Materiaux

Les materiaux sont classes en 4 grandes familles. Les metaux et alliages (acier = fer + carbone, aluminium, cuivre, titane) sont conducteurs et resistants mecaniquement. Les polymeres (thermoplastiques comme le PE, PP, PVC ; thermodurcissables comme l'epoxy) sont legers et isolants. Les ceramiques (alumine, verre, beton) sont dures mais fragiles. Les composites (matrice + renfort) combinent les avantages de plusieurs materiaux, comme la fibre de carbone (legere et tres resistante).

L'essai de traction est l'essai mecanique de reference. On tire sur une eprouvette et on mesure la force F et l'allongement Delta L. La contrainte sigma = F/S (en MPa) et la deformation epsilon = Delta L/L0 (sans unite). Dans le domaine elastique, la loi de Hooke donne sigma = E x epsilon, ou E est le module d'Young (rigidite du materiau). La limite elastique Re est la contrainte maximale avant deformation permanente. La resistance a la rupture Rm est la contrainte maximale supportee.

Au-dela des proprietes mecaniques, le choix d'un materiau depend aussi de ses proprietes thermiques (conductivite lambda en W/(m.K), dilatation), electriques (conducteur, semi-conducteur, isolant), chimiques (resistance a la corrosion et a l'oxydation) et de sa masse volumique rho (en kg/m^3). Par exemple, l'aluminium (rho = 2700 kg/m^3) est 3 fois plus leger que l'acier (rho = 7800 kg/m^3), ce qui est crucial en aeronautique.

Le choix d'un materiau se fait en croisant les exigences du cahier des charges (resistance, masse, cout, environnement) avec les proprietes des materiaux disponibles. Les diagrammes d'Ashby representent deux proprietes l'une en fonction de l'autre (ex : module d'Young vs masse volumique) pour visualiser les familles de materiaux. L'indice de performance (ex : E/rho pour maximiser la rigidite a masse minimale) permet de classer les materiaux objectivement selon le critere dominant.

Les procedes de fabrication transforment la matiere brute en pieces fonctionnelles. L'usinage (enlevement de matiere) comprend le tournage (pieces de revolution), le fraisage (surfaces planes et formes complexes) et le percage. Le moulage (fonderie pour les metaux, injection pour les plastiques) permet de produire en grande serie. L'impression 3D (FDM, SLA, SLS) permet le prototypage rapide et les petites series. L'assemblage permanent (soudage, collage) ou demontable (vis, boulons) reunit les pieces entre elles.

Le cycle de vie d'un materiau va de l'extraction des matieres premieres a la fin de vie (recyclage, incineration ou enfouissement). Le recyclage des metaux est bien maitrise (acier recycle a plus de 80%), celui des plastiques est plus complexe (environ 30%). L'empreinte carbone varie enormement : l'aluminium neuf emet 10 fois plus de CO2 que l'acier, mais l'aluminium recycle est tres peu emetteur. L'eco-conception vise a minimiser l'impact environnemental en choisissant des materiaux recyclables, en reduisant la masse et en allongeant la duree de vie.