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NOM PRÉNOM DATE
Matériaux
L e s g r a n d e s f a m i l l e s
d e m a t é r i a u x
Les grandes familles de matériaux
- Reconnaître et nommer, par grandes familles, les matériaux utilisés en indiquant notamment leur aptitude au façonnage, leur résistance à la corrosion ..... - Repérer à quelle famille appartient un matériau.
Fiche Travail
T ravail à faire :
1°) Après avoir présenté ta feuille comme la page de couverture de ce dossier, lis les fiches ressources . Remarque: Examine les échantillons à ta disposition afin de voir à quoi ressemble les différents matériaux étudiés , teste leur conductibilité électrique grâce à la fiche conseil puis teste les différents métaux et alliages avec un aimant afin de savoir quels sont ceux qui sont attirés.
2°) Recopie et complète le tableau de la page suivante après avoir lu les remarques qui suivent. Remarques: Recopie le tableau au fur et à mesure que tu le complètes afin de ne pas être « bloqué » par des cases trop petites. Dans la deuxième colonne, précise pour les métaux et alliages, si c est un métal ou un alliage et dans le cas d un alliage, sa composition dans la troisième colonne. Dans la colonne utilisation, recopie 2 utilisations possibles pour le matériau.
3°) Complète la fiche élève selon les indications qui sont données .
4°) De quoi sont composés les aciers inoxydables, aciers chromés et les aciers gal-vanisés ?
5°) Quand a été inventé la première matière plastique, comment s appelait-elle ?
Fiche Travail
FAMILLE NOM Composition
ou origine COULEUR PROPRIÉTÉS ou
CARACTÉRISTIQUES UTILISATIONS
Verres et céramiques
Céramique Argile...
Dure, résistante, bon isolant électrique
Fusibles, réacteurs d avions
Verre Sable... Transparent
Bois
et
dérivés
Bois
Agglomérés
Lamellés
Cartons
Métaux
et
Alliages
Fer (métal)
Aluminium ( ..)
Cuivre ( ..)
Plomb ( ..)
Étain ( ..)
Zinc ( ..)
Fonte ( . ..)
Acier ( . ..)
Zamac ( . ..)
Duralumin ( . ..)
Laiton ( . ..)
Bronze ( . ..)
Plastiques
Thermoplastique Animale, végétale et minérale,
mais princi-palement le pétrole
Thermodurcissable
Élastomère
Composites
Les grandes familles de matériaux
- Reconnaître et nommer, par grandes familles, les matériaux utilisés en indiquant notamment leur aptitude au façonnage, leur résistance à la corrosion ..... - Repérer à quelle famille appartient un matériau.
Fiche élève LES GRANDES FAMILLES DE MATÉRIAUX Or g a n i g r a m m e d e r e c h e r c h e d u n m a t é r i a u
Je suis constitué de plusieurs couches de matériaux différents
Je conduis le courant électrique
J ai des veines ou des fibres apparentes
Je suis cassant
Je suis élastique
Je me déforme à chaud
Je suis de couleur jaune, orange ou rouge
Je suis attiré par un aimant
J appartiens à la famille des
J appartiens à la
familles des
J appartiens à la famille
des
Je suis en ...
Je suis en ...
Je suis en ...
Je suis en ...
Je suis en ...
Je suis en ...
OUI
NON
OUI
OUI
OUI
OUI
OUI
OUI
NON
OUI
NON
NON
NON
NON
NON
NON
Je suis transparent
OUI
Je suis en ...
Je suis en ...
NON
J appartiens à la famille des
Je suis constitué de copeaux collés
OUI Je suis en ...
Je suis en ...
NON
Je suis constitué de plusieurs couches
NON
OUI
Je suis en ...
J appartiens à la famille
des
Remplacer les pointillés par les mots corrects: Dans l avant-dernière « colonne », placer les mots suivants : ( élastomère, cuivre ou alliage à base de cuivre, céra-mique, lamellé, verre, thermoplastique, aggloméré, fer ou alliage à base de fer, thermodurcissable, bois brut, alu-minium ou alliage à base d aluminium). Dans la dernière « colonne », celle des familles, placer les mots suivants : (verres et céramiques, métaux et allia-ges, composites, bois et dérivés, plastiques).
