Science ST-STE 4e sec - 11.2 Les contraintes et propriétés des matériaux

Les contraintes et propriétés des matériaux (Notes STE p.150 | Notes ST p.82)

Une contrainte correspond à l'effet provoqué par des forces qui tendent à déformer un matériau ou un objet.

Compression

Effet d'écrasement provoqué par des forces qui se font face.

Exemples: Un oreiller sous notre tête. Bouteille de ketchup. Balle de stresse.

Traction (ou Tension)

Effet d'étirement provoqué par des forces qui s'éloignent l'une de l'autre.

Exemples: Tirer sur un élastique. Une corde de bungee. Les cables d'un pont suspendu.

Torsion

Effet provoqué par des forces en rotation tendant à tordre le matériau.

Exemples: Tordre une serviette pour l'essorer. Ouvrir un pot de confiture.

Flexion

Effet provoqué par des forces opposées tendant à plier ou courber le matériau.

Exemples: Un tremplin de piscine. Le tablier d'un pont. Un haltère.

Cisaillement

Effet provoqué par deux forces qui se font face avec un léger décalage ce qui tend à déchirer ou couper le matériau.

Exemples: Ciseau. Déchirer du papier. Faille sismique de cisaillement.

Propriété mécanique des matériaux (Notes STE p.151 | Notes ST p.83)

Une propriété mécanique d’un matériau décrit son comportement lorsqu’il est soumis à une ou plusieurs contraintes mécaniques.

Dureté: Capacité d'un matériau à résister à la rayure et à la perforation.

Exemple: Le diamant est le matériau le plus dur. On peut l'utiliser pour rayer/perforer plusieurs matériau.

Élasticité: Capacité d'un matériau à se déformer et à reprendre sa forme initiale.

Exemple: Le caoutchouc. Un ressort.

Fragilité: Capacité d'un matériau à se casser sans se déformer lorsqu'il est soumis à une contrainte.

Exemple: Les céramiques sont fragiles.

Ductilité: Capacité d'un matériau à être étiré en fil sans se rompre.

Exemple: Les métaux sont ductiles.

Malléabilité: Capacité d'un matériau à être aplati en feuilles minces ou courbé sans se rompre.

Exemple: Les métaux sont malléables. Certains plastiques peuvent également l'être.

Rigidité: Capacité d'un matériau à garder sa forme sous la contrainte.

Exemple: Le béton est ridige.

Résilience: Capacité d'un matériau à résister aux chocs en se déformant sans se rompre.

Exemple: La fibre de carbone d'un vélo ou d'un bâton de hockey. Le plastique d'un kayak.

ATTENTION! Les élèves mélangent souvent les propriétés de rigidité et de dureté.

ATTENTION! On oublie parfois le terme rigidité pour le remplacer par “solidité”. Le bon terme est bel et bien RIGIDITÉ lorsqu’un parle d’un matériau qui tend à garder sa forme. Solidité n’est PAS un terme accepté.

Lorsqu’on choisit des matériaux, d’autres propriétés que celles de résister à des contraintes peuvent être recherchées. On les appelle propriétés non-mécaniques.

Résistance à la corrosion: Capacité d'un matériau à résister à des substances corrosives (sels, eau, air, etc...)

Exemple: L'acier inoxydable et l'acier galvanisé résistent à la corrosion.

Résistance à la chaleur: Capacité d'un matériau à résister à la chaleur tout en conservant ses propriétés mécaniques.

Exemple: Les céramiques résistent bien à la chaleur.

Conductibilité électrique: Capacité d'un matériau à laisser passer le courant électrique

Exemple: Les métaux sont conducteurs. Le plastique est un isolant électrique.

Conductibilité thermique: Capacité d'un matériau à conduire la chaleur.

Exemple: Les métaux sont des bons conducteurs thermiques. Les céramiques sont des isolants thermiques.

Légèreté: Caractéristique d’un matériau dont la masse volumique (densité) est faible.

Exemple: La fibre et carbone et certains plastiques ont une bonne légèreté. L’aluminium a une meilleure légèreté comparée à d'autres métaux.

Neutralité chimique: Caractéristique d’un matériau à résister aux agents chimiques.

Exemple: Le verre a une bonne neutralité chimique alors il est utilisé dans certains emballages alimentaires.

Quelles sont les principales propriétés mécaniques et non-mécaniques favorisées pour les matériaux des objets suivants?

Une casserole en acier inoxydable

Dureté --> Il ne faut pas rayer facilement le fond du chaudron

Neutralité chimique --> On ne veut pas le le chaudron réagisse avec les aliments et se désagrège.

Résistance à la chaleur --> Le chaudron sera soumis à de grandes températures.

Conductibilité thermique --> La chaleur doit bien se répartir à l'intérieur du chaudron.

Malléabilité --> On veut être capable de courber le métal pour lui donner sa forme.

Résistance à la corrosion --> On veut être capable de le laver dans l'eau sans qu'il ne rouille.

Un comptoir en granite

Rigidité

Dureté --> Il ne faut pas rayer facilement le comptoir

Résistance à la corrosion -->On ne veut pas qu'il s'oxyde en présence d'eau.

Résistance à la chaleur --> Si on y dépose un objet chaud, il doit résister.

Résilience --> Il doit encaisser les impacts sans se rompre.

Une chaîne en or

Ductilité --> Il faut être capable de faire des filaments d'or pour faire les maillons de la chaîne.

Malléabilité --> Les filaments d'or doivent être capables de se courber pour faire les maillons.

Résistance à la corrosion --> L'or ne doit pas s'oxyder en présence d'eau.

Les gants en caoutchouc d’un électricien

Malléabilité --> On doit être capable de fermer la main en courbant le gant.

Élasticité --> Le gant doit reprendre sa forme pour bien épouser la forme de la main.

ISOLANT électrique --> Il ne doit PAS conduire le courant électrique.

Les traitements thermiques (STE) (Notes STE p.154 | Notes ST p.XX)

Trempe: L'alliage doit d'abord être chauffé à très haute température afin que les atomes puissent se réagencer. L'alliage est ensuite refroidi très rapidement, en le trempant dans un fluide froid. Ce trempage interrompt le déplacement des atomes et procure de nouvelles propriétés à l'alliage.

Effets: Améliorer la dureté. Augmenter la fragilité. Diminuer la malléabilité/ductilité.

Revenu: Consiste à chauffer un alliage trempé à une température précise, inférieure à celle de la trempe afin que l'alliage ne perde pas les propriétés acquises lors de cette étape. Plus la température de revenu est élevée, moins l'alliage sera dur et plus il sera ductile.

Effets: Diminuer la dureté. Diminuer la fragilité. Rétablir la malléabilité/ductilité.

Recuit: Permet de restaurer les propriétés de l'alliage après sa déformation. Pour ce faire, on doit chauffer suffisamment l'alliage puis le laisser refroidir lentement par la suite. On peut alors effacer les traces laissées par les contraintes engendrées lors de la fabrication, par exemple des traces de soudure ou une déformation.

Effets: Rétablir les propriétés originales et l'alliage. Effacer les traces laissées par les contraintes engendrées lors de la fabrication, par exemple des traces de soudure ou d'usinage.

Prévention de la dégradation (Notes STE p.154 | Notes ST p.86)

Plaquage électrochimique: Une couche de métal protecteur (généralement inoxydable) est déposée par électrolyse sur le matériau à protéger.

Exemple: L'acier galvanisé est de l'acier recouvert d'une couche de zinc.

Revêtement des surfaces: Les surfaces à protéger sont enduites de graisse, de peinture, de vernis ou d'émail.

Additifs chimiques: Certaines substances sont incorporées au matériau pour le protéger. (Pigments pour prévenir la dégradation par ultra-violets ou du noir de carbone pour les protéger de l'oxydation)

Suite à la section 11.3