Retour au blog

Quiz : Maîtrises-tu les Propriétés et le Choix des Matériaux ?

Quinze questions, des plus simples aux plus piégeuses, pour vérifier que tu sais calculer une contrainte et justifier le choix d'un matériau.

Cet article a été rédigé à des fins pédagogiques. Les informations présentées peuvent évoluer. Nous t’invitons à vérifier auprès de sources officielles.

L'essentiel à connaître

Choisir un matériau, c'est traduire le cahier des charges (ce que la pièce doit faire) en propriétés, écarter les matériaux qui ratent une exigence, puis garder le meilleur compromis, coût et environnement compris. Exemple : pour un cadre de vélo rigide et léger, l'acier est très rigide mais lourd, l'aluminium plus léger mais moins rigide. La méthode d'Ashby, au programme de STI2D, aide à trancher : ses cartes placent les matériaux selon deux propriétés, comme la rigidité et la masse volumique (la masse d'un mètre cube).

Quatre familles reviennent sans cesse. Les métaux conduisent bien la chaleur et l'électricité. Les polymères (les plastiques) sont légers, isolants et faciles à mouler, mais peu rigides. Les céramiques et les verres sont durs mais fragiles. Les composites associent un renfort, des fibres qui portent l'effort, à une matrice, la résine qui les enrobe. Un thermoplastique se refond à la chaleur ; un thermodurcissable durci ne fond plus, et se recycle donc mal.

Tirée par une force $F$, une pièce de section $S$ subit une contrainte $\sigma$, une force par unité de surface. Tant que $\sigma$ reste sous la limite élastique $R_e$, la déformation est élastique : la pièce reprend sa forme. Au-delà, elle devient plastique, donc permanente ; la résistance à la rupture $R_m$ est la plus forte contrainte supportée avant de casser. Le module d'Young $E$ mesure la rigidité : plus il est grand, moins la pièce s'allonge.

Formule : $\sigma = \dfrac{F}{S}$ et, dans le domaine élastique, $\sigma = E\,\varepsilon$ (loi de Hooke), avec $\varepsilon = \dfrac{\Delta L}{L_0}$ sans unité. $F$ en N et $S$ en $\text{mm}^2$ donnent $\sigma$ en MPa ; $1\ \text{GPa} = 1\,000\ \text{MPa}$. Section ronde de diamètre $d$ : $S = \dfrac{\pi d^2}{4}$.

La conductivité thermique dit si la chaleur traverse facilement le matériau (beaucoup le cuivre, très peu le polystyrène expansé) ; la dilatation est l'allongement d'une pièce qui chauffe.

Piège classique : rigide, résistant et dur, ce n'est pas pareil. La rigidité se lit sur $E$, la résistance sur $R_e$ et $R_m$, la dureté dit si le matériau se raye ou se marque. Un matériau fragile casse net, sans déformation permanente avant : une céramique peut être très dure et fragile.

Quiz : teste tes connaissances

Les questions montent en difficulté : les trois dernières sont les plus piégeuses.

Question 1 : Pour la poignée d'une casserole, quelle propriété regardes-tu en premier ?

A. Sa masse volumique
B. Sa conductivité électrique
C. Sa conductivité thermique
D. Sa dureté

Réponse : C. La poignée doit freiner la chaleur qui va de la casserole à ta main : il faut une conductivité thermique faible. La conductivité électrique (B) concerne le courant, pas la chaleur.

Question 2 : Léger, isolant, facile à mouler mais peu rigide : à quelle famille appartient ce matériau ?

A. Les polymères
B. Les composites
C. Les céramiques
D. Les métaux

Réponse : A. C'est le portrait des polymères, les plastiques. Un composite (B) contient souvent une résine polymère, mais ses fibres le rendent justement rigide.

Question 3 : Dans un composite fibres de verre et résine, quel est le rôle des fibres ?