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Fiche Ressource
Définition d'un matériau :
Un matériau est une matière destinée à être mise en forme.
Un objet peut être fabriqué avec des matériaux différents (exemple : une trottinette peut être fabriquée en acier ou en aluminium).
Un même matériau peut être utilisé pour fabriquer des objets différents (exemple: l'aluminium peut servir à fabriquer un vélo ou bien un radiateur....).
L es origines des matériaux
les matériaux d origine animale :
Laine, cuir, fil, soie, graisse , galalithe (sorte de plastique à base de lait)
les matériaux d origine minérale : ( extraits du sol ). Béton, craie, verre, acier, cuivre, aluminium, céramique, pétrole, certains plastiques, etc
les matériaux d origine végétale :
Bois et aggloméré, carton, papier, caoutchouc naturel, certains plastiques.
Classification des matériaux :
On peut classer les matériaux par familles, les principales sont:
Les céramiques et les verres.
Le bois et ses dérivés.
Les métaux et alliages.
Les matières plastiques.
Les matériaux composites.
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Fiche Ressource
L es céramiques et les verres :
Les céramiques : A l origine, fabriquées à partir d argile humide modelée , elles concernent la poterie, mais également la faïence (carrelage, vaisselle ), la porce-laine (vaisselle, isolant ) et le grès. Les céramiques entrent dans la composition d un grand nombre d objets ( fusible, table de cuisson, ré-acteurs d avions .). Les objets en céramique sont habituellement durs et résistants. De plus, la céramique est un bon isolant électrique. Le verre : Le verre est un matériau très ancien élaboré à partir de sable. Obtenu par fusion, on peut lui ajouter des addi-tifs afin de modifier ses caractéristiques (plomb pour le cristal) et ses couleurs. Le verre est un matériau très dur mais très fragile. C est un mauvais conducteur de courant électrique, c est donc un bon isolant électrique mais il résiste peu à la chaleur. Il est utilisé dans la fabrication de bouteilles, de vitres, de pare-brise, mais égale-ment de la laine de verre.
Les bois et dérivés :
Le bois : C est un matériau naturel. Ses caractéristiques varient en fonction de l espèce, il peut être très tendre (peuplier, pin ) ou très dur (chêne, acacia ). Sa couleur varie également en fonction de l espèce. Le bois est facile à usiner, en revanche, il est impossible de le mouler ou de le déformer (pliage).
Les dérivés du bois :
- Les agglomérés : Ils sont constitués de copeaux de bois collés à chaud sous une presse.
- Les lamellés : Ils sont constitués de couches de bois en lamelles collés à chaud sous une presse.
- Les cartons : Ils sont constitués de fibres de bois et de cellulose. Ils sont essentiellement utilisés dans l emballage.
Les bois, les agglomérés et les lamellés servent à fabriquer des meubles, des portes, des fenêtres ...
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Fiche Ressource
L es métaux et alliages :
Qu est-ce qu un métal ? C est un matériau réalisé à partir de minerai extrait du sol.
Qu est-ce qu un alliage ? : C est un mélange de plusieurs métaux auxquels on peut ajouter des éléments non métalliques tels que le silicium, le soufre, le car-bone .
Les Métaux :
Il existe de nombreux métaux, en voici quelques-uns. Le fer :
C est un métal gris réalisé à partir du minerai de fer, il est très rarement utilisé à l état brut mais plus souvent allié à du car-bone. Le fer est un métal qui ne résiste pas à la corrosion : il rouille très rapidement. Remarque: Le fer et ses alliages sont attirés par les aimants.
