Aide-mémoire: Science des Matériaux

Ce document présente les notions fondamentales de la science des matériaux, destinées aux étudiants de l’enseignement supérieur et aux professionnels souhaitant disposer d’un outil de référence synthétique. Il couvre la définition des matériaux, leurs propriétés, leur composition chimique, ainsi que la classification des matériaux selon leurs liaisons chimiques et leurs caractéristiques d’usage.

Généralités : qu’est-ce qu’un matériau ?

Un matériau est une matière choisie pour ses propriétés spécifiques et mise en œuvre par des techniques adaptées afin d’obtenir un objet fini de géométrie et de fonction prédéfinies. La notion de matériau est donc liée à l’usage final et au procédé de fabrication.

De façon symbolique :

Un matériau est une matière dont on fait un matériel.

De façon plus précise :

Un matériau est la forme marchande d’une matière première choisie en raison de propriétés d’usage spécifiques et mise en œuvre par des techniques appropriées pour l’obtention d’un objet de géométrie donnée à fonction préméditée.

Propriétés des matériaux

Les propriétés d’usage des matériaux dépendent principalement de :

• leur composition chimique (nature des espèces atomiques qui les constituent) ;
• leur microstructure (organisation des atomes constitutifs).

L’état physique de la matière (solide, liquide, gazeux) varie avec la température, influençant la microstructure et la viscosité, c’est-à-dire la résistance à l’écoulement :

• À haute température, la matière est gazeuse : atomes éloignés, désordonnés, très fluide et compressible, viscosité ~ 10⁻⁵ Pa·s.
• À température plus basse, la matière devient liquide : atomes proches mais désordonnés, fluide et peu compressible, viscosité ~ 10⁻³ à 10⁻⁴ Pa·s.
• À température encore plus basse, la matière devient solide cristallin : atomes ordonnés et proches, très peu fluide et peu compressible, viscosité ~ 10¹⁷ Pa·s.
• Si la température baisse rapidement, la matière peut se figer en solide amorphe ou vitreux, où les atomes restent désordonnés à courte distance. La viscosité varie continûment entre celle d’un liquide et celle d’un solide, avec une limite liquide/solide vers 10¹⁵ Pa·s.

La pression influe également sur les changements d’état, en stabilisant les états condensés (solide, liquide) et en élevant les températures de transition.

En service, les matériaux solides subissent diverses sollicitations : mécaniques, chimiques, thermiques, ainsi que des interactions avec des particules ou rayonnements électromagnétiques.

Composition chimique des matériaux

Classification des éléments chimiques

Un atome est constitué d’un noyau (protons et neutrons) entouré d’électrons. Le nombre de protons définit le numéro atomique Z, tandis que la masse atomique A correspond à la somme des protons et neutrons.

Exemple : atome de lithium

• 3 protons (Z = 3)
• 4 neutrons
• 3 électrons

Les électrons occupent des couches électroniques successives, avec un nombre limité d’électrons par couche (2 pour la première, 8 pour les suivantes en position externe). Ces couches déterminent les propriétés chimiques de l’élément, notamment via les électrons de valence (couche externe).

Les éléments sont classés dans le tableau périodique selon leur numéro atomique et la configuration électronique, en périodes (lignes) et groupes (colonnes). Les propriétés chimiques sont liées au groupe auquel appartient l’élément.

Isotopes : éléments ayant le même numéro atomique mais des masses différentes dues à un nombre variable de neutrons. Certains éléments naturels sont des mélanges d’isotopes.

Propriétés des groupes :

• Les gaz rares (groupe VIII) ont une couche externe complète, conférant une grande stabilité chimique.
• Les métaux alcalins (groupe I A) ont un seul électron externe qu’ils tendent à perdre pour former des cations.
• Les halogènes (groupe VII A) ont sept électrons externes et tendent à capter un électron pour former des anions.
• Les semi-conducteurs se situent entre métaux et non-métaux, avec des propriétés intermédiaires.

Structures de bandes électroniques

La structure électronique collective des atomes dans un solide forme des bandes d’énergie :

• Dans les métaux, la bande de conduction comporte des états disponibles, permettant la conduction électrique.
• Dans les non-métaux, la bande interdite (gap) est large, empêchant la conduction.
• Dans les semi-conducteurs, la bande interdite est étroite, permettant une conduction modulable.

