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Chapitre I Matriaux pour lingnieur:

1

Les matriaux peuvent tre classes suivant plusieurs critres: leurs proprits physiques, mcaniques, lectriques, optiques, magntiques ou leurs domaines dapplication.

Matriaux

Mtaux Polymres Cramiques Composites

Classification gnrale des matriaux

Toutes ces proprits sont en troite relation avec la microstructure des matriaux: la nature des lments (structure lectronique), le type de liaisons (nature et nergie de cohsion), le mode dempilement dans lespace (structure cristalline , dfauts, taille de grains)

2

Matriaux spcifiques chaque famille

Matriaux

mtaux Polymres Cramiques Composites

Matrice polymres (PRFV, PRFC)

Matrice mtallique (SiC-Al)

Alliages

ferreux non

ferreux

Elastomres Amorphes

Les alliages

daluminium de cuivre

de magnsium de titane

Thermoplastiques

Thermodurcissables

Les verres

mtalliques

Acrylique

Nylons

Polytylne PVC

Epoxydes

Phnoliques Polyimides

caoutchouc

Silicones

Polyurethanes

Les oxydes

Nitrures

Carbures

Les verres

Le graphite

Le diamant

Les aciers

ordinaires

Les aciers

inox

Les fontes

3

4

Proprits de base des matriaux

5

Proprits et comportement des

matriaux

Structure des matriaux

Proprits mcaniques

Proprits physiques et

chimiques

Procds de transformations des proprits

Nature des liaisons:

atomiques ,

covalentes ou

ioniques.

Structure cristalline,

amorphe,

partiellement

cristalline,

Rsistance la traction,

ductilit, duret tnacit, Rsistance la fatigue, au

fluage

Point de fusion ,

densit, Module dlasticit, coefficient

de dilatation

Capacit calorifique, Conductibilit thermique,

conductivit lectrique, proprits magntiques

Traitement thermique,

durcissement par

prcipitation, par addition, vieillissement,

par renforcement ou par

traitement superficiel.

Proprits de base et de mise en oeuvre

Ordres de grandeurs de proprits selon la famille de matriaux

Proprits Mtaux et

alliages

Cramiques Polymres

densit 8000

(2000-22000)

4000

(2000-18000)

1000

(900-2000)

Dilatation thermique a (K-1) 10-6 100.10-6 10-6 20.10-6 50.10-6 500.10-6

Capacit calorifique cp

[J/(kg.K)]

500

(100 1000)

1000

(500 1000)

1500

(1000 3000)

Conductivit thermique

k.[W/(m.K)]

100

(10 500)

1

(0,1 20)

1

(0,1 20)

Temprature de fusion ou de

transition vitreuseTm[K]

1000

(250 3700)

2000

(1000 4000)

400

(350 600)

Module dlasticit, module

de Young E (GPa)

200

(20 400)

200

(100 500)

1

(10-3 10)

Coefficient de poisson 0,3

(0,25 0,35)

0,25

(0,2 0,3)

0,4

(0,3 0,5)

Contrainte la rupture (MPa) 500

(100 3500)

100

(10 400)

50

(10 150)

Duret Moyenne Haute Basse

Usinabilit Bonne Trs mauvaise Trs mauvaise

Rsistance limpact Bonne Mauvaise Trs mauvaise

Rsistance au fluage Moyenne Excellente Trs mauvaise

Conductibilit lectrique Haute Trs faible Trs faible

Rsistance la corrosion Moyenne Excellente Bonne

Proprits de base et de mise en oeuvre: Quelques valeurs

6

14

Exemples : diamant E = 1000 GPa (liaison covalente) acier E = 200 GPa (liaison mtallique) polythylne E = 1 GPa (liaison faible)

Relation

Microstructure-Proprits

15

Microstructure

16

Type dlment (structure lectronique) -Liaison chimique (Energie de cohsion) Empilement des atomes (structure spatiale-nergie dempilement) -structure cristalline

-structure amorphe

-structure semi-cristalline

Structure de grains Chaine du polymre

LIAISON

PRIMAIRE

METALLIQUE IONIQUE COVALENTE

SECONDAIRE (van der waals)

Fluctuations introduite par le dipole:

molcule dipolaire (liaison hydrogne)

Microstructure: types de liaisons

Source : Fundamentals of Materials Science and Engineering; William D. Callister 17

