Caractéristiques des matériaux - Maxicours

Caractéristiques des matériaux

Objectifs
• Vérifier la capacité d'un matériau à satisfaire une propriété donnée ;
• Réaliser un essai et l'interpréter pour mettre en évidence une propriété.

On a vu en domotique que certains produits demandent une bonne résistance mécanique (à la traction, à la compression, à la flexion), une bonne conductivité électrique ou une bonne résistance thermique. Comment vérifier leurs propriétés et certaines caractéristiques de matériau avec des tests et des essais ?
1. Caractéristiques des matériaux (Rappel 6ème)
a. Conductivité (ou conductibilité) électrique
La conductivité électrique d’un matériau permet de déterminer si le matériau laisse passer ou non le courant électrique.
b. Oxydabilité
Certains matériaux se détériorent sous l’effet de l’humidité. Ces matériaux sont oxydables.
Exemple : le fer rouille sous l’effet de l’humidité avec le temps.

c. Aptitude à l'usinage ou au formage
o L’usinage
L’usinage est une technique qui consiste à enlever de la matière sur un matériau brut par un procédé de découpage et de perçage afin d’obtenir une forme.

o Le formage
Le formage est une technique qui consiste à mettre en forme un matériau brut soit par :
• un procédé de moulage : le matériau prend la forme d’un moule.
• un procédé de thermopliage : le pliage se fait sous haute température en utilisant par exemple une thermoplieuse.

2. Les différents types de déformations (Rappel 5ème)
Tous les matériaux subissent des déformations de différents types : 
 
Flexion Compression Traction Torsion


Exemples de caractéristiques de quelques matériaux :

Matériau Résistance à la flexion Résistance à la traction Résistance à la compression
Plastique Faible Très faible Très faible
Acier Très bonne Très bonne Très bonne
Bois Bonne Moyenne Bonne

3. Vérifier les caractéristiques de matériaux en domotique
Dans la fiche 4, nous avons vu que les propriétés des matériaux en domotique peuvent être définies selon des contraintes liées au fonctionnement, à l’ergonomie, à l’esthétisme, à la sécurité et au développement durable. Nous allons mettre en place quelques tests pour vérifier certaines de ces caractéristiques.
a. Les propriétés d’un matériau selon des contraintes liées au fonctionnement et à l’ergonomie
Objet technique : porte d'un four
Contrainte : ouvrir la porte du four à l’aide d’une poignée sans se brûler
Matériau : polyuréthane

Propriété à vérifier : isolation du polyuréthane
Matériel nécessaire : un dispositif de mesure thermique, une source de chaleur, un échantillon de polyuréthane

Les dispositifs de mesure thermique
Sonde thermique numérique
Étendue de mesure de -25°C à +125°C
Résolution ±0,1°C
Environ 50 euros.
Bandes à cristaux liquides thermochromes adhésif
La couleur des repères imprimés change en fonction de la température. Chaque repère imprimé a sa propre température de changement de couleur.
L’indicateur 7 niveaux 0°C à 30°C de 5° C en 5° C.
Environ 6 euros
Thermomètre numérique
Plage de mesure - 50°C à + 70°C ; Précision 0,1° , Sélection °Fahrenheit /°Celsius.
Environ 30 euros
Caméra thermique
Permet de visualiser les différences de température
Prix excessif

Les sources de chaleur
Bec électrique
Le bec électrique est un appareil peut être utilisé en cours de physique et chimie pour produire de la chaleur grâce à une résistance chauffante.
Remarque : À manipuler en compagnie d’un adulte.
Feu (briquet, allumettes...)
Remarque : Dangereux, risque d'incendie


Essai : tester l'isolation du polyuréthane
• On chauffe une face du matériau sur laquelle on fixe un thermomètre ou une sonde thermique.
• Avant tout chauffage, on mesure la température T1 (le plus proche de la source de chaleur.)
• Sur l’autre face, on fixe un thermomètre, et on mesure la température T2, toujours avant tout chauffage.
• On chauffe le matériau sur une face, et on attend l’évolution de la température aux points T1 et T2.
• Si la température T2 est beaucoup plus élevée que la température T1, c'est que le polyuréthane n'isole pas la chaleur.
• On peut observer l’évolution grâce à une caméra thermique.



b. Les propriétés d’un matériau selon des contraintes liées au fonctionnement et à la sécurité
Objet technique : câbles électriques

 
Contrainte : – Conduire l’électricité grâce à un câble métallique
                     – Toucher la prise en protégeant l’utilisateur d’une électrocution
Matériau :
– conducteur : cuivre ;
– isolant
: P.V.C., polyéthylène, caoutchouc, silicone,...
Propriétés à vérifier : isolation électrique ou conductivité électrique (selon le matériel testé)
Matériel nécessaire : un dispositif de mesure électrique, des câbles des piles, une ampoule, plusieurs échantillons plastiques et du cuivre.

Essai : tester la conductivité électrique du cuivre et du P.V.C
On peut utiliser un multimètre pour tester la conductivité électrique, si le matériel n’est pas disponible. Une pile, une ampoule, des câbles et des pinces crocodiles* permettent aussi bien de tester la conductivité électrique d’un matériau.
 
Pinces crocodile  

Si l’ampoule s’allume, l’échantillon testé permet de conduire l’électricité, c'est le cas du cuivre.

Si l'ampoule ne s'allume pas et que ce n'est pas un défaut de l'ampoule ni de la pile, l'échantillon testé est un isolant électrique. Il n'est pas conducteur d'électricité. C'est le cas du P.V.C.

c. Conclusion
Il existe plusieurs méthodes pour vérifier les caractéristiques des matériaux. Il faut prendre en compte la contrainte, la propriété à vérifier, définir le matériel nécessaire et disponible en classe afin de mettre en place un essai. On aurait pu réaliser d’autres essais simples pour interpréter quelques caractéristiques.

Exemple :
Caractéristiques à vérifier Matériel nécessaire Exemples
Aptitude au façonnage Des machines de découpe et d’enlèvement de matière Perceuse, ciseaux, cutter, …
Aptitude au thermoformage Une source de chaleur Thermoplieuse
Peu de résistance à la compression ou à la flexion Un outil de mesure de dimension
Des outils qui simulent une force
Règle, réglet
Charges de différentes masses


L'essentiel
  • Caractéristiques des matériaux : conductivité électrique, oxydabilité, aptitude à l'usinage et au formage, etc.
  • Types de déformations : flexion, compression, traction, torsion
  • Il existe plusieurs méthodes afin de tester les caractéristiques d'un matériau. Il faut prendre en compte la contrainte, la propriété à vérifier, définir le matériel nécessaire et disponible en classe afin de mettre et mettre en place un essai.

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