A. Enrober l'ensemble et donner sa forme à la pièce
B. Rendre la résine plus facile à mouler
C. Protéger la résine de l'humidité
D. Apporter la rigidité et la résistance mécanique

Réponse : D. Les fibres sont le renfort : ce sont elles qui portent l'effort. Enrober l'ensemble et donner sa forme (A), c'est le rôle de la matrice, la résine.

Question 4 : Pourquoi un pont métallique a-t-il des joints de dilatation, de petits espaces laissés libres ?

A. Pour évacuer l'eau de pluie
B. Parce que le métal s'allonge en chauffant
C. Parce que le métal ramollit en chauffant
D. Pour alléger la structure du pont

Réponse : B. Le métal s'allonge quand il chauffe et se raccourcit quand il refroidit : le joint absorbe ces variations de longueur. Aux températures que connaît un pont, il ne ramollit pas (C).

Question 5 : Tu plies un peu une règle en acier : elle revient droite. Tu la plies fort : elle reste tordue. Qu'as-tu dépassé la deuxième fois ?

A. Son module d'Young
B. Sa résistance à la rupture $R_m$
C. Sa dureté
D. Sa limite élastique $R_e$

Réponse : D. Au-delà de $R_e$, une partie de la déformation devient plastique, donc permanente. Dépasser $R_m$ (B) l'aurait cassée, pas seulement tordue.

Question 6 : Une pièce doit être rigide et légère, pour un budget serré. Comment choisir son matériau ?

A. Prendre le plus rigide, quel que soit son prix
B. Prendre le plus léger, quelle que soit sa rigidité
C. Écarter ceux qui ratent une exigence, puis comparer
D. Prendre le moins cher, quelle que soit sa masse

Réponse : C. Un matériau qui rate une exigence est éliminé, même s'il brille ailleurs ; entre les autres, on cherche le meilleur compromis. A ignore le prix, qui fait pourtant partie du cahier des charges.

Question 7 : Pourquoi une pièce en thermodurcissable, comme une résine époxy durcie, se recycle-t-elle mal ?

A. Elle est trop dure pour être broyée
B. Elle ne fond plus, impossible de la remouler
C. Elle se dégrade à la lumière avant le tri
D. Elle fond, mais à trop haute température

Réponse : B. Durci, un thermodurcissable ne fond plus : chauffé, il se décompose, donc on ne peut pas le remouler comme un thermoplastique. Le piège D suppose qu'il finit par fondre : il ne fond pas du tout.

Question 8 : Une carte d'Ashby porte la masse volumique en abscisse et le module d'Young en ordonnée. Où chercher un matériau rigide et léger ?

A. En haut à gauche
B. En haut à droite
C. En bas à gauche
D. En bas à droite

Réponse : A. Rigide veut dire $E$ grand, donc en haut ; léger veut dire masse volumique faible, donc à gauche. En haut à droite (B), les matériaux sont rigides mais lourds.

Question 9 : Une tige de section $S = 50\ \text{mm}^2$ est tirée par une force $F = 10\,000\ \text{N}$. Quelle contrainte subit-elle ?

A. $200\ \text{Pa}$
B. $2\ \text{MPa}$
C. $200\ \text{MPa}$
D. $0,005\ \text{MPa}$

Réponse : C. $\sigma = F/S = 10\,000/50 = 200\ \text{N/mm}^2$, soit $200\ \text{MPa}$. B vient d'une conversion ratée : $50\ \text{mm}^2 = 50 \times 10^{-6}\ \text{m}^2$, pas $50 \times 10^{-4}\ \text{m}^2$.

Question 10 : La tige de la question 9 ne doit garder aucune déformation permanente. Quel matériau choisir (données fictives) ?

A. Un alliage d'aluminium de $R_e = 160\ \text{MPa}$
B. Un acier de $R_e = 185\ \text{MPa}$
C. Un alliage de cuivre de $R_e = 120\ \text{MPa}$
D. Un acier de $R_e = 275\ \text{MPa}$

Réponse : D. Il faut une limite élastique au-dessus des $200\ \text{MPa}$ de contrainte : seul cet acier convient. B est le piège : le mot « acier » ne garantit rien, seule la valeur de $R_e$ compte.

