MPa × 2 = 400 MPa
Rechercher des matériaux avec une résistance à la traction > 400 MPa
• Acier doux : Résistance ~ 400-500 MPa
• Acier allié : Résistance ~ 600-1200 MPa
• Alliage d'aluminium : Résistance ~ 200-500 MPa
• Titane : Résistance ~ 800-1100 MPa
Acier allié ou titane sont les meilleurs choix pour cette application
Le matériau doit avoir une résistance à la traction supérieure à 400 MPa (200 MPa × 2)
• Sécurité : Appliquer un facteur de sécurité
• Contrainte maximale : Résistance_matériau > σ_appliquée × FS
• Choix : Considérer coût, disponibilité et usinage
Résistance spécifique : Rapport entre la résistance d'un matériau et sa masse volumique. Permet de comparer la performance en fonction du poids.
R_s = σ_max / ρ
Résistance σ_max = 400 MPa
Masse volumique ρ = 7.85 g/cm³
R_s_acier = 400 / 7.85 ≈ 51 MPa·cm³/g
Résistance σ_max = 300 MPa
Masse volumique ρ = 2.7 g/cm³
R_s_alu = 300 / 2.7 ≈ 111 MPa·cm³/g
Résistance σ_max = 800 MPa
Masse volumique ρ = 4.5 g/cm³
R_s_titane = 800 / 4.5 ≈ 178 MPa·cm³/g
Titane > Aluminium > Acier
Le titane a la meilleure résistance spécifique
Le titane a la meilleure résistance spécifique (178 MPa·cm³/g), suivi de l'aluminium (111 MPa·cm³/g) et de l'acier (51 MPa·cm³/g)
• Résistance spécifique : R_s = σ_max / ρ
• Unités : MPa·cm³/g ou N·m/kg
• Applications : Aéronautique, automobile où le poids est critique
Application où le poids est critique : Situation où la réduction de masse est primordiale (aéronautique, spatial, transport). On privilégie les matériaux avec haute rigidité spécifique.
Lorsque le poids est critique, on recherche la plus haute rigidité spécifique
E_s = E / ρ (module d'élasticité / masse volumique)
E_acier = 200 GPa, ρ_acier = 7.85 g/cm³
E_s_acier = 200 / 7.85 ≈ 25.5 GPa·cm³/g
E_alu = 70 GPa, ρ_alu = 2.7 g/cm³
E_s_alu = 70 / 2.7 ≈ 25.9 GPa·cm³/g
E_comp = 150 GPa, ρ_comp = 1.5 g/cm³
E_s_comp = 150 / 1.5 = 100 GPa·cm³/g
Le composite a la meilleure rigidité spécifique
Suitable pour applications où le poids est critique
Pour une application où le poids est critique, les composites offrent la meilleure rigidité spécifique
• Rigidité spécifique : E_s = E / ρ
• Applications légères : Composites, alliages légers
• Performance : Plus E_s est élevé, plus le matériau est performant pour le poids
Résistance aux chocs : Capacité d'un matériau à absorber l'énergie d'un impact sans se rompre. Mesurée par la ténacité à l'impact (énergie de rupture) ou la ténacité en mode I (K_IC).
Pour résister aux chocs, on a besoin de :
• Haute ténacité (K_IC élevée)
• Bonne ductilité (ε_rupture > 5%)
• Capacité à absorber l'énergie
• Acier doux : K_IC = 50-80 MPa·m^0.5, ductile
• Acier trempé : K_IC = 25-50 MPa·m^0.5, moins ductile
• Polycarbonate : K_IC = 2-4 MPa·m^0.5, très ductile
• Fonte grise : K_IC = 10-20 MPa·m^0.5, fragile
• Les matériaux ductiles absorbent mieux l'énergie
• La ténacité est plus importante que la résistance
• La vitesse de chargement influence la réponse
• Acier doux ou acier inoxydable
• Plastiques renforcés
• Composites à matrice métallique
• Température d'utilisation
• Vitesse d'impact
• Géométrie des pièces
Pour résister aux chocs, il faut sélectionner des matériaux ductiles avec une ténacité élevée (K_IC)
• Ténacité : K_IC mesure la résistance à la propagation de fissures
• Ductilité : Capacité à se déformer plastiquement
• Sécurité : Matériaux ductiles préférables aux fragiles
Durabilité en environnement corrosif : Capacité d'un matériau à résister à la dégradation chimique dans des conditions spécifiques (humidité, température, agents chimiques).
Types de corrosion possibles :
• Oxydation (air/humidité)
• Galvanique (contact avec autre métal)
• Par piqûres (chlorures)
• Intergranulaire (températures élevées)
• Acier ordinaire : Se corrode rapidement en milieu humide
• Acier inoxydable : Forme oxyde protecteur Cr₂O₃
• Aluminium : Oxyde Al₂O₃ protecteur
• Cuivre : Forme patine protectrice
Meilleure résistance :
• Téflon/PTFE → Excellent
• Acier inoxydable → Très bon
• Titane → Très bon
• Aluminium → Bon
• Acier galvanisé → Moyen
• Acier ordinaire → Faible
• pH du milieu
• Température
• Concentration des ions
• Vitesse du fluide
• Milieu marin : Acier inoxydable AISI 316L
• Chimie agressive : Plastiques fluorés
• Températures élevées : Superalliages
Pour une bonne durabilité en environnement corrosif, choisir des matériaux avec une résistance chimique élevée comme l'acier inoxydable ou le titane
• Environnement : Identifier les agents corrosifs
• Matériaux : Acier inox, titane, plastiques résistants
• Protection : Revêtements, inhibiteurs, isolation
- Identification des contraintes : Charges, température, environnement
- Définition des critères : Résistance, poids, coût, durabilité
- Recherche de matériaux : Consultation des bases de données
- Évaluation comparative : Indices de performance, diagrammes Ashby
- Sélection finale : Validation économique et technique
- La sélection d'un matériau dépend de l'application spécifique
- Les propriétés doivent être adaptées aux conditions d'utilisation
- Le coût et la disponibilité sont des facteurs déterminants
- La durabilité à long terme est essentielle pour la performance globale
