Familles de matériaux et choix d’un matériau

Un objet technique est fait de plusieurs matériaux, choisis chacun pour ce que la pièce doit faire. On les range en familles :

• les métaux (acier, aluminium, cuivre…) ;
• les matières plastiques ;
• les céramiques et les verres ;
• les matériaux organiques naturels, comme le bois ;
• les composites, qui associent plusieurs matériaux pour réunir leurs qualités.

Pour comparer des matériaux, on regarde leurs propriétés :

• la masse volumique : la masse d’un mètre cube de matériau, en kilogrammes par mètre cube (kg/m³). Plus elle est faible, plus la pièce est légère à volume égal ;
• la conductibilité électrique : le matériau laisse-t-il passer le courant (conducteur) ou non (isolant électrique) ?
• la conductibilité thermique : le matériau laisse-t-il bien passer la chaleur ou non ?
• la résistance aux efforts, par exemple quand la pièce est pliée (flexion) ou tordue (torsion) ;
• la recyclabilité, la disponibilité et le prix.

Choisir un matériau, c’est trouver celui qui satisfait toutes les exigences de l’usage.

Des tendances par famille. La plupart des métaux conduisent bien l’électricité et la chaleur ; la plupart des matières plastiques et le bois sont des isolants électriques. Mais ce ne sont que des tendances : pour choisir, on lit les valeurs données par la fiche du fabricant, matériau par matériau.

Deux conductibilités, deux propriétés. La conductibilité électrique et la conductibilité thermique se lisent séparément : un cahier des charges peut exiger l’une sans parler de l’autre.

Masse et masse volumique ne sont pas la même chose. La masse d’une pièce dépend de son matériau et de son volume :

masse (kg) = masse volumique (kg/m³) × volume (m³).

Une grande pièce d’un matériau léger peut donc être plus lourde qu’une petite pièce d’un matériau dense.

Un choix est un compromis. Le matériau le plus léger peut être trop cher ; le moins cher peut ne pas être recyclable. On ne retient pas le matériau qui est le meilleur sur un critère, mais celui qui respecte toutes les exigences.

Ce qui n’est pas demandé ne compte pas. Si le cahier des charges n’impose rien sur le prix, un matériau cher n’est pas éliminé pour autant.

Un bureau d’études choisit le matériau du manche d’un outil de jardin. Exigences du cahier des charges :

• masse volumique au plus 1 200 kg/m³ (manche léger) ;
• matériau recyclable ;
• prix au plus 6 € par kilogramme.

Fiches des fabricants (matériaux fictifs) :

On contrôle chaque matériau, exigence par exigence.

• A : léger et recyclable, mais 7,5 € > 6 € → éliminé (prix trop élevé).
• B : 1 100 ≤ 1 200, recyclable, 5,0 ≤ 6 → satisfait les trois exigences.
• C : le moins cher, mais 2 700 > 1 200 → éliminé (trop lourd).
• D : léger et bon marché, mais non recyclable → éliminé.

Matériau retenu : B. Il n’est le meilleur sur aucun critère pris seul (A est plus léger, C moins cher), mais c’est le seul qui respecte tout.

Masse ou masse volumique ? Une pièce de 0,002 m³ (soit 2 L) d’un matériau de 600 kg/m³ pèse 0,002 × 600 = 1,2 kg ; une pièce de 0,0001 m³ (0,1 L) d’un matériau de 7 800 kg/m³ pèse 0,0001 × 7 800 = 0,78 kg. La pièce du matériau le plus léger est la plus lourde, parce qu’elle est vingt fois plus grosse.

On résume le contrôle dans une grille : une ligne par matériau, une colonne par exigence ; on coche ✔ si l’exigence est respectée, ✘ sinon.

Ce qu’il faut lire : un seul ✘ suffit à éliminer un matériau ; le matériau retenu est celui dont la ligne ne contient que des ✔. Le verdict est aussi écrit en toutes lettres : l’information ne repose pas sur un symbole seul.