Microstucture: types de liaisons

18

Energie et forces de cohsion

19

Energie de cohsion

Forces de liaison Energie de liaison

20

Energie de cohsion

Ordre de grandeurs

21

Liaisons: Effet sur les proprits des matriaux

22

Microstructure: Mode dempilement

Matriaux cristallins

Les atomes sont disposs dans un rseau priodique, cest le cas de :

Tous les mtaux;

Les cramiques;

Quelques polymres;

Les matriaux non cristallins (amorphes)

Ils ne prsentent pas dordre sur de longues distances atomiques

Les polymres amorphes;

Les verres mtalliques;

23


24

The body-centered cubic (bcc) crystal

structure: (a) hard-ball model; (b) unit

cell; and (c) single crystal with many

unit cells. Common bcc metals include

chromium, titanium, and tungsten.

The face-centered cubic (fcc) crystal

structure: (a) hard-ball model; (b) unit

cell; and (c) single crystal with many

unit cells. Common fcc metals include

aluminum, copper, gold and silver

The hexagonal close-packed (hcp) crystal

structure: (a) unit cell; and (b) single

crystal with many unit cells. Common hcp

metals include zinc, magnesium and

cobalt.

Sourc

e : M

anufa

ctu

ring P

rocesses fo

r Engin

eerin

g M

ate

rials

, 5th

ed. K

alp

akjia

n S

chm

id

Microstructure: mode dempilement

Matriaux mtalliques

25

Types de liaisons dans les Polymres

Polymer chains have a carboncarbon backbone with hydrogen or other side groups.

Cross-links bond the chains tightly together. The strong carboncarbon bonds are shown as solid red lines.

Source : Manufacturing Processes for Engineering Materials,5rd Edition., S. Kalpakjian and S. Schmid,

26

27


Amorphous and crystalline regions in a polymer. Note

that the crystalline region (crystallite) has an orderly

arrangement of molecules. The higher the crystallinity,

the harder, stiffer, and less ductile is the polymer.

Sourc

e : M

anufa

ctu

ring P

rocesses fo

r Engin

eerin

g M

ate

rials

,

5th

ed. K

alp

akjia

n S

chm

id

(c) Elastomers have occasional cross-

links between chains, but these are

far apart, allowing the chains between

them to stretch.

(d) Heavily cross-linked polymers like

epoxy inhibit chain sliding.

(a) Chains in polymers like polypropylene

form spaghetti-like tangles with no regular

repeating patternthat structure is amorphous or glassy. (b) Some polymers have the ability to form

regions in which the chains line up and

register, giving crystalline patches. The

sketch shows a partly crystalline polymer

structure.

Source : Materials Engineering, Science, Processing and Design; Michael Ashby, Hugh Shercliff and David Cebon

Polymres (amorphe ou ayant un certain taux de cristallinit)

Mode dempilement dans les polymres

28

Liaisons dans les cramiques

combinaison des liaisons ioniques et des liaisons covalentes (majorit covalentes ou majorit ioniques)

% de liaisons ionique augmente avec la diffrence dlectronegativit entre les cations (+) et les anions (-).

Ionic bonds

Occurs between + and ions

Requires electron transfer

Ceramic

compound

Bonding

atoms

Electroneg-

ativity

difference

% Ionic

character

MgO Mg-O 2.3 73

Al2O3 Al-O 2 63

SiO2 Si-O 1.7 51

Si3N4 Si-N4 1.2 30

SiC Si-C 0.7 11

Liaisons dans les cramiques

% de liaisons ioniques pour quelques matriaux cramiques

29

+

-

electron

Coulombic attraction

(Anion) (Cation)

mailles de qq cramiques

Microstructure des cramiques

A unit cell for the rock salt, or sodium chloride (NaCl), crystal structure

A unit cell for the cesium chloride (CsCl) crystal structure

Mate

rials

Scie

nce a

nd E

ngin

eerin

g A

n In

troductio

n; W

illiam

D. C

allis

ter

30

31

A unit cell for the perovskite crystal structure

A unit cell for the fluorite crystal structure

A unit cell for the zinc blende (ZnS) crystal structure.

Microstructure des cramiques

mailles de qq cramiques

Mate

rials

Scie

nce a

nd E

ngin

eerin

g A

n In

troductio

n; W

illiam

D. C

allis

ter

Island, chain and ring structures of silicates

Each oxygen of silicate tetrahedron

has one electron available for

bonding

Produced when positive ions bond

with oxygens of the SiO44-

Mode dempilement dans les cramiques

Sheet structures of silicates:Si2O5

2-

Three corners in the same plane of

silicate tetrahedron are bonded to

the corners of three other silicate

tetrahedra.

