Caractéristiques des matériaux - Technologie collège de l`académie

Analyse et conception
Matériaux
Structuration
de
connaissances
Référence socle
commun
Énergie
Évolution
Caractéristiques des matériaux
CGI
Réalisation
Technologie
Niveau 6
La matière : principales caractéristiques, états et transformations : propriétés physiques et chimiques de la
matière et des matériaux ; comportement électrique, interactions avec la lumière.
1 - CARACTERISTIQUES PHYSIQUES DES MATERIAUX :
Pour fabriquer un objet technique, on utilise un ou plusieurs matériaux. En fonction de l'usage et du coût de chaque
pièce de l’objet technique, on choisira les matériaux. On a donc besoin de connaître les propriétés des matériaux.
Caractéristiques
Essais possibles
Photos
Matériaux
Masse volumique
Quantité de matière
par unité de volume
(kg/m3)
Du plus léger au plus lourd : (exemple)
1- PVC = 900 kg/m3
2- Alliage d'aluminium = 2400 kg/m3
3- Acier= 7800 kg/m3
Rigidité
Capacité d'un matériau
à ne pas se déformer
sous l'action d'un
effort extérieur.
Du plus souple au plus rigide : (exemple)
1- Caoutchouc
2- Aluminium
3- Acier
4- Verre
Résistance aux
chocs
On regarde l’état du
matériau après un
choc : moins il est
abîmé plus il est
résistant.
Du moins résistant au plus résistant :
1- Verre
2- Aluminium
3- Acier
4- Caoutchouc
Aptitude au formage
On déforme à chaud ou à
froid par choc ou par
pression, sans
enlèvement de matière :
plus il va prendre la
forme désirée plus il est
apte au formage
Conductibilité
électrique
On teste le matériau avec
un multimètre : s’il laisse
passer le courant il est
conducteur
Du moins conducteur au plus conducteur :
1- Plastiques
2- Bois
3- Acier
4- Aluminium
5- Cuivre
Résistance à la
corrosion
On expose le matériau à
un milieu extérieur (à l’eau,
l’air, produits chimiques)
pendant un certain temps :
plus son aspect visuel est
modifié moins il est
résistant au vieillissement.
Du moins résistant au plus résistant :
1- Acier (sauf Inox)
2- Cuivre
3- Aluminium
4- Plastiques
5- Verre
2. CARACTERISTIQUES ECONOMIQUES DES MATERIAUX
Caractéristiques Définitions
Définition
Coût
Somme des dépenses à engager pour se procurer le
matériau et le transformer.
Valorisation
Aptitude au recyclage
Par exemple, on choisira de l’aluminium, pour le cadre d’un vélo, dans le cas où l’on souhaite un gain de poids car ce
métal est très léger et recyclable. En revanche, il est plus cher que l’acier.
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Énergie
Évolution
Propriétés des matériaux
CGI
Réalisation
Technologie
Niveau 5 - 4
La matière : principales caractéristiques, états et transformations : propriétés physiques et chimiques de la
matière et des matériaux ; comportement électrique, interactions avec la lumière.
Les matériaux utilisés dans la construction d'ouvrages (ponts, viaduc, barrage,...) ou dans la construction
d'habitats ( maison, immeuble, collège, …) ont tous des propriétés qui les caractérisent et qui permettront de les
différencier.
Parmi ses propriétés, les plus courantes sont les suivantes :
Propriétés physiques
Propriétés mécaniques
Propriétés thermiques
Propriétés acoustiques
Propriétés électriques.
Pour vérifier les propriétés des matériaux, des essais sont mis en place pour vérifier les propriétés et utiliser au
mieux les matériaux.
Exemple d'essais pour vérifier les propriétés des matériaux :
Propriétés
Essai possible mis en oeuvre
Acoustique
On va pouvoir vérifier ici l'aptitude d'un matériau à absorber le son.
Boite et échantillons
Utilisation d'une boite contenant un buzzer.
Séparation avec le matériau à tester de la boite en 2
pièces. Mesure du son dans la pièce vide à l'aide d '
un Sonomètre.
Physique
On va contrôler ( toucher, visuel) l'aspect des matériaux :
- Rugosité
- couleur
- Solide ou liquide
Mécanique
Essai de traction :
On teste ici l'aptitude du matériau à résister à des
forces dirigées vers l'extérieur et tendant à l'étirer.
Essai de flexion :
On teste ici la capacité du matériau à résister à une force
perpendiculaire à sa longueur.
Essai de compression :
On teste la capacité du matériau à résister à des poussées
de chaque coté
Thermique
On va mesurer l'aptitude d'un matériau à
conduire la chaleur ou à isoler de la chaleur ou
du froid.
Électrique
On va vérifier l'aptitude du matériaux à conduire
l'électricité.
Les essais permettent donc de vérifier les propriétés des matériaux. Ils permettent également d'établir
un classement entre eux.
On peut également augmenter les propriétés mécaniques de certains matériaux en les associant . C'est ce
qu'on appelle les matériaux composites.
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Méthodologie de choix d'un
matériau
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commun
Energie
Niveau 3
La matière : principales caractéristiques, états et transformations : propriétés physiques et chimiques de la
matière et des matériaux ; comportement électrique, interactions avec la lumière.
Le choix d'un matériau pour la réalisation d'un objet technique dépend :
- des formes à réaliser
- du procédé de réalisation disponible
- du mode de production qui sera choisi
- des propriétés intrinsèques des matériaux disponibles
- du coût des matériaux.
Le choix du matériau dépend également du cahier des charges. Le matériau va en effet contribuer à la réalisation
des solutions techniques qui assurent les fonctions principales et contraintes de l'objet.
Il va donc falloir classer les matériaux disponibles en fonction des contraintes du CDCF. C'est ce qu'on appelle la
hiérarchisation des propriétés.
Prenons par exemple le CDCF (simplifié) d'un transat de piscine :
Utilisateur
Se détendre, se faire bronzer
….....
Fp1
Transat de piscine
Fc1
Fc2
Fc3
Fc4
Transport facile
Prix matière
première
résister au soleil
(décoloration)
résister aux
intempéries
La hiérarchisation des propriétés des matériaux va donc consister à classer les différents matériaux par rapport
aux caractéristiques attendues dans le CDCF.
Dans notre exemple, les contraintes du CDCF sont :
Contraintes du CDCF
Propriétés recherchées
Facile à transporter
Matériau ayant une masse volumique faible
Prix
Prix abordable et notion de rapport qualité/prix
Résister aux ultraviolets
Bonne résistance à la décoloration des ultraviolets
Résister aux intempéries
Bonne résistance aux intempéries.
Parmi les différents choix possibles, nous avons :
Transat en teck
Transat en plastique
Transat en résine polyester
Le choix du matériau va donc se faire en les classant les uns par rapport aux autres en fonction des contraintes
de l'énoncé. Pour les classer, des essais pourront éventuellement être mis en oeuvre.
Prix matière première Choix
Matériau
Masse volumique
Résistance ultraviolets
Résistance intempéries
TECK
1 (0,6 g/cm3 )
3
2
2
3
Plastique
3 (1,36 g/cm )
2
3
1
Résine polyester
2 (1,31 g/cm )
1
1
3
3