cours sciences des matériaux 2010 2011
DESCRIPTION
Cours de Sciences des MatreriauxTRANSCRIPT
Enseignant:
Ali KHALFALLAH
Bureau: N18Email: [email protected]: www.issatso.rnu.tn
Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse2010-2011
Cours
1ere A. LMD- EM21h C & 10,5h TD
Plan du Cours I- Introduction aux matériaux1. Introduction2. Les classes des matériaux3. Propriétés des matériaux4. Utilisation des matériaux
II- Structure des Matériaux1. Structure de l’atome2. La liaison Chimique3. Forces de cohésion interne
III- Structure des Matériaux Solides1. État physique des matériau2. Arrangement des atomes dans les solides3. Description de l’état cristallin4. Détermination de la structure cristalline5. Structure des principaux matériaux
Plan du Cours IV- Alliage et diagrammes de
phase1. Introduction2. Les classes des matériaux3. Propriétés des matériaux4. Utilisation des matériaux
II- Structure des Matériaux1. Structure de l’atome2. La liaison Chimique3. Forces de cohésion interne
III- Structure des Matériaux Solides1. Structure des Métaux2. Détermination de la structure cristalline3. Structure des principaux matériaux
Plan du Cours Bibliographie :1)* Titre : Matériaux (Microstructure et mise en œuvre)* Auteur: Michael Ashby –David R.H. Jones* Référence Bib de l’Issat : 62.0372)• Titre : Matériaux (Propriétés et applications)• Auteur: Michael Ashby –David R.H. Jones • Réf. À la BIB de l’Issat : 62.036
Chapitre 1Introduction aux matériaux
Introduction aux matériaux 1. Introduction
Outils de l’age de la pierre
Les Matériaux défini le niveau de développement de notre civilisation
La conquête de l’espace
Mongonneau
Introduction aux matériaux
Outils de l’age du bronze
Introduction aux matériaux
L’utilisation des matériaux dépend aussi :- Disponibilité - Coût - Méthodes de synthèse et de fabrication
• Les Matériaux défini le niveau de développement de notre civilisation• Les Matériaux ont un rôle important dans tous les développements technologiques.• L’ingénieur doit savoir et tenir compte des différents propriétés des matériaux pour concevoir et fabriquer de nouveaux produits
Les propriétés des matériaux sont liées à:
- Nature des liaisons chimiques - Arrangement structural - Microstructure
Introduction aux matériaux 2. C’est quoi un matériau ?
• Matière est constituée par une particule élémentaire :
atomeMolécule
Ou
Les matériaux jouent un rôle indispensable dans le développement de la civilisation humaine
Introduction aux matériaux 2. C’est quoi un matériau ?
Dans ce cours nous définissons les matériaux comme les solides utilisés pour la fabrication des objets utiles dans notre vie
Introduction aux matériaux 2. C’est quoi un matériau ?
Ingénierie: Les métaux sont rarement utilisés à l’état pur, car leur résistance mécanique peut être améliorée en leur ajoutant d’autres éléments (alliages métalliques (Acier=Fe-C))
Introduction aux matériaux 3. Les classes de Matériaux
• Les matériaux sont classés suivants leurs composition et leurs propriétés
•Les métaux et leurs alliages
Les matériaux Composites
* Un matériau composite est obtenu par la combinaison de deux ou plusieurs matériaux appartenant aux trois premières classes
* Un matériau composite associe les propriétésspécifiques de ces constituants
• Les polymères et les matières plastiques
•Les céramiques et le verres
Introduction aux matériaux 4. Propriétés des matériaux
Il est admit que la réalisation de nouveaux objets est limitée par les propriétés des matériaux utilisés et leur disponibilité.
Donc, tout progrès technologique est souvent lié au développement de matériaux ayant des propriétés améliorées ou nouvelles.
• Les propriétés mécaniques qui reflètent le comportement des matériaux lorsqu’ils sont sollicités par des efforts extérieurs
Les matériaux possèdent trois catégories de propriétés:
• Les propriétés physiques qui représentent le comportement des matériaux sous l’action de la température, des champs électriques ou magnétiques ou de la lumière.
• Les propriétés chimiques qui caractérisent le comportement des matériaux dans un environnement réactif.
Introduction aux matériaux 4. Propriétés des matériaux
-Métaux et alliages
• Ils sont solides à la température ambiante.
