26/11/2013

Matériaux: Ingénierie, science, procédé et conception

Les ingénieurs fabriquent des objets. Ils les fabriquent à partir de matériaux. En fonction de l’application souhaitée, ces matériaux doivent être capables de supporter des charges mécaniques, d’isoler ou de conduire la chaleur et l’électricité, de produire ou de repousser un champ magnétique, de transmettre ou de réfléchir la lumière, de survivre dans des environnements souvent hostiles, et tout cela sans nuire à l’environnement ni coûter trop cher.


Par ailleurs, le matériau requiert un partenaire dans le processus d’élaboration. En effet, pour fabriquer quelque chose à partir d’un matériau, l’ingénieur a aussi besoin d’un procédé, et pas n’importe lequel : il faut en choisir un qui soit compatible avec le matériau qui est prévu d’être utilisé. Parfois le procédé joue un rôle prépondérant et il s’agit alors de trouver un matériau compatible avec celui-ci. Il est donc question d’une union entre un matériau et un procédé. La compatibilité n’est pas toujours facile à trouver, beaucoup d’unions échouent, et la défaillance d’un matériau peut avoir des conséquences catastrophiques, entraînant des problèmes de responsabilités et d’indemnisation. Cela sonne comme du pain béni pour les avocats, et c’en est parfois : des spécialistes travaillent comme experts témoins dans des cas juridiques impliquant la défaillance de matériaux. Mais notre but ici n’est pas d’entrer dans ce débat, mais plutôt de donner une vision de l’univers des matériaux (car même sur les planètes les plus éloignées, les mêmes éléments sont présents) et de celui des procédés, et de fournir des méthodes et des outils pour les choisir de sorte à assurer une union heureuse et durable.

Les ingénieurs fabriquent des objets à partir de matériaux depuis plusieurs siècles déjà, et avec succès : pensez à Isambard Kingdom Brunel, Thomas Telford, Gustave Eiffel, Henry Ford, Karl Benz et Gottlieb Daimler, ou encore aux frères Wright. Alors pourquoi avons-nous besoin de nouvelles méthodes de sélection ? Un peu d’histoire aide à répondre à cette question. James Stuart fut le premier professeur d’Ingénierie à l’Université de Cambridge, de 1875 à 1890. A cette époque, le nombre de matériaux disponibles pour les ingénieurs était limité à quelques centaines tout au plus. Les polymères synthétiques n’existaient pas, alors que de nos jours il y en a plus de 45 000. Il n’y avait pas d’alliages légers (l’aluminium n’est considéré comme un matériau d’ingénierie que depuis le 20e siècle), il y en a actuellement des milliers. Il n’y avait pas non plus de composites à hautes performances, il y en a maintenant des centaines. L’histoire des matériaux est développée plus en détail en figure 1.1, pour une période s’étendant sur plus de 10 000 ans.

Cette figure montre grossièrement quand la première évolution de chacune des classes principales de matériaux a eu lieu. L’échelle de temps n’est pas linéaire car la plupart des matériaux utilisés de nos jours ont été développés lors des 100 dernières  années. Leur nombre est énorme : plus de 160 000 matériaux sont disponibles pour les ingénieurs d’aujourd’hui, nous confrontant à un problème que le Professeur Stuart ignorait, celui d’effectuer une sélection optimale parmi ce large éventail. Avec la demande toujours croissante de performances, d’économie et de rendement, ainsi que l’impératif d’éviter toute nuisance à l’environnement, le bon choix devient très important. Une conception innovante signifie alors exploiter avec imagination les propriétés offertes par les matériaux.

Ces propriétés sont aujourd’hui largement connues et documentées dans des ouvrages de référence comme le ASM Materials Handbook, qui comporte 22 volumes épais, et ce n’est qu’un exemple parmi beaucoup d’autres. Comment faire face à cette vaste quantité d’informations ? Heureusement, quelque chose d’autre a changé depuis l’époque du Prof. Stuart : il existe désormais des moyens numériques de stockage et de traitement de l’information. La conception assistée par ordinateur est devenue partie intégrante de la formation d’un ingénieur et peut s’appuyer sur des progiciels largement répandus de modélisation 3D, d’analyse par éléments finis, d’optimisation et de sélection des matériaux et des procédés. Un logiciel de sélection des matériaux et des procédés utilise des bases de données regroupant les attributs des matériaux et ceux des procédés, en documentant également leur compatibilité. Il permet d’effectuer des recherches et de présenter les résultats de manière à ce que la sélection remplisse au mieux les exigences d’une conception.

Que ce soit pour un voyage à pied, à vélo ou en voiture, il est utile de se munir d’une carte. Le paysage des matériaux, comme le paysage terrestre, peut être complexe et porter à confusion ; les cartes y sont par conséquent aussi une bonne idée. Ce texte présente une approche des matériaux et des procédés de fabrication guidée par la conception et utilisant des cartes : des graphiques innovants pour représenter le monde des matériaux et des procédés par des moyens facilement accessibles. Ces graphiques présentent les propriétés des matériaux de manière à offrir une vue d’ensemble, à révéler les relations entre différentes propriétés et à permettre leur sélection.

> Pour en savoir plus

Extrait de "Matériaux"
de Michael Ashby, Hugh Shercliff et David Cebon
Publié aux Presses polytechniques et universitaires romandes

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