L aluminium :
C est un métal gris-blanchâtre obtenu à partir du minerai de Bauxite. Après avoir été broyée, la bauxite mélangée à de la soude permet d obtenir de l alu-mine: une poudre blanche. L alumine par un procédé d électrolyse sert à fabriquer de l aluminium. Beaucoup d objets techniques sont fabriqués en aluminium : bâtons de ski, boite de boisson, cadre de vélo, radiateurs, jante de voiture, blocs-moteurs, fenêtre, emballage
L aluminium est un matériau malléable très utilisé pour sa solidité, sa légèreté, sa conductibilité électrique et thermique, son esthétique, sa grande longévité et sa résistance à la corrosion. L'aluminium s'oxyde en surface, une couche mince protectrice se forme rapidement quand on l'expose à l'air et qui empêche la corros-ion de progresser. L aluminium se moule très facilement et se travaille sans diffi-culté. Il est trois fois plus léger que l'acier. L aluminium est le 2ème métal le plus utilisé après le fer ( ce dernier étant utilisé pour fa-briquer de la fonte et surtout de l acier).
Construite en fer , la Tour Eiffel est protégée de l'oxy-dation par plusieurs cou-ches de peinture. La Tour a été repeinte dix-sept fois depuis sa cons-truction, soit une fois en moyenne tous les sept ans. 60 tonnes de peinture sont nécessaires pour la recou-vrir, ainsi que 50 km de cor-des de sécurité, 2 hectares de filets de protection, 1500 brosses, 5000 disques abra-sifs, 1500 tenues de travail... et il faut plus d'une année à une équipe de 25 peintres pour la peindre de haut en bas.
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Fiche Ressource
Le cuivre : C est un métal de couleur rouge. Le cuivre est le plus vieux métal au monde puisqu'il a été utilisé plus de 8000 ans avant notre ère. Il est très souvent utilisé à la maison : fils électriques, tuyaux d eau et de gaz, casseroles . Il possède une conductibilité électrique très importante, de plus le cuivre est un bon conducteur thermique et il est malléable. Par contre, le cuivre s oxyde à l air ( il devient vert en surface) et est assez cher. Ce sont ses propriétés qui en font un métal très employé dans la construction électrique, le transport d'électricité et le bâtiment. La solidité d'un fil de cuivre, la fiabilité des contacts électriques qu'il permet d'obtenir sont les raisons essentielles de l'emploi généralisé du cuivre dans toute l'industrie électrique et électroni-que. A titre d'exemple, 95 % des fils conducteurs d'un Airbus sont en cuivre.
Le plomb : Il est issu d'un minerai, la galène. C est un métal gris foncé utilisé pour des éléments de toiture, lestage de rideaux, plomb de carabine, fil à plomb, petits soldats .. Le plomb est moins utilisé qu autrefois à cause de sa toxicité. Il était employé depuis l'antiquité en raison de sa grande mal-léabilité, notamment pour la réalisation de conduites d'eau potable. L'oxyde de plomb entrait également dans la fabrication des peintures. Ces deux utilisations sont dé-sormais proscrites en raison de la toxicité du plomb pour le système nerveux (saturnisme). C est un matériau lourd , très malléable, facilement usinable.
L étain : Il est gris-argent et sert à fabriquer des bibelots, du fil de soudure ... C est un métal assez malléable et résistant à la corrosion.
Le zinc : Il est gris-blanc et sert à fabriquer des éléments de gouttière et de toiture Il est léger et a une bonne résistance à la corrosion, (exposé à l'air humide, il s'oxyde et se recouvre d'une mince couche protectrice). Il est peu utilisé à l état pur mais sert souvent à fabriquer des alliages (le zamak, le laiton ..).
ANECDOTE : le zinc fut largement em-ployé pour recouvrir des tables (d'où le nom argotique de zinc donné aux bars dont les comptoirs étaient autrefois recouverts d'une feuille de zinc).
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Fiche Ressource
Les Alliages :
L avantage des alliages est qu ils peuvent présen-ter des propriétés différentes de celles des métaux purs: résistance à la corrosion, dureté .
La fonte : C est un alliage de fer et de carbone. Cet alliage de couleur gris foncé est obtenu en incorporant au fer entre 2% et 6% de carbone. Le carbone est un élément non métallique que l on trouve en général dans le charbon. En fusion, la fonte liquide se moule facilement et prend très fidèlement la forme des mou-les correspondant aux pièces que l on veut fabriquer. La fonte est un matériau très dur et très lourd mais peu malléable. Très utilisée dans la fabrication de mobilier urbain, elle est également utilisée dans de nombreuses pièces in-dustrielles, domestiques et automobile ( radiateur, plaque d égout, banc pu-blic, bâti de machine-outils, étau, blocs moteur, disques et tambours de frein. .).