• Ils sont relativement dense.
• Ils sont généralement de très bon conducteurs de le l’électricité
• Ils sont généralement de très bon conducteurs de la chaleur.
• Ils sont souvent durs, rigides et déformables plastiquement.
• Leurs températures de fusion sont généralement élevées.
Introduction aux matériaux 4. Propriétés des matériaux
* Leurs températures de fusion sont très faible comparées à celles des métaux.
-Polymères et matières plastiques
* Ils sont des matériaux organiques (C,H,O,N,P,S) constitués par des chaînes moléculaire très longues d’atomes de C sur lesquels sont fixés des groupements d’atomes comportant de H, Cl, S, N …
* Isolants électriques
* Isolants thermiques.
* Faible densité
* Facilement déformables
Introduction aux matériaux 4. Propriétés des matériaux
* La plupart des céramiques sont en général des isolants électriques et thermiques.
-Céramiques et verres* Les céramiques sont des matériaux où leur structure atomique est la combinaison d’éléments métalliques (Si, Al, Ti, …) et non métalliques dont le plus souvent est l’oxygène.
* Généralement les céramiques sont des oxydes (silice SiO2, l’alumine Al2O3, …) .
* Les céramiques sont des matériaux réfractaires (résistance thermique élevée).
* Ils sont généralement des matériaux très durs (abrasifs)
* Ils sont très fragiles (cassant au choc), ce qui limite leur emploi pour des applications où les chocs mécaniques et thermiques sont élevés.
Introduction aux matériaux 4. Utilisation des matériaux
Il est important de bien choisir les matériaux les mieux adaptés pour une application donnée. Ce choix doit être basé sur plusieurs facteurs :
* Propriétés et caractéristiques des matériaux
* Fonctions principales des objets et leurs types de sollicitations
* Facilité de la fabrication et de la transformation des matériaux
* Comportement du matériaux envers l’environnement
* Le prix de revient
Introduction aux matériaux 4. Utilisation des matériaux
Exemple d’utilisation des matériaux céramiques
Les contraintes thermiques subies par la navette durant la rentrée atmosphérique : en blanc les parties les plus chaudes
1260°C
Introduction aux matériaux 4. Utilisation des matériaux
Exemple d’utilisation des matériaux céramiques
1260°CTuiles en céramiques
Introduction aux matériaux 4. Utilisation des matériaux
•La ville -bâtiment -monument historique - école - mobilier urbain - passage•L'habitat -Logement -Sanitaire- chauffage•Les infrastructures -chemin de fer - autoroute route -enrochement -Assainissement
•Les moyens de communication -ordinateur -téléphone -Route•Les loisirs -jardin - monument historique - journaux-livres -Feux d'artifices• L'automobile -automobile -plaquette de frein -autoroute -Pneu• Le luxe -bijouterie
les différents domaines d'utilisation des matières premières minérales
Au cours d'une vie de 70ans, un européen consomme:- 561 tonnes de sables et graviers- 109 tonnes de pétrole- 14 tonnes de fer- 13 tonnes de sel- 12 tonnes d'argiles réfractaires- 1,6 t d'aluminium- 680 kg de cuivre- 360 kg de plomb- 343 kg de zinc
Introduction aux matériaux 5. Données économiques
Productions mondiales en 2002
Métaux et alliages1 milliard T/an
90% acier
POLYMERES100 Millions T/an
http://www.mineralinfo.org/
CERAMIQUESBéton: 15 Milliards T/an
2,5 T/habitantCiment: 1,5 Millard T/an
Évolution de la production mondiale d'acier, en millions de
tonnes
Évolution de la production mondiale de quelques métaux, en millions de tonnes
Al
Cu
Zn
Introduction aux matériaux 5. Données économiques
Prix au kg
POLYMERES
Polyéthylène = 0,5 US$/Kg
CERAMIQUES
Béton= 0,03 US$/kg
Métaux et alliages
Acier = 0,7 US$/kgAl = 2 US$/Kg
Introduction aux matériaux 6. Ressources
Abondance moyenne des éléments dans la croûte (% mass.)
OO SiSi AlAl FeFe CaCa NaNa KK MgMg TiTi CC
47,47,33
29,29,11
8,18,1 4,64,6 3,33,3 2,52,5 3,33,3 1,71,7 0,40,4 0,00,022
ÉlémentÉlément AgAg AuAu CuCu ZnZn PbPb NiNi FeFe AlAlDate
D’épuisement
20220211
20220255
20320399
20220255
20320300
20420488
20820877
21321399
Source: http://terresacree.org/ressources.htm
Réserves Minières
Questions ?
