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Auteur(s)
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Philippe CHOMEL : Docteur d’État - Professeur honoraire à l’Institut national des sciences appliquées de Toulouse
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L’activité industrielle proche de la mécanique représente en France (1990) environ 1,2 million de personnes, dont près de la moitié forme le secteur « mécanique » (hors aéronautique et spatial, sidérurgie-métallurgie, et automobile). À l’intérieur de ce secteur, 40 % de la production en valeur concerne le travail des métaux, et 28 % l’équipement pour l’industrie. Mais la structure du secteur est fortement dispersée : 86 % des 7 000 entreprises ont moins de cent salariés.
Les lieux de conception et de fabrication sont donc multiples et le cadre de travail des concepteurs très variable : à côté de grandes entreprises, fortement structurées en bureaux puissants d’études et des méthodes, existent de nombreuses unités de petite dimension, où les moyens sont beaucoup plus légers, la cellule de conception pouvant être réduite à quelques personnes.
Quels sont les besoins exprimés par les entreprises ? Une étude du Cetim (Centre d’étude des industries mécaniques) portant sur 3 500 requêtes industrielles du secteur donne la répartition suivante :
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27 % concernent les procédés ;
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21 % concernent les matériaux (dont les trois quarts les matériaux métalliques) ;
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11 % la conception, la modélisation, la CAO-DAO ;
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etc.
Concernant les matériaux et les procédés, le Cetim (tableau 1) explicite en 1996 les besoins exprimés sur trois années, en distinguant trois groupes : dans le premier, le besoin est très lié au matériau ; dans le second, le choix du matériau et la maîtrise du procédé sont très liés ; dans le troisième, le procédé est dominant (tableau 1).
Il y a donc un besoin d’information sur les matériaux (et notamment les matériaux métalliques), sur leurs propriétés thermomécaniques et leurs aptitudes à être « traitées » pour leur mise en œuvre, sur leurs aptitudes à remplir des fonctions parfois contradictoires. Et in fine sur les choix possibles, souhaitables, voire optimaux, de systèmes matériaux-procédés dans les processus de conception. Si les services des grandes entreprises sont assez puissants pour répondre à ces besoins, il peut être plus difficile aux structures plus petites – les plus nombreuses – de réunir le temps et les moyens d’être informées de la situation et de l’évolution des matériaux et procédés, des outils « papier » et « informatiques » disponibles.
Après avoir brossé dans l’article Comportement thermomécanique des alliages métalliques les grandes lignes du comportement thermomécanique des matériaux métalliques, et dressé dans l’article Sélection des matériaux métalliques- Familles de matériaux un panorama de ces métaux et alliages, le présent article tente de situer le contexte dans lequel s’opère le choix de matériaux :
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les procédés de mise en œuvre sont nombreux et pour une part, concurrentiels. Y a-t-il des paramètres intrinsèques décisifs des matériaux selon les procédés ?
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les fonctions recherchées peuvent-elles être réduites à quelques indicateurs simples ?
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quelles stratégies développent les divers acteurs concernés par l’utilisation des matériaux métalliques ?
Le contexte de cet article ne permet de traiter ces questions que de façon assez simple, peut-être même simpliste. Toutefois, il attire l’attention sur les points de vue divers, voire concurrentiels, qui sont en jeu.
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Stratégies des « matériologues »
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2. Fonctions recherchées et propriétés
Les fonctions demandées à une pièce mécanique en service peuvent être très diverses :
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résistance aux efforts statiques, le plus souvent dans le domaine du comportement réversible (élastique), à température ambiante, à des températures plus basses (applications cryogéniques) et le plus souvent à des températures plus hautes ;
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résistance aux efforts dynamiques (fatigue) [97] ;
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résistance à la pression hertzienne, au frottement, à l’usure ;
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durée de service, fiabilité de fonctionnement ;
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résistance à l’environnement (autres pièces au contact, atmosphère, humidité...) ;
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des fonctions plus spécifiques : transmission de chaleur, de courant électrique, de champ magnétique, résistance à la radioactivité.
De plus, des impératifs techniques de légèreté, de recyclabilité, de facilité d’assemblage, de forme, de faible coût énergétique, d’aptitude aux procédés de fabrication, s’ajoutent à des exigences socio-économiques de coût, d’acceptabilité par rapport aux habitudes, de normes...
Ces fonctions ne sont pas reliées de façon simple à des propriétés élémentaires mesurables et connues des matériaux et de leur surface
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Prenons le cas de l’usure ([54] [63] [64] [65] [66]).
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Dans l’usure par abrasion, en utilisant un même procédé (même abrasif, même protocole...), la loi d’Achard prévoit que l’usure W (volume de matériau enlevé) est proportionnelle à la charge appliquée, à la distance parcourue et à l’inverse de la dureté du matériau abrasé. Si cela est bien vérifié pour les métaux purs, c’est loin d’être aussi simple pour les différentes familles de matériaux.
Magnée (figure 19) propose de comparer les matériaux au moyen d’un facteur d’abrasion F = W / Wr , relatif à un matériau (usure W, dureté H ) par rapport à un matériau de référence (Wr , dureté Hr ) avec un abrasif (dureté H a) : il établit pour une large gamme...
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