L acier :
Il est, comme la fonte, un alliage de fer et de car-bone mais il est constitué de moins de 2% de carbone. De couleur gris foncé, l'acier est généralement obtenu par affinage de la fonte (la teneur en carbone est abaissée). Plus ou moins dur suivant le pourcentage de car-bone (on parle, par exemple, d'acier doux pour des aciers possédant de 0,2 % à 0,3 % de carbone). L'acier peut être allié à de nombreux matériaux modifiant ain-si sensiblement ses propriétés. - Les aciers inoxydables sont des aciers alliés à du chrome et du nickel . - L'acier galvanisé est de l acier sur lequel on a déposé une couche de zinc pour en assurer la protection contre la rouille. - L'acier chromé est de l acier sur lequel on a déposé une cou-che de chrome pour le protéger. L acier possède de nombreux avantages ( peu cher, assez bon conducteur, facilement usinable, très résistant), mais il est sensible à la corrosion . L'acier est le métal le plus utilisé en construction mécanique, ses applications sont très nombreuses, l acier est présent dans quasiment tous les secteurs de l'indus-trie : (exemples :carrosserie de voiture, casseroles, vis, boite de conserve ..).
Fabrication de la fonte et de l acier
Le stade de France a nécessité 42000 tonnes d acier pour sa construction.
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Le zamac : Le zamac est un alliage de zinc, d'aluminium et de magnésium et parfois de cuivre. Son nom a d ailleurs été consti-tué avec les initiales de ces 4 compo-sants. C'est un alliage résistant, facile à travailler et il ne s'oxyde pas . Le zamac permet d obtenir des pièces moulées de grande précision. Il est très fréquemment utilisé dans la fabrication de pièces automobiles, des bijoux, des bi-belots, des maquettes, des poignées de porte
Le Duralumin: C est un alliage d aluminium, de cuivre et de magnésium. Il est très rigide et très dur d où son nom. Il est très utilisé dans la fabrication de mobilier, de fourniture de bureau (règle par exemple), de pièces automobiles et d avia-tion .. ....
Le laiton : C est un alliage de cuivre et de zinc, il est de couleur jaune et est parfois appelé « cuivre jaune ». Le laiton est le plus utilisé des alliages de cuivre.
Le laiton se moule et s usine très facilement, de plus il est malléable et résiste bien à la corrosion. Celle-ci fait apparaître à la surface du laiton une couche appelée vert-de-gris. Il sert à fabriquer des robinets, des instruments de musique, des bibelots ..
Le bronze : Le cuivre allié à l étain donne du bronze c est un alliage de cou-leur jaune. Ce matériau offre une bonne résistance à l usure et à la corrosion de plus, il se moule très facilement donnant des pièces de grande précision ( robinetterie, objets décoratifs, statuettes .).
Remarque: Il existe, bien entendu, beaucoup d autres alliages que ceux cités dans ce dossier.
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L es matières plastiques :
Histoire et invention :
Les matières plastiques sont très récentes.
Le celluloïd est l ancêtre des premiers plastiques. Il a été mis au point aux Etats-Unis en 1869 par les frères Hyatt, lauréats d un concours qui demandait de trouver une matière pouvant remplacer l ivoire utilisé pour fabriquer les boules de billard. 10 000 éléphants doivent leur survie à l invention du celluloïd.
Au cours de ces cinquante dernières années, le développement de l'industrie des matières plastiques a été gigantesque et a rapidement dépassé celui de l'acier. Les matières plastiques sont des matériaux synthétiques, ils n existent pas à l é-tat naturel. Ces matériaux ont été créés en transformant, par des réactions chimiques, des produits naturels tels que le charbon , le bois et le pétrole .. Mais la principale matière première utilisée pour réaliser du plastique est le PÉTROLE.