Chapitre 2Structure des matériaux
Structure des matériaux
Atome
1. Structure de l’atome
* Constituants de l’atome:
-Un noyau
- Électrons (-)
• Protons (+)
• neutrons (0)
* Les protons et les neutrons sont les nucléons :ils ont pratiquement la masse de l’atome* La masse du proton = 2000 x la masse de l’éléectron* La charge de l’électron (charge élémentaire) = 1,6.10-19 C
•Dans l’atome le nombre de protons = aux nombre d’électrons
Une mole = Nombre d’Avogadro d’atomes = 6,023.1023
Une mole de proton a une masse de 1 gramme
La charge électrique de l’atomeest neutre
• L’atome est la particule élémentaire qui porte les propriétés de la matière
Structure des matériaux
2. La liaison chimique
Les atomes s’unis pour former des entités plus stables appelés molécules
La liaison chimique est le résultat de l’union des couches électroniques externes des atomes qui constitue la molécule.
La liaison chimique est un concept qui permet d’expliquer la cohésion de la matière et par la suite une influence sur les propriétés des matériaux.* La liaison ionique
* La liaison covalente
* La liaison métallique
* La liaison secondaire
Il existe quatre types de liaison :
Structure des matériaux
2. La liaison chimique
2.1 Liaison ionique
Structure des matériaux
2. La liaison chimique
2.2 Liaison Covalente
Un doublet d’électrons appartient désormais en commun aux deux atomes. un ou plusieurs doublets sont partagé. Le terme exact est liaison covalente
Exemple : La liaison covalente de la molécule d’H2
Structure des matériaux
2. La liaison chimique
2.3 Liaison métallique
•Dans les métaux les électrons de valencesont très peu nombreux.
* Les élec. De val. Sont très peu liés au noyau(électrons libres) =délocalisés et répartis dans l’ensemble du métal
Formation d’une structure d’ions positifs noyésDans un gaz d’électrons
Ce type de liaison favorise la création de structureCristallines simple de grandes symétrie et très compactes
Structure des matériaux
2. La liaison chimique
2.4 Liaison secondaire
* Les liaisons secondaires sont des liaisons faibles
•Les liaisons faibles résultent surtout d’interactions électrostatiques entre dipôles électriques
•Les liaisons secondaires ont une influence déterminante sur les propriétés physiques et mécaniques des polymères organiques
Structure des matériaux
2. La liaison chimiqueLiaison hydrogène
Structure des matériaux
2. La liaison chimique2.5 Conséquence des différentes liaisons
Structure des matériaux
3. La force de cohésion
2.5 Forces et énergie de liaison
Structure des matériaux
3. La force de cohésion
Attraction:
Structure des matériaux
2. La liaison chimiqueRépulsion
Structure des matériaux
2. La liaison chimiqueBilan des forces
F=dU/dr
Force de liaison=La dérivée de l’énergie
Structure des matériaux
2. La liaison chimique
Structure des matériaux
• La raideur S0 de la liaison au voisinagede la position d’équilibre r=r0 est:
0
2
2
00
rrrr dr
Ud
dr
dFS
• La force de liaison est alors au voisinage de l’équilibre
)( 00 rrSF
La raideur S0 est la façon dont les atomes sont groupés dans les solides, permettent de comprendre le module d’élasticité des matériaux.
Le module d’élasticité ou d’Young : E0
0
r
SE
Structure des matériaux
Type deType de
liaisonliaisonMatériauMatériau
Énergie de Énergie de liaisonliaison
(kJ/mol)(kJ/mol)
Point de Point de fusionfusion
(°C)(°C)
Module Module d’Youngd’Young
E(GPa)E(GPa)
IoniqueIoniqueNaClNaCl
MgOMgO640640
10001000801801
2800280032,732,7
210210
CovalenCovalentete
SiSi
C(C(diamantdiamant))450450
71371314101410
40274027112112
11001100
MétalliqMétalliqueue
AlAl
FeFe
WW
324324
406406
849849
660660
15381538
34103410
6969
210210
400400
Van der Van der WaalsWaals
PolyéthylèPolyéthylènene
PVCPVC
0,10,1 115115
1301300,20,2
2,42,4
Énergie de liaison et température de fusion de divers matériaux
Questions ?
