CHAPITRE 1 : GÉNÉRALITES SUR LES MATÉRIAUX · CHAPITRE 1 : GÉNÉRALITES SUR LES MATÉRIAUX 1.1- INTRODUCTION : Les matériaux ont toujours joué un rôle central dans le développement

Génie des Matériaux Chapitre 1: Généralités sur les Matériaux

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CHAPITRE 1 : GÉNÉRALITES SUR LES MATÉRIAUX

1.1- INTRODUCTION :

Les matériaux ont toujours joué un rôle central dans le développement des différentes

civilisations. Les premiers pas de l’humanité ont été marqués par l’âge de la pierre, du

cuivre, du bronze et du fer. Ces différentes périodes archéologiques sont ainsi désignées

par rapport au matériau principal utilisé dans la fabrication d’outils, d’armes et autres

ustensiles.

Exemple: Premiers outils en pierre, bois et métaux (cuivre, bronze) utilisés au cours de la

civilisation égyptienne ancienne dans la construction des pyramides (figure 1.1) :

Figure 1.1 : Outils en pierres, bois et métaux de l’Egypte ancienne :

(a) pyramide égyptienne (c) Pointeau en silex et scie en cuivre

(b) Pilon en Dolérite (d) Autres outils métalliques (cuivre et bronze)

(e) Instruments de construction en bois et ‘’fil à plomb’’ en pierre.

Aujourd’hui une grande diversité de matériaux (alliages métalliques, plastiques,

matériaux composites, céramiques, matériaux avancés…) contribue à nos besoins

sociaux (habitat, transport, habillement, communication, loisirs,…). (figure 1.2)


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Figure 1.2 : Exemples d'utilisation des matériaux dans la vie sociale.

Les matériaux sont à la base de toutes les mutations technologiques que nous

connaissons. En effet, tous les équipements modernes (machines, véhicules, avions,

équipements électroniques, ordinateurs …) ne seraient pas possibles sans la maîtrise et le

développement de matériaux nouveaux. (figure 1.3)

Figure 1.3 : Exemples d'évolutions apportées par de nouveaux matériaux.

Ce développement s’est accéléré durant les XXème et XXIème siècles grâce aux

connaissances scientifiques acquises sur la nature des liens unissant les éléments

structuraux des matériaux et leurs propriétés. Ces connaissances sont le fruit d’un passé

chargé de découvertes, particulièrement en métallurgie et en sciences fondamentales

(physique et chimie). (figure 1.4)


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Figure 1.4 : Evolution rapide des technologies de téléviseurs et des ordinateurs grâce à

de nouveaux matériaux.

Le choix ou l’élaboration d’un matériau pour une application donnée dépend non

seulement de sa fonctionnalité (ayant les caractéristiques appropriées pour une fonction

donnée) mais aussi de:

• coût de fabrication

• effets sur l’environnement,

• disponibilité des matières premières

• possibilité de recyclage.

1.2- DÉFINITIONS (Science et Génie des Matériaux) :

• Matériau : Un matériau est une substance ou matière d’origine naturelle ou artificielle

utilisée par l’homme pour la fabrication d’objets.

• Etats de la matière : La matière peut se présenter selon la forme solide, liquide ou

gazeuse. Pour le même matériau, le passage d’un état à un autre s’effectue sous l’effet

de la température ou de la pression ou les deux combinés. L’organisation spatiale des

atomes diffère d’un état à un autre.

• Science des matériaux : Elle permet d’étudier et de comprendre les relations entre les

propriétés et les structures des matériaux. La compréhension des comportements

macroscopiques des matériaux est gouvernée par la compréhension des mécanismes

et des phénomènes microstructuraux à différentes échelles.

Génie des Matériaux

• Génie des matériaux : étude des différentes techniques et procédés qui permettent de

concevoir et de fabriquer des matériaux avec des propriétés bien définies selon les

applications et les besoins

En résumé, la discipline «

éléments constitutifs dont la relation est linéaire:

• Procédés: Méthodes de synthèse, de fabrication ou de mise en forme du matériau

• Structure : La structure d’un matériau concerne l’arrangement de ses

différentes échelles

• Propriétés : Réactions du matériau vis

• Fonctions: Utilisations auxquelles est destiné le matériau

Remarque : La science et génie des matériaux

couvre l’ensemble des matériaux. Elle unifie plusieurs autres anciennes disciplines sur les

matériaux telles que la métallurgie, la physique du solide, la chimie inorganique et

physique, la science des polymères, la

minéralogie.