Question 11 : Deux barres de mêmes dimensions, l'une en acier, l'autre en aluminium, portent la même charge en restant élastiques. Laquelle s'allonge le plus ?

A. L'aluminium, car son module d'Young est plus faible
B. L'acier, car son module d'Young est plus élevé
C. Les deux autant, car la contrainte est la même
D. L'acier, car sa masse volumique est plus grande

Réponse : A. La contrainte est bien la même, mais $\varepsilon = \sigma / E$ et l'aluminium a un module d'Young plus faible que l'acier. C oublie que l'allongement dépend aussi du matériau.

Question 12 : Une barre de longueur $L_0 = 2\ \text{m}$ et de module d'Young $E = 200\ \text{GPa}$ subit $\sigma = 100\ \text{MPa}$ dans le domaine élastique (données fictives). De combien s'allonge-t-elle ?

A. $0,5\ \text{mm}$
B. $0,001\ \text{mm}$
C. $1\ \text{mm}$
D. $1\,000\ \text{mm}$

Réponse : C. En MPa, $E = 200\,000$, donc $\varepsilon = 100/200\,000 = 5 \times 10^{-4}$, et $\Delta L = \varepsilon L_0 = 5 \times 10^{-4} \times 2\,000\ \text{mm} = 1\ \text{mm}$. D vient de $E$ laissé en GPa : $\varepsilon$ vaudrait $0,5$ et la barre s'allongerait d'un mètre.

Question 13 : La lame d'un couteau en céramique est très dure, mais elle peut casser net en tombant sur du carrelage. Qu'en conclure ?

A. Un matériau très dur résiste forcément aux chocs
B. Un matériau peut être très dur et fragile
C. Cette lame n'est pas vraiment dure, d'où la casse
D. La lame s'est déformée plastiquement avant de casser

Réponse : B. La dureté mesure la résistance à la rayure et à l'enfoncement, pas aux chocs, et la céramique est fragile : elle rompt sans déformation permanente avant. A confond « dur » et « résistant aux chocs ».

Question 14 : Données fictives : deux barres de même section, l'une en acier ($R_e = 235\ \text{MPa}$, $E = 210\ \text{GPa}$), l'autre en alliage d'aluminium ($R_e = 350\ \text{MPa}$, $E = 70\ \text{GPa}$). Laquelle supporte la plus grande force sans déformation permanente ?

A. L'acier, car son module d'Young est plus grand
B. Les deux autant, car leur section est la même
C. L'acier, car sa masse volumique est plus grande
D. L'aluminium, car sa limite élastique est plus haute

Réponse : D. Sans déformation permanente, la force maximale vaut $F_{\max} = R_e \times S$ : à section égale, la plus grande $R_e$ gagne. A confond rigidité et résistance : un $E$ plus grand dit seulement que l'acier s'allonge moins.

Question 15 : Une tige ronde de diamètre $d = 20\ \text{mm}$ est tirée par une force $F = 31\,400\ \text{N}$. Quelle contrainte subit-elle, à peu près ?

A. $100\ \text{MPa}$
B. $78,5\ \text{MPa}$
C. $25\ \text{MPa}$
D. $500\ \text{MPa}$

Réponse : A. $S = \pi d^2/4 \approx 314\ \text{mm}^2$, donc $\sigma \approx 31\,400/314 = 100\ \text{MPa}$. C vient de $S = \pi d^2$ : le diamètre pris pour le rayon rend la section quatre fois trop grande.

Sources

Programme de STI2D, première et terminale (annexe 1 publiée au Bulletin officiel), parties « Concept de résistance » et « Choix des matériaux » : texte officiel sur éduscol.

Tu peux partager cette page librement, en citant ORBITECH AI Academy avec son lien.