Chapitre 3Structure des matériaux
SOLIDES
Structure des matériaux Solides
1. Cristal
Un cristal parfait est caractérisé par un arrangement régulier et périodique des atomes dans l’espace.
Les matériaux métallique ont une structure polycristalline, formée d’uned'une multitude de petits cristaux (grains) de taille et d'orientation variées et séparés par des joints de grains.Chaque grain constitue un monocristal.
Les matériaux cristallisent sous une forme monocristalline ou polycristalline
Un polycristal d’acier
I- Structure des solides cristallins
Structure des matériaux Solides
2. Description de l’état cristallin2.1 Structure cristalline
Généralement, l’arrangement des atomes (ou structure) dans les solides cristallins est décrit par:
• un réseau cristallin défini par un ensemble de nœuds,
• un motif élémentaire, qui constitue l’élément de base dont la répétition suivantLe réseau engendre le cristal.
La structure cristalline est engendrée par translation dans l’espace du motif qui Vient occuper les nœuds du réseau spatial.
Structure des matériaux Solides
Le cristal est engendré par la juxtaposition des mailles parallélépipédiquesIdentiques de côtés a,b et c.
La maille contient le motif d’atomes qui se répète.
La maille élémentaire est le parallélépipède défini par les trois vecteurs primitifs a, b et c appelés également paramètres du réseau ou paramètres de la maille.
Notons que les angles entre les vecteurs a, b et c peuvent être quelconques. La position d'un nœud quelconque du réseau est donnée par le vecteur r = ua + vb + wc (avec u, v et w nombres entiers) qui représente également une translation du réseau.
Structure des matériaux Solides
2.2 Réseaux et systèmes cristallins
Tous les réseaux cristallins peuvent être décrits à partir de 7 mailles élémentaires qui définissent 7 systèmes cristallins. Selon que la maille élémentaire est simple ou multiple, et à partir de ces 7 systèmes cristallins, on définit les 14 réseaux de Bravais.
Structure des matériaux Solides
Structure des matériaux Solides
Historique
Auguste Bravais (1811 - 1863),fut un physicien français, réputé notamment pour ses travaux en cristallographie spécialement: les réseaux de BravaisEn 1848,Auguste Bravais rend une étude purement mathématique sur la classification des cristaux. Il décrit l'ensemble des structures possédant des symétries d'orientation compatibles avec la triple périodicité des cristaux dans les trois directions de l'espace. Il trouve ainsi 32 classes de symétrie réparties en 14 types de réseaux (réseaux de Bravais) que l'on peut regrouper en 7 systèmes définissant la forme de la maille élémentaire
Auguste Bravais (1811 - 1863)
Structure des matériaux Solides
2.3 Directions et plans cristallographiques
Directions cristallographiques
On appelle direction cristallographique (ou rangée réticulaire ) toute droite passant par deux nœuds du réseau.
Les nœuds sont repérés par leurs coordonnées dans le système défini par les vecteurs primitifs a, b et c, comme cela est décrit sur le schéma suivant.
Structure des matériaux Solides
Si l'un des nœuds correspond à l'origine du réseau, on peut désigner la rangée par les coordonnées u, v et w du nœud le plus proche de l'origine appartenant à la droite.
Ces rangées sont notées [u,v,w] et l'ensemble des rangées se déduisant les unes des autres par des opérations de symétrie constitue une famille de rangée et se note <u,v,w>.
http://nte.enstimac.fr/SciMat/co/SM_uc1-4-2.html
Directions cristallographiques
Structure des matériaux Solides
Plans cristallographiques
Pour indexer les plans réticulaires, on utilise les indices de Miller
On appelle un plan cristallographique ou plan réticulaire est tout plan passant par trois nœuds du réseau.
Dans un cristal qui a pour maille a,b et c, considérons un plan réticulaire quelconque
Le plan coupe les axes de référence de la maille en trois points (X,Y,Z) dont les coordonnées sont respectivement égales à Xa, Yb, et Zc.Les indices de Miller h,k et l s’obtiennent en prenant les inverse de X, Y et Z et en les multipliant par n (entier) de manière à ce que h, k et l soient entiers et le plus petit possible :
Le plan réticulaire est noté : (h,k,l)