Liaisons chimiques

Liaisons fortes

• Liaison covalente : mise en commun de deux électrons entre deux atomes de non-métaux pour compléter leurs couches externes.
  Exemple : molécule de dichlore Cl2.
• Liaison ionique : transfert d’un électron d’un métal vers un non-métal, formant des ions chargés électriquement (cation et anion).
  Exemple : chlorure de sodium NaCl (Na+ et Cl–).
• Liaison métallique : mise en commun d’électrons délocalisés autour d’un réseau d’ions positifs, assurant cohésion et conductivité électrique.
  Exemple : cristal de sodium Na.

Liaisons faibles ou secondaires

Ce sont des attractions électrostatiques entre charges partielles ou induites, plus faibles que les liaisons fortes et agissant à plus longue distance.

• Liaisons de Van der Waals entre macromolécules dans les polymères.
• Liaisons hydrogène entre molécules d’eau dans la glace.

Classification des matériaux et de leurs propriétés

Grandes classes de matériaux

• Matériaux métalliques : métaux purs et alliages, caractérisés par des liaisons métalliques.
• Matériaux organiques : matériaux d’origine biologique, polymères et élastomères, avec liaisons covalentes et faibles.
• Matériaux minéraux : roches, oxydes, verres, céramiques, avec liaisons ioniques et/ou covalentes.
• Matériaux composites : association structurée de matériaux différents, souvent issus des trois classes précédentes.

Propriétés d’usage

Les propriétés des matériaux peuvent être classées selon leur nature :

• Propriétés intrinsèques liées à la composition chimique et aux liaisons : masse volumique, stabilité mécanique et thermique, température de fusion, conductivité électrique et thermique, propriétés magnétiques, etc.
• Propriétés sensibles à la microstructure : rigidité plastique, dureté, ductilité, ténacité, etc.

Exemple de propriétés des matériaux métalliques

Propriété	Valeur typique
Masse volumique	Très élevée
Dilatation thermique	Élevée
Rigidité élastique	Moyenne
Température de fusion	Très élevée
Conductivité électrique et thermique	Très élevée
Rigidité plastique, dureté	Variable
Ductilité	Élevée
Ténacité (résistance à la propagation des fissures)	Élevée

Classification non exhaustive des propriétés d’usage

Type de propriété	Caractère	Exemples
Propriétés objectives (intrinsèques)	Volume (V), Propre (P)	Constantes d’élasticité, dureté, contraintes limites
Propriétés attribuées (dépendantes du contexte)	Disponibilité, Coût	Ressources, fournisseurs, niveaux de qualité, coût matière
Propriétés mécaniques dynamiques	V, P ou Interactives (I)	Viscosité, fluage, fatigue, ténacité, amortissement

Glossaire des termes clés

• Matériau : matière choisie pour ses propriétés et mise en forme pour un usage spécifique.
• Microstructure : organisation des atomes dans un matériau.
• Liaison covalente : partage d’électrons entre deux atomes non métalliques.
• Liaison ionique : transfert d’électrons entre un métal et un non-métal, formant des ions.
• Liaison métallique : électrons délocalisés assurant cohésion et conductivité dans les métaux.
• Liaisons faibles : attractions électrostatiques entre molécules ou parties de molécules (Van der Waals, hydrogène).
• Isotopes : variantes d’un élément avec même numéro atomique mais masse différente.
• Viscosité : résistance d’un fluide à l’écoulement, exprimée en Pa·s.
• Bande interdite : intervalle d’énergie sans états électroniques dans un solide, déterminant ses propriétés électriques.
• Ductilité : capacité d’un matériau à se déformer plastiquement sans rupture.
• Ténacité : résistance à la propagation des fissures.

Points clés à retenir

• Un matériau est défini par sa composition chimique, sa microstructure et ses propriétés adaptées à une fonction précise.
• Les états physiques de la matière (solide, liquide, gaz) dépendent de la température et de la pression, influençant la microstructure et les propriétés.
• Les éléments chimiques sont classés selon leur configuration électronique, ce qui détermine leurs propriétés et types de liaisons.
• Les liaisons chimiques fortes (covalente, ionique, métallique) définissent la cohésion des matériaux et leurs propriétés fondamentales.
• Les matériaux se classent en métalliques, organiques, minéraux et composites selon leurs liaisons et composition.
• Les propriétés d’usage des matériaux sont liées à la nature des atomes, des liaisons et à la microstructure.