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M Matériaux
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Les matériaux
Compétences attendues:
-
Identifier les familles des matériaux
Analyser le choix des matériaux vis-à-vis des performances attendues
Choisir un matériau ou une famille de matériau avec des objectifs multicritères
1 Exercice de cours
1) Indiquer la nature des matériaux suivants et les qualités du matériau qui ont pu conduire à ce choix.
…………………………………
Cadre de vélo en S355 :………………………………………………………………...………………….
Vilebrequin de moteur de voiture en 42 Cr Mo 4:……………………………………….……………………
Réservoir en X6CrMo17-1:………………………………………………………………………………………
…………………………………
Carter de moteur de voiture en EN-GJL 150:…………………………………………………………………
Vilebrequin de moteur de voiture en EN-GJS 400-18:……………………………………………………….
………………………………….
Cadre de vélo en Al Si7 Mg:……………………………………………………………………………………
…………………………………
Cosse de batterie en Cu Zn 20:………………………………………………………………………….…….
Palier lisse en Cu Sn 5:………………………………………………………………………………………..
……………………………………………
Coque de téléphone en ABS :…………………………………………………………………..……………
Pignon d'engrenage en PA6 :…………………………………………………………………….…………..
Pignon d'engrenage en PEEK :………………………………………………………………………………..
……………………………………………
Définir le type de polymère du polyester :………………………………………………………………..
Fabrication de carrosserie en UP + fibres de verre :…………………………………….…..………….
2 Choix des matériaux
Les diagrammes d'Ashby permettent de visualiser les performances des différentes familles de matériaux
pour différents critères.
2.1 Résistance
2) Déterminer quelle famille de matériau peut être utilisée pour des paliers lisses de pression spécifique
sensiblement comparable à la limite élastique:
- p1=6MPa:……………………………………………………….
- p2=100MPa:……………………………………………………
3) Comparer les résultats la question précédente avec les matériaux effectifs pour les paliers lisses.
Quel critère supplémentaire entre en compte pour aboutir à cette sélection ?
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Les matériaux
Composites
1000
Acie r inoxydable
Alliages d'alu minium
Métaux et alliages
Céramiques techniques
S ilicium
Acier
100
Fo nte, grise
Limite élastique (MPa)
PT FE
10
Pap ier et carton
Polymères
Bois tendre
1
Béton
Liège
Matériaux naturels
0. 1
Céramiques non techniques
Elastomères
0. 01
0. 1
1
10
100
Prix (EUR/kg)
Céramiques techniques
Cuivre
Métaux et alliages
100
Alliage s d'aluminium
Fo nte, grise
Conductivité thermique (W/m.°C)
Acier faibleme nt allié
Acie r inoxydable
10
Verres
Grès
Vitro-céramiqu es
Bé ton
1
Elastomères
Contre-plaqu é
Céramiques non techniques
0.1
Chlo rure de polyvinyle (tpP VC)
Cuir
Papier et carton
Matériaux naturels
0.1
Polymères
Lièg e
Polystyrène (PS)
Polyméth acrylate de méthyle (Acryliqu e, PMMA)
1
10
100
Prix (EUR/kg)
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1000
Métaux et alliages
Brique
Font e, grise
Les matériaux
Céramiques non techniques
100
Pierre calc aire
Ciment
Céramiques techniques
10
Module de Young (GPa)
Bét on
C ontre-plaqu é
Bois tendre : pin parallè e
l à la fibre
1
Bois dur : c hêne dans le s ens des fibres
Polyétherét hercét one (PEEK)
(A BS)
Bois t endre : pin, perpendic ulaire à la fibre
0. 1
Polymères
Matériaux naturels
0. 01
Éthylène acét at e d e vinyle (EVA )
Iso prè ne (IR)
Elastomères de silico ne (SI)
0. 001
Polyuré thane (elPU)
Elastomères
Cao utc houc naturel (NR)
0. 1
Polyc hloroprène (Néoprène, CR)
1
10
100
Prix (EUR/kg)
1e27
Verres
Polystyrène (PS)
Polymères
1e24
Polymères
Résistivité électrique (µohm.cm)
1e21
1e18
PT FE
Chlorure d e po lyvinyle (tpPV C)
Céramiques non techniques
Elastomères
Brique
1e15
Céramiques techniques
Béton
1e12
Liège
Pierre c alc aire
1e9
Composites
1e6
Métaux et alliages
Ac ier
1000
A lliages de titane
Fonte, grise
Nic ke l
1
Zinc c ommercialeme nt pur
0. 1
Alliages d e plomb
1
Cuivre
B ronze
10
Etain
A lliag es de tungstè ne
100
Prix (EUR/kg)
2.2 Déformabilité
4) Sachant que le module d'Young caractérise la rigidité d'un matériau, justifier que l'emploi du béton
soit fortement employé dans la construction des bâtiments.
5) Quel est l'avantage du Néoprène sur le caoutchouc naturel ?
2.3 Isolation / Conduction
6) Justifier que la fonte soit un bon matériau pour la fabrication de radiateur.
7) Justifier que le polystyrène soit un bon matériau pour l'isolation thermique. Son inconvénient est la
présence de styrène dangereux notamment en cas d'incendie.
8) Justifier les avantages et les inconvénients du cuivre pour la conduction électrique.
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2.4 Rapport résistance / poids
Supe r-alliages basés sur du nic ke l
A lliages d'aluminium pour traitemen t thermique
1000
A cier faiblemen t allié
A lliages d e titane
Composite s re nforcés de fibres d e c arbone (CFRP)
Composites renfo rcé s de fib res de verre (GFRP)
A cie r inoxydable
S ilic ium
Polyétheréthercéto ne (P EEK)
A lliages de magnésium
Ac ier à tene ur moyen ne e n c arbone
Zirc one
Polyamides (Nylons, PA )
T itane
100
Bois tend re : p in parallè le à la fibre
Limite élastique (MPa)
Fon te de fe r d uctile (no dulaire )
Carbure de bore
Polymères
10
A lliages d'aluminium
Matériaux naturels
1
A lliages d e zin c pour injec tion
Métaux et alliages
Composites
Céramiques techniques
0. 1
0. 01
100
1000
10000
Masse Volumique (kg/m^3)
9) Exprimer la masse M d'un tube de section S de longueur L et de masse volumique ρ.
10) Déterminer la pression p sur la section S du tube vertical à l'action de son propre poids. Le tube a
pour longueur L et la constante de gravité vaut g=10 m/s².
11) En déduire le rapport puis la relation entre log(p) et log(ρ.L). Justifier que la pente de droite
unitaire permette de traduire cette relation.
12) Indiquer les matériaux permettant d'optimiser le critère de meilleure résistance mécanique
(homogène à la pression p) à masse identique par unité de surface ρ.L.
13) Proposer des structures existantes utilisant les matériaux concernés (un exemple par famille).
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