Matériaux et structures

En clair. Propriétés, choix

Ce qu'on te demande au bac STI2D : maîtriser le vocabulaire de « Matériaux et structures », savoir refaire les calculs ou raisonnements du cours et les appliquer à un cas concret.

Conseil de révision. Relis d'abord l'encadré, puis fais le quiz : si tu bloques, reprends la partie correspondante du cours.

Matériaux et structures

Familles de matériaux

1. Métaux et alliages : aciers (Fe + C), inox, aluminium, cuivre, titane. Bonne conductivité, forte densité (7,8 pour l'acier, 2,7 pour l'alu), recyclables à > 90 %.
2. Polymères : thermoplastiques (PET, PEHD, PP, ABS), thermodurcissables (époxy), élastomères (caoutchoucs). Faible densité (0,9–1,4), sensibles à la température.
3. Céramiques et verres : alumine, silice, béton. Dures, fragiles, tenue en température.
4. Composites : matrice + renfort. Ex. CFRP (résine époxy + fibres de carbone), utilisé sur l'A350 (52 % de la structure) et les pales d'éoliennes.
5. Biosourcés : PLA, bois lamellé-collé, béton chanvre — enjeu clé de la RE 2020.

Propriétés mécaniques

• Module d'Young $E$ (GPa) : rigidité, pente de la loi de Hooke $\sigma = E\varepsilon$.
• Limite d'élasticité $R_e$ (MPa) : contrainte au-delà de laquelle la déformation devient permanente.
• Résistance à la traction $R_m$ (MPa) : contrainte maximale avant rupture.
• Ténacité $K_{IC}$ (MPa·√m) : résistance à la propagation d'une fissure.
• Masse volumique $\rho$ (kg/m³).

Valeurs types :

RDM : sollicitations simples

• Traction/compression : $\sigma = F/S$, allongement $\Delta L = \dfrac{FL}{ES}$.
• Cisaillement : $\tau = F/S$.
• Flexion pure : $\sigma_{\max} = \dfrac{M_f \cdot v}{I_{Gz}}$ où $I_{Gz}$ est le moment quadratique.
• Critère de dimensionnement : contrainte de calcul $\sigma \leq R_e / s$ avec coefficient de sécurité $s$ (1,5 à 3 en génie mécanique, 1,15 selon Eurocode 3 pour l'acier).

Choix multicritères : diagrammes d'Ashby

Représentent deux propriétés (ex. $E$ vs $\rho$) en log-log. Les indices de performance guident le choix : pour une poutre en flexion à masse minimale, on maximise $M = \dfrac{E^{1/2}}{\rho}$. Cela explique pourquoi les composites carbone sont préférés aux aciers en aéronautique.

Cas industriel

Le fuselage de l'A350-1000 utilise 52 % de composites CFRP, 20 % d'aluminium-lithium, 14 % de titane, 7 % d'acier. Gain de masse : 25 % vs A340, consommation carburant −25 %.

Normes

• Eurocode 3 (EN 1993) pour l'acier, Eurocode 2 (EN 1992) pour le béton armé.
• ISO 14040 / EN 15804 : ACV appliquée aux produits de construction, base INIES.
• NF EN 10025 pour les nuances d'aciers de construction.

À retenir

• 5 familles : métaux, polymères, céramiques, composites, biosourcés.
• Loi de Hooke $\sigma = E\varepsilon$ valable en domaine élastique.
• Le choix d'un matériau combine mécanique, coût, impact carbone (ACV) et fin de vie.