Relations formes, fonctions et procédés

1 Informer et accompagner les professionnels de l' ducation CYCLES 2 3 4. SCIENCES ET TECHNOLOGIE. Approfondir ses connaissances Mat riaux et objets techniques Relations formes, fonctions et proc d s Introduction Les fiches connaissances ont pour objectif de pr senter les principales connaissances et savoir-faire scientifiques et technologiques du th me Mat riaux et objets techniques du programme de Sciences et technologie du cycle 3. Ces fiches ne constituent en aucune mani re un manuel d'enseignement des sciences et technologie ni un document p dagogique qui d crirait des situations d'enseignements. Elles sont destin es aux professeurs, afin de les aider maitriser les concepts et notions disciplinaires. Elles ne sont pas destin es aux l ves. Les contenus peuvent aller au-del de ce qui est attendus dans les programmes. R f rences au programme IDENTIFIER LES PRINCIPALES FAMILLES DE MAT RIAUX. Familles de mat riaux (distinction des mat riaux Du point de vue technologique, la notion de mat riau est selon les Relations entre formes, fonctions et proc d s).

2 Mettre en relation avec la forme de l'objet, son usage Caract ristiques et propri t s (aptitude au fa onnage, et ses fonctions et les proc d s de mise en forme. Il valorisation). justifie le choix d'une famille de mat riaux pour r aliser Impact environnemental. une pi ce de l'objet en fonction des contraintes identi- fi es. partir de la diversit des familles de mat riaux, de leurs caract ristiques physico-chimiques, et de leurs impacts sur l'environnement, les l ves exercent un esprit critique dans des choix lors de l'analyse et de la production d'objets techniques. En phase de conception d'un produit, les choix de la forme, du mat riau et du proc d sont intimement li s. Le co t de r alisation et le co t cologique sont galement des l ments de choix. Retrouvez duscol sur - Minist re de l' ducation nationale, de l'Enseignement sup rieur et de la Recherche - Mars 2016 1. CYCLE 3 I SCIENCES ET TECHNOLOGIE I Approfondir ses connaissances Mat riaux et objets techniques Qu'attend-t-on d'un produit ?

3 Ses qualit s m caniques ou dimensionnelles De nombreux termes d signant les propri t s des mat riaux: r sistance, lasticit , duret , r silience, fatigue, l'endurance, etc. L' lasticit . En physique, l' lasticit est la capacit d'un mat riau reprendre sa forme apr s d formation (r versible). Le mat riau reprend sa forme initiale et restitue l' nergie n cessaire la d formation. Lorsque l'on applique des forces sur un mat riau, une pi ce, un objet (on le tire, on le comprime, on le ), celui-ci commence par se d former de mani re r versible (zone lastique OA). Pour les mat riaux dits ductiles , lorsque l'on augmente la sollicitation, on d forme de mani re d finitive la pi ce (BC) et apr s arr t de la sollicitation, la pi ce reste d form e. D'une mani re g n rale, on parle d' lasticit lorsqu'il y a conservation d' nergie. Par exemple lors d'une d formation lastique, le travail de la force n cessaire la d formation est stock sous forme d' nergie potentielle dans l' l ment d form.

4 Autre exemple, dans un choc lastique, les objets s' changent leur nergie cin tique, mais il n'y a pas de perte par frottement ou par d formation r siduelle (de fait, la d formation est lastique). Retrouvez duscol sur - Minist re de l' ducation nationale, de l'Enseignement sup rieur et de la Recherche - Mars 2016 2. CYCLE 3 I SCIENCES ET TECHNOLOGIE I Approfondir ses connaissances Mat riaux et objets techniques La Plasticit . C'est la capacit d'un mat riau se d former de mani re permanente (irr versible) sous l'effet d'une action et la conserver l'arr t de cette action. C'est par exemple le cas d'une petite cuill re qui a t tordue: on a d pass la limite d' lasticit . pour rentrer dans la zone de d formation plastique. Certains mat riaux, dits fragiles , cassent dans ce mode de d formation si la sollicitation est trop forte. Exemple : les couteaux en c ramique sont tr s durs mais fragiles en cas de forte d formation. Ils se rompent rapidement. Le cintre de la trottinette r alis par cintrage : cela demande une bonne plasticit du mat riau.

5 Une canette est r alis e avec une t le en aluminium tir e, les extr mit s sont emboutis puis sertis (comme les bijoux) : le mat riau est tr s mall able. Retrouvez duscol sur - Minist re de l' ducation nationale, de l'Enseignement sup rieur et de la Recherche - Mars 2016 3. CYCLE 3 I SCIENCES ET TECHNOLOGIE I Approfondir ses connaissances Mat riaux et objets techniques Une pi ce est d coup e dans des t les tir es puis emboutie. La r sistance la rupture C'est la contrainte correspondant la rupture de la pi ce. Une contrainte est une force par unit de surface. Une force s'exprime en Newton (N). Un kilogramme est gale environ 10 newtons (car le poids P= avec g = m s-2 la constante gravitationnelle). Une contrainte s'exprime en N mm-2. Avec une grande r sistance la rupture, le mat riau est tr s r sistant et ne casse pas facilement. Les mat riaux m talliques sont beaucoup plus r sistants que les mati res plastiques. Les aciers peuvent avoir des r sistances tr s variables (entre 150 et 1500 N mm-2) suivant leur composition.