Exemple sur la relation entre les 4 éléments constitutifs:

Figure 1.5 : Transmission de la lumière propre à 3 types d’alumin

Cette photographie montre la différence dans

propre à 3 types d’oxydes d’aluminium (alumine)

• A gauche : un cristal simple transparent,

• Au centre : un polycristal très dense (non poreux) translucide,

• A droite : un polycristal opaque dont la porosité est

Génie des Matériaux Chapitre 1: Généralités

étude des différentes techniques et procédés qui permettent de


les besoins.

En résumé, la discipline «science et génie des matériaux

éléments constitutifs dont la relation est linéaire:

Méthodes de synthèse, de fabrication ou de mise en forme du matériau

La structure d’un matériau concerne l’arrangement de ses

Réactions du matériau vis-à-vis d’agents extérieurs

Utilisations auxquelles est destiné le matériau

science et génie des matériaux est une discipline récente globale qui



physique, la science des polymères, la technologie des céramiques et des verres et la

Exemple sur la relation entre les 4 éléments constitutifs: (figure 1.5)

ransmission de la lumière propre à 3 types d’alumin

Cette photographie montre la différence dans la capacité de transmission de la lumière

propre à 3 types d’oxydes d’aluminium (alumine) :

un cristal simple transparent,

un polycristal très dense (non poreux) translucide,

un polycristal opaque dont la porosité est d’environ 5 %

Généralités sur les Matériaux

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étude des différentes techniques et procédés qui permettent de


et génie des matériaux» repose sur quatre

Méthodes de synthèse, de fabrication ou de mise en forme du matériau

La structure d’un matériau concerne l’arrangement de ses composants à

vis d’agents extérieurs

est une discipline récente globale qui



technologie des céramiques et des verres et la

(figure 1.5)

ransmission de la lumière propre à 3 types d’alumine.

la capacité de transmission de la lumière

un polycristal très dense (non poreux) translucide,

d’environ 5 %


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1.3- HISTORIQUE :

Age de pierres : L’homme préhistorique (jusqu’à -10000 ans) vivait de la nature

(chasse, pêche, cueillettes,…). Les matériaux utilisés sont principalement les pierres et

autres roches tel que le silex mais aussi le bois, les os et peaux d’animaux, les coquilles

et autres tiges végétales. Ils servaient comme outils, armes et autres ustensiles. (figure

1.6)

Figure 1.6 : Outils, armes et ustensiles (Age de pierres).

Vers le huitième millénaire avant notre ère (- 8000 ans), l'homme découvrit que

l'argile durcissait au feu. (figure 1.7) Cette première transformation volontaire d'un

matériau naturel inorganique en un matériau aux propriétés nouvelles, marquait le début

de la technologie des matériaux. Depuis cette époque jusqu’au 19iéme siècle, les

principaux matériaux utilisés par l’homme sont essentiellement des métaux.

Figure 1.7 : Exemples (a) d’objets anciens en céramique

et (b) d’ancien four de potiers.

L’Age du cuivre : La découverte du cuivre pur à l’état naturel date de -7000 ans.

Le début de l’extraction du cuivre (vers -5000 ans) à partir principalement de minerais de

Malachite (Turquie et péninsule du Sinaï), a permis la fabrication des premiers outils

métalliques, (figure 1.8) d’armes et autres objets d’ornement par martelage et plus tard (-

2000 ans) par fusion grâce aux premiers fours de poterie.


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Figure 1.8 : Age de cuivre :

(a) Cuivre pur à l’état naturel (b) Hache en cuivre obtenue par martelage.

Avantages du cuivre par rapport aux matériaux en pierre et organiques provenant

du monde végétal et animal de l’époque :

- Malléabilité et plasticité : On peut le déformer sous différentes formes utiles

- Renforcement de sa dureté par martelage

- Réparation d’outils usés possible

- Peut être fondu et moulé sous des formes complexes

Parmi ses Inconvénients, on peut citer : le cuivre moulé (obtenu par fusion) contient des

porosités. Il reste mou (pas très résistant) pour être utilisé comme outils.