Able to bond with other type of

structural sheets

Exemple:

Si2O52-+Al2(OH)4

2+ Al2(OH)4Si2O5

Silicate chaine structure. 2 of the 4 oxygen

atoms of the SiO44- tetrahedra are bonded to

other tetrahedra to form silicate chains

32

Structure des silicates

Matrice : Thermodurcissables les plus utiliss (bonnes

proprits mcaniques)

Thermoplastiques bonne aptitude la mise en forme, recyclables

Thermostables rsistants des tempratures leves

Renforcement : Diffrentes formes: des fibres, de particules, des

tissus et des tresses

Diffrents matriaux: mtalliques, cramiques et organiques

Microstructure des composites

33

Les composites sont caractriss par le type de matrice

Organique (OMC)

Ceramic Matrix Composites (CMC)

Metal Matrix Composites (MMC)

Nature et gomtrie du renforcement

particles

Textile : fabric and braid

Microstructure: Empilements dans les composites

34

35

Fabric Braid

Microstructure: Empilement dans les composites

Microstructure: Empilement dans les composites

Composites are made by embedding fibers or particles in a continuous

matrix of a polymer (polymer matrix composites, PMC), a metal (MMC) or

a ceramic (CMC)

Source : Materials Engineering, Science, Processing and Design; Michael Ashby, Hugh Shercliff and David Cebon

Schematic illustration of types of reinforcing composite. (a) Matrix with particles;

(b) matrix with short or long fibers or flakes; (c) continuous fibers; and (d) and (e)

laminate or sandwich composite structures using a foam or honeycomb core

36

A bar chart of modulus. It reveals the difference in stiffness between the families

Source: Materials Engineering, Science, Processing and Design; Michael Ashby, Hugh Shercliff and David Cebon

Proprits des matriaux Modulus, E

37

Proprits des matriaux

Bar-chart of data for yield strength, y

So

urc

e : E

ng

ineerin

g M

ate

rials

1; A

n ln

trod

uctio

n to

their P

rop

ertie

s a

nd

Ap

plic

atio

ns

Mic

ha

el F

. Ash

by a

nd

Dav

id R

. H. J

on

es

Limite dlasticit

38


Tensile strength: values for various metals, ceramics, polymers, and composite

materials, at room temperature

Mate

rials

Scie

nce a

nd E

ngin

eerin

g A

n In

troductio

n; W

illiam

D. C

allis

ter

Tensile strength

39


Resistance to fracture (i.e., fracture toughness) for various metals, ceramics, polymers,

and composite materials at room-temperature

Mate

rials

Scie

nce a

nd E

ngin

eerin

g A

n In

troductio

n; W

illiam

D. C

allis

ter

Rsistance la rupture T

nacit

40

Proprits des matriaux S

ou

rce : E

ng

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g M

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. H. J

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es

Energie de formation des oxydes 273 K (kJmol-1 doxygne )

Rsistance la corrosion

41

Coefficient de friction de matriaux varis.

Proprits des matriaux S

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rce : E

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es

Coefficient de friction

42

Melting points of ceramics, metals and polymers Source: Materials Engineering, Science, Processing and Design; Michael Ashby, Hugh Shercliff and David Cebon

Proprits des matriaux Melting points

43


Bar-chart of roomtemperature electrical conductivity ranges for metals, ceramics,

polymers, and semiconducting materials

Mate

rials

Scie

nce a

nd E

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troductio

n; W

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D. C

allis

ter

Electrical conductivity

44

Metals

Polymers

Ceramics

Composites

Relation Microstructure-Proprits

45

Proprits gnrales des diffrentes classes des matriaux pour lingnieur

Comparaison des proprits (carte dAshby)

46

Comparaison des proprits (carte dAshby)

47

Comparison of Al and steel

Construction and equipment

Containers and packaging

Automotives

Aerospace

Domaine dusage de laluminium

48

Classification fonctionnelle suivant le domaine

dusage

49

Figure2.1: The menu of engineering

materials. The basic families of metals,

ceramics, glasses, polymers and

elastomers can be combined in various

geometries to create hybrids.

Figure2.2: Examples of each material family. The

arrangement follows the general pattern of Figure

2.1. The central hybrid here is a sandwich

structure made by combining stiff, strong face

sheets of aluminum with a low-density core of

balsa wood.

Domaine dusage des matriaux selon les proprits dusage et de mise en oeuvre

50

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