6 Le c ble et la pince de t l si ge d brayable sont en m tal. Le ch ssis supportant les roues des rollers est en m tal galement. Les m taux sont recyclables en les faisant fondre. Retrouvez duscol sur - Minist re de l' ducation nationale, de l'Enseignement sup rieur et de la Recherche - Mars 2016 4. CYCLE 3 I SCIENCES ET TECHNOLOGIE I Approfondir ses connaissances Mat riaux et objets techniques Les plastiques charg s en fibres deviennent de plus en plus solides. Par exemple, les fixations de ski de randonn e ou freeride sont en m tal et en plastique. Le poids est un crit re tr s important. Par contre le prix est lev . La solidit d pend de la forme. Pour la m me quantit de mati re, le tube creux est bien plus solide : il sera beaucoup plus difficile de le plier. La duret . Les mat riaux sont plus ou moins durs. La duret peut tre augment e par des traitements thermiques ou par traitement m canique comme l' crasement du m tal. Les lames sont forg es l'aide d'un marteau. La duret est mesur e par enfoncement d'un poin on.

7 Il existe plusieurs chelles de duret : Rockwell, Vickers. Retrouvez duscol sur - Minist re de l' ducation nationale, de l'Enseignement sup rieur et de la Recherche - Mars 2016 5. CYCLE 3 I SCIENCES ET TECHNOLOGIE I Approfondir ses connaissances Mat riaux et objets techniques Le diamant est le mat riau le plus dur. La duret am liore l'endurance : petits efforts r p t s qui finissent par provoquer des micro- fissures. Les ailes d'avion subissent des vibrations permanentes qui cr ent une fatigue du mat riau. La plupart des pi ces subissent un crasement en surface (comme pour le marteau) pour am liorer leur endurance. La pr cision dimensionnelle Certaines surfaces ont besoin d'une grande pr cision pour guider en rotation par exemple. Les roulements billes de la roue et du guidon de la trottinette ont besoin d' tre positionn s par des surfaces pr cises : ces surfaces sont r alis es par usinage, ce qui signifie que les surfaces seront g n r es par un outil qui enl vera de la mati re, par exemple un foret entrain par le mandrin d'une perceuse ou l'outil d'un tour.

8 Les dimensions doivent respecter une tol rance : par exemple pour la trottinette, l'erreur de dimension sur le diam tre ne devra pas d passer 21 microm tres soit mm ! Retrouvez duscol sur - Minist re de l' ducation nationale, de l'Enseignement sup rieur et de la Recherche - Mars 2016 6. CYCLE 3 I SCIENCES ET TECHNOLOGIE I Approfondir ses connaissances Mat riaux et objets techniques Sa structure constituante Un mat riau qui se solidifie ou qui est agglom r est moins solide qu'un mat riau dont on d forme les fibres. Agglom r pas de fibres - peu solide lamell d formation des fibres du bois solide Meubles charpentes de gymnase Moulage par gravit : Moulage sous pression : Forgeage : la mati re liquide est coul e dans un la mati re est inject e sous pression, la mati re est frapp e sans casser les moule et se solidifie ; la densit est la densit est am lior e fibres faible Jante aluminium Jante magn sium Jante aluminium Tr s cher - Tr s solide Les fibres plastiques sont d form es par soufflage dans une prouvette pour obtenir la bouteille.

9 L'alpiniste ne tient que sur l'extr mit de ses crampons de montagne : ceux-ci sont fabriqu s par pliage pour ne pas casser les fibres du m tal. Retrouvez duscol sur - Minist re de l' ducation nationale, de l'Enseignement sup rieur et de la Recherche - Mars 2016 7. CYCLE 3 I SCIENCES ET TECHNOLOGIE I Approfondir ses connaissances Mat riaux et objets techniques L'imprimante 3D d pose des couches tr s fines de plastique fondu qui se solidifie : la densit et la solidit sont limit es. Les fibres peuvent tre naturelles (bois). ou obtenues lors de l' laboration : Laminage : L'aluminium est cras de nombreuses fois entre 2 rouleaux pour aboutir au papier d'alu ultra mince (pour avoir un papier plus fin, on met 2 feuilles la fois d'o l'aspect mat ou brillant). Extrusion Les barres sortent d'une fili re (comme pour la fabrication des pates) : les fibres sont orient es. On obtient ainsi toutes les barres ou profil s. Les mat riaux composites (un liant + des fibres) allient une certaine facilit de mise en uvre et une tr s bonne solidit gr ce aux fibres.

10 Retrouvez duscol sur - Minist re de l' ducation nationale, de l'Enseignement sup rieur et de la Recherche - Mars 2016 8. CYCLE 3 I SCIENCES ET TECHNOLOGIE I Approfondir ses connaissances Mat riaux et objets techniques La fibre de carbone est tr s utilis e dans les objets de haute technologie ou pour le sport : drone, voiture de course, n cessitant r sistance et l g ret . La fibre de verre est moins ch re et tout de m me tr s performante. Ses formes Le proc d de fabrication peut limiter les possibilit s de forme. En imprimante 3D, il n'y a pas de limite de forme hormis la taille des pi ces. En extrusion, les formes ont le m me profil sur toute la longueur : En moulage, les formes doivent tre d moulables, les paisseurs faibles pour refroidir au plus vite : Retrouvez duscol sur - Minist re de l' ducation nationale, de l'Enseignement sup rieur et de la Recherche - Mars 2016 9. CYCLE 3 I SCIENCES ET TECHNOLOGIE I Approfondir ses connaissances Mat riaux et objets techniques Le m tal (ou le plastique) est fondu puis inject sous pression dans le moule La jante en aluminium et le pneu en mati re plastique sont r alis s en injection dans un moule m tallique.