L’Age de bronze (-3000 ans jusqu’à -1400 ans) : Le bronze est un alliage obtenu

par fusion d’un mélange de cuivre avec du minerai d’étain en Mésopotamie.

Etant plus résistant et plus lourd que le cuivre, il est devenu durant cette époque le

matériau de choix particulièrement pour la fabrication d’armes (épées, boucliers,

casques,…), d’outils et d’objets d’ornement (sculptures). (figure 1.9)

Durant cette période (l’Age de bronze), on commençait à s’intéresser au travail de mine,

au traitement et commerce des métaux.

Figure 1.9 : Armes, outils et d’objets d’ornement de l’Age de bronze.


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L’Age du fer (-1500 jusqu’à 1620) : Le fer de minerais, contrairement au fer

météorique, est très abondant (plus que le cuivre) mais sa température de fusion est très

élevée (1538°C). L’utilisation des premiers bas fourneaux a permis son extraction du

minerai et son utilisation pour la fabrication de divers outils et armes. (figure 1.10) A l’état

pur, le fer est moins dur que le bronze. Il est aussi sensible à la corrosion par l’humidité.

Durant l’empire hittite (-1400 ans, Turquie), les forgerons l’ont rendu plus résistant et

plus dur que le bronze par des techniques spéciales de forgeage et de trempe. C’est un

fer proche de l’acier moderne.

Figure 1.10 : Divers outils et armes de l'Age de Fer.

Avantages du fer par rapport au bronze :

- Disponibilité du fer par rapport au cuivre et l’étain

- Possibilité de production en série par moulage d’outils en fer renforcé (fonte) avec

l’utilisation de meilleurs fourneaux.

- Le coût réduit de la production et la disponibilité du fer a permis le développement

de l’agriculture.

- Début de la métallurgie (techniques d’extraction, d’élaboration, de formage et de

traitement des métaux et leurs alliages)

- Début de l’ère industrielle (fonte et l’acier).

Durant le XXème siècle, d’autres alliages spéciaux (ferreux et non ferreux) ainsi que des

matériaux non métalliques (plastiques, céramiques industrielles et techniques et matériaux

composites) ont connu un développement croissant pour répondre aux besoins du monde

moderne (transport, aéronautique, électronique, ...).

L’émergence de nouvelles technologies (nanotechnologies, biotechnologie, celles des

télécommunications et de l’énergie durable) ces dernières décennies a stimulé la

recherche et le développement de nouveaux matériaux dits « matériaux avancés » (semi-

conducteurs, nanomatériaux, biomatériaux, matériaux intelligents et autres matériaux

fonctionnels).


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1.4- STRUCTURES DES MATÉRIAUX :

La structure d’un matériau est la manière avec laquelle sont organisés et ordonnés les

éléments constitutifs du matériau à différentes échelles : (figure 1.11)

• Structure subatomique : Electrons présents dans chaque atome et leur interaction

avec le noyau (configuration électronique des atomes).

• Structure atomique : Disposition spatiale des atomes et molécules les uns par

rapport aux autres (liaisons chimiques, structure cristalline ou amorphe).

• Structure microscopique : Grands groupes d’atomes formant des agglomérats

observables au microscope (grains, phases, défauts,…)

• Macrostructure : Structure visible à l’œil nu.

Figure 1.11 : Différents niveaux de structures.

1.4.1- Rappels sur les caractéristiques générales de l’atome :

La figure 1.12 donne une représentation schématique des différents constituants d'un

atome.

Figure 1.12 : Représentation de l’atome et de ses constituants.


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Tableau 1.1 : Masses et charges des particules subatomiques.

1.4.2- Rappels sur le tableau périodique des éléments :

Tous les éléments chimiques sont classés dans le tableau périodique (tableau 1.2)

selon leurs configurations électroniques. Ils y apparaissent par ordre croissant du numéro

atomique Z (nombre de protons) dans 7 rangées appelées périodes. La disposition est

telle que les éléments répertoriés dans la même colonne (Groupe) ont de structures

électroniques de valence semblable (le même nombre d’électrons sur la couche externe).

Par conséquent, ils ont des propriétés physiques et chimiques semblables. On distingue

principalement les éléments métalliques, les éléments non métalliques et les éléments

intermédiaires (métalloïdes).

