Caractérisation d'un matériau

Il est indispensable pour appréhender un matériau de le caractériser, c'est-à-dire d'en analyser les propriétés. Il existe de nombreuses techniques de caractérisation des matériaux qui reposent sur différents principes physiques de base : les interactions rayonnement-matière, la thermodynamique et la mécanique.

Essais mécaniques

Poutre en composite sur une machine de traction pour un test de flexion trois points.

Les essais mécaniques sont les plus couramment utilisés en production car ils permettent d’avoir des données sur les propriétés mécaniques, rapidement avec des appareils de mesure relativement simples. Les principaux essais mécaniques sont :

traction : on sollicite une éprouvette en traction uniaxiale jusqu'à la rupture pour en déterminer des caractéristiques mécaniques telles que le module de Young E, l'allongement à la rupture A%, la limite d'élasticité R_e ou σ_y et la résistance à la traction R_m. Voir aussi Dynamomètre ;
dureté : on applique sur une éprouvette un pénétrateur sous une certaine charge F. Il existe plusieurs essais selon le type de dureté désirée (Meyer, Brinell, Rockwell, Vickers et Shore). Voir aussi Échelle de Mohs ;
résilience : on rompt une éprouvette entaillée en U ou en V en son milieu à l'aide d'un mouton-pendule Charpy ;
fatigue : on fait subir un nombre important de cycles de flexion sur des éprouvettes normalisées. En considérant le moment où ces éprouvettes rompent, on détermine la limite de rupture en fatigue σd ;
analyse mécanique dynamique (DMA) : on sollicite par exemple la matière en traction-compression à une fréquence donnée. Grâce à une modélisation du diagramme contrainte-déformation, on obtient le module de Young complexe, le facteur d'amortissement et dans certains cas le coefficient de Poisson ν. Cela est particulièrement nécessaire pour l'étude des polymères (soumis au vieillissement) et suivant leur état d'utilisation (vitreux, caoutchouteux ou amorphe).

Dans le cas de matières très malléables, on peut utiliser des systèmes rotatifs (bi-disques) et non plus linéaires. Voir aussi Rhéomètre.

Analyses physico-chimiques

Interaction rayonnement-matière

Les principales techniques utilisant l'interaction rayonnement-matière sont :

microscopie :
- microscopie électronique à balayage (MEB) : elle est une technique de microscopie électronique basée sur le principe des interactions électrons-matière,
- microscopie électronique en transmission (MET) : on bombarde d'un faisceau d'électrons un échantillon mince principalement pour en obtenir la figure de diffraction,
- microscope optique : la simple et traditionnelle observation à l'échelle microscopique,
- microscope ionique à effet de champ,
- microscope à effet tunnel,
- microscope à sonde locale,
- microscope à force atomique (AFM) ;
rayons X :
- diffraction des rayons X,
- analyse dispersive en énergie (EDS ou EDX),
- analyse dispersive en longueur d'onde (WDS ou WDX),
- fluorescence X,
- diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS),
- spectroscopie des pertes d'énergie (EELS),
- spectrométrie photoélectronique X (XPS),
- spectroscopie des éléctrons Auger (AES),
- radiographie ;
rayonnement optique :
- spectroscopie ultraviolet-visible (UV-vis),
- spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF ou FTIR en anglais),
- thermoluminescence,
- photoluminescence ;
rayon de neutrons :
- diffraction de neutrons,
- diffraction de neutrons aux petits angles (SANS),
- neutronographie,
- activation neutronique ;
spectroscopie de masse :
- spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS) ;
spectroscopie RMN.

Analyse thermique

En ce qui concerne les techniques faisant appel à la thermodynamique, on retrouve la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et l'analyse thermogravimétrique (ATG). Voir aussi Analyse thermomécanique (TMA).

Essais non destructifs

La plupart des techniques de caractérisation sont dites destructives car le matériau est endommagé à l'issue du test. Il existe par ailleurs des techniques de contrôle dites non destructives, qui ne dégradent pas le matériau.

Grâce à ces méthodes, on peut, par exemple, tester la qualité mécanique (absence de fissuration et corrosion) de chaque pièce à l'issue de la production de pièces aéronautiques ou lors de leur vérification en maintenance.

Articles connexes

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