Ils existent des centaines de plastiques différents. Bien évidemment tous les types de plastique n ont pas les mêmes caractéristiques, certains sont plus résistants, d autres sont plus transparents, d autres encore sont plus élastiques mais ils ont tous les avantages suivants :
se moulent très facilement, bons isolants électriques et thermiques, esthétiques imperméables inaltérables légers bon marché faciles d entretien .
Quelques exemples des propriétés extraordinaires des matières plastiques:
Une entreprise a inventé des chaussures très confortables. Il suffit de placer les semelles dans un four à micro-ondes 3 minutes, de placer dessus une serviette épaisse puis de poser son pied dessus sans bouger pendant 2 minutes pour avoir à la fin une semelle qui épouse parfaitement la forme de ses pieds !
Il existe des moufles de cuisine étanche, capable de résister à une chaleur de 300°C. En portant ces moufles, on peut trem-per sa main dans un bain d huile bouillante, sans se brûler.
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On peut regrouper les plastiques en 3 grandes familles :
1°) Les thermoplastiques :
Ce sont des plastiques qui se moulent très bien . Ils ramol-lissent et se déforment sous l effet de la chaleur (ils devien-nent malléables et pâteux) . Ils peuvent donc être refondus et remodelés un grand nombre de fois. On les appelle thermoplastiques, car ils conservent leurs pro-priétés plastiques.
Voici quelques thermoplastiques avec l abréviation correspondantes et quelques exemples d utilisation. PolyVinyle de Chlorure PVC tuyaux, fenêtres, carte de crédit
Polystyrène PS pots de yaourt, stylo, gobelets . Polyéthylène PE sacs de caisses, bouteilles de lait
Polypropylène PP classeur, mobilier de jardin .. Polycarbonate PC vitrage, véranda, biberon .. etc ..
2°) Les thermodurcissables :
Ce sont des plastiques qui ne se ramollissent jamais une fois moulés, ils sont moulés une fois pour toute. On les appelle thermodurcissables, car ils durcissent puis carbonisent sous l ac-tion de la chaleur. Il est donc impossible de refondre un thermo-durcissable pour en refaire un autre objet.
Voici quelques thermodurcissables et quelques exemples d utilisation. Polyester vêtement, coque de bateau . Bakélite poignées de casserole, interrupteur .. Mousse de polyuréthane rembourrage de sièges, mousse isolante etc ..
3°) Les élastomères :
Ils se déforment lorsqu on les compresse ou on les étire mais ils retrouvent ensuite leur forme initiale. Il existe un élasto-mère naturel (le latex) réalisé à partir de la sève d un arbre (l hévéa), les autres élastomères sont synthétiques et sont réalisés à partir du pétrole.
Voici quelques élastomères et quelques exemples d utilisation. Latex gant de protection, tétine de biberon .. Caoutchouc artificiel pneus, patin de frein, chambre à air . Silicone joint, moule à gâteau .. etc ..
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Fiche Ressource
L es matériaux composites :
Les matériaux composites sont, comme les alliages, constitués de plu-sieurs matériaux, mais ceux-ci ne sont mélangés pas entre eux mais juxtapo-sés (collés les uns sur les autres) afin de constituer plusieurs couches. Cette juxtaposition donne au matériau composite des caractéristiques intéres-santes. Les composites peuvent être plus résistants que l acier et aussi légers que les matières plastiques. Ils ont néanmoins des inconvénients, ils coûtent chers et sont impossibles à recycler . De plus, leur fabrication est difficile et complexe . On les utilise pour la fabrication des skis, des snowboards, d emballages
Polyéthylène (pour l étanchéité) Polyéthylène (pour l étanchéité) Aluminium (pour protéger de la lumière et de l air) Polyéthylène (pour l étanchéité) Carton (pour la rigidité) Polyéthylène (pour l étanchéité)
Les différentes couches composant l emballage d une brique de lait ou
de jus de fruits
Les saucisses sont emballées dans un film multi-couches de 0,1 mm d épaisseur qui combine les qualités du polyéthylène (imperméable à l humidité) et celles du polyamide (imperméable à l oxygène). En mono-couche, il faudrait une épaisseur de 1 cm de polyéthylène pour obtenir une protection équiva-lente.
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