Dans le groupe (VIIIA) se trouvent les gaz rares (ou nobles) caractérisés par des

configurations électroniques stables (couche de valence complète). Les éléments des

groupes VIIA et VIA ont un déficit de 1 et 2 électrons respectivement pour atteindre une

configuration stable. Les métaux alcalins (IA) et les métaux alcalinoterreux (IIA) ont plutôt

un excès d’un et de deux électrons par rapport à la configuration stable. Les éléments


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appartenant aux groupes IIIA, IVA et VA ont des caractéristiques se situant entre celles

des métaux et celles des non métaux. Les éléments des 3 longues périodes (IIIB IIB)

sont appelés métaux de transition.

1.4-3- Liaisons atomiques :

Dans les solides, on rencontre des liaisons de forte intensité (liaison ionique, covalente

ou métallique) et des liaisons de faible intensité (liaisons de Van der Waals).

Toutes les liaisons ont une origine commune : l’attraction électrostatique entre les

charges positives du noyau atomique et les charges négatives des électrons.

La nature de la liaison dépend des structures électroniques des atomes constituants.

A travers ces liaisons, les atomes tendent à adopter des structures électroniques

stables comme celles des gaz rares en complétant totalement les couches externes.

A- Liaison ionique : Elle se manifeste toujours dans les composés constitués

d’éléments métalliques (groupes IA et IIA du tableau périodique) et d’éléments non

métalliques (groupes VIA et VIIA). Les atomes des éléments métalliques abandonnent

facilement leurs électrons de valence aux atomes non métalliques. (figure 1.13) Les

différents atomes adoptent une configuration stable en devenant des ions.

Figure 1.13 : Exemple de liaison ionique (NaCl).

Dans les matériaux céramiques (Al2O3, MgO, CaO,…), la liaison prédominante est du

type ionique.

Les énergies de liaisons ioniques sont relativement élevées (800 – 1500KJ/mole) ou (3

– 8 eV/atome). Ceci explique les hautes températures de fusion de ces matériaux.

Les matériaux ioniques sont durs et fragiles avec des propriétés d’isolant thermique et

électrique, conséquences directes des configurations électroniques et de la nature de la

liaison ionique.

Les forces électrostatiques importantes entre les ions sont responsables de la grande

dureté et rigidité des matériaux céramiques. Ces derniers ne se déforment pas mais


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cassent lorsqu’une charge suffisante est appliquée. Une fois ce seuil atteint, les ions de

charges identiques se trouvent face à face induisant ainsi des forces de répulsion. Celles-

ci provoquent une rupture brutale comme le montre le schéma ci dessous. (figure 1.14)

Figure 1.14 : Schéma descriptif de la rupture des matériaux céramiques.

B- Liaison covalente : Dans la liaison covalente, les configurations électroniques

stables sont obtenues par le partage d’électrons entre atomes adjacents. (figure 1.15)

Figure 1.15 : Exemples de liaisons covalentes (H2, CH4).

Autres exemples de liaison covalente :

• Molécules élémentaires non métalliques (H2, Cl2, F2,..)

• Molécules avec des atomes dissemblables (CH4, H2O, HNO3, HF,…).

• Solides élémentaires: Diamant, Silicium, germanium

On retrouve souvent la liaison covalente dans les polymères dont la structure

moléculaire de base est une chaine d’atomes de carbone liés par covalence entre eux et

avec d’autres atomes.

Les liaisons covalentes peuvent être très fortes comme pour le cas du diamant qui

fond à 3550°C ou faibles comme pour le cas du bismuth avec une température de fusion

de 270°C.


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Remarque: les liaisons interatomiques ne sont pas toujours exclusivement ioniques ou

covalentes. Elles peuvent être partiellement ioniques et partiellement covalentes (liaisons

iono-covalentes).

C- Liaison métallique : La liaison métallique se rencontre dans les métaux et leurs

alliages. Les électrons de valence de ces matériaux (1, 2 ou 3) ne sont liés à aucun atome

particulier. Ils circulent librement à travers tout le métal. Ils forment ce qu’on appelle une

‘’mer’’ d’électrons de valence appartenant à tous les atomes. (figure 1.16) Les noyaux des

atomes forment avec le reste des électrons (les électrons fixes des sous couches), ce

qu’on appelle ‘’noyaux ioniques’’ possédant une charge positive correspondant à celles

des électrons de valence en circulation. Ces derniers jouent le rôle d’adhésif qui colle les

noyaux entre eux.

Figure 1.16 : Schématisation des liaisons métalliques.

Les énergies de liaison peuvent être faibles (68 KJ/mole pour le mercure) ou fortes (849

KJ/mol pour le tungstène). La liaison métallique s’applique sur tous les métaux

élémentaires.

Les métaux sont de bons conducteurs d’électricité et de chaleur grâce à leurs électrons

libres contrairement aux céramiques et polymères. Leur ductilité à température ambiante

est aussi liée implicitement aux caractéristiques de la liaison métallique. (figure 1.17)

Figure 1.17 : Schéma descriptif de la déformation ductile des métaux.


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D- Liaisons de Van der Waals : Les liaisons de Van der Waals proviennent de

l’attraction électrostatique de dipôles atomiques ou moléculaires. (figure 1.18) Elles sont

de faible intensité pouvant rompre facilement par une augmentation de température. Le

point de fusion de solides à liaison de Van der Waals est relativement bas.

On est en présence d’un dipôle chaque fois qu’il y a séparation de parties positives et

négatives d’un atome ou molécule. (figure 1.18) La polarisation peut être permanente ou

induite.

Figure 1.18 : Liaison de Van der Waals.

Les molécules à liaisons covalentes telles que le (HCl) et la molécule d’eau (H2O) sont

des dipôles permanents. Ces molécules sont caractérisées par un déséquilibre des

charges positives et négatives.

Des dipôles induits sur des atomes neutres tels que le néon ou des molécules neutres

telles que le méthane (CH4) se créent sur des courtes durées entre atomes ou molécules

voisines. (figure 1.19)

Figure 1.19 : (a) Atome symétrique et (b) Atome avec dipôle induit

A des températures suffisamment basses, il s’établit, dans les cas de dipôles induits,

des forces de liaison entre les atomes ou entre les molécules appelées ‘’forces de

London’’. On peut réaliser la liquéfaction et parfois la solidification des gaz rares et

d’autres molécules symétriquement neutres grâce à ce type de liaison.

Cas particulier de liaison d'hydrogène :

Les liaisons entre molécules voisines polarisées de façon permanente comme celles

de l’eau H2O ou NH3, qui mettent en jeu un atome d’hydrogène sont appelées liaisons

d’hydrogène. C’est un type particulier de liaisons Van der Waals qui interviennent entre


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l’hydrogène et un élément très électronégatif comme (H-O, H-N et H-F). Ces liaisons sont

les plus fortes parmi les liaisons Van der Waals. (figure 1.20)

Le tableau 1.3 suivant résume les énergies de liaisons et températures de fusion de

certaines substances.

1.4.4- Structure cristalline et structure amorphe:

On distingue principalement les matériaux cristallins à structure ordonnée et les

matériaux amorphes (ou vitreux) à structure désordonnée. (figure 1.21)

• Les matériaux cristallins (métaux, céramiques et certains polymères) sont

caractérisés par la répétition périodique et ordonnée de mailles élémentaires (atomes

arrangés périodiquement dans l’espace suivant les trois directions dans un ordre

bien défini).

• Les matériaux amorphes n’ont pas de structure interne ordonnée (verres et

polymères). Ils possèdent un réseau tridimensionnel comme les matériaux cristallins

mais sans ordre à grande distance. Seul l’ordre à courte distance est conservé.


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Figure 1.21 : Schémas bidimensionnel et tridimensionnel

des structures cristalline et amorphe.

- La majorité des matériaux (particulièrement les métaux) adoptent une structure

polycristalline. Au cours du refroidissement à partir d’un processus de fusion, plusieurs

cristaux prennent naissance et croissent formant un matériau polycristallin. (figure 1.22)

Figure 1.22 : Croissance d'un matériau polycristallin.

(a) germination de cristaux. (c) formation de grains irréguliers au cours de la croissance.

(b) croissance de cristaux. (d) grains et joints de grains tels que observés au microscope.

- les matériaux amorphes ne sont pas caractérisés par un changement brusque de

phase liquide - solide au cours du refroidissement. On assimile parfois les substances

amorphes à des "liquides figés" car leur structure désordonnée est similaire à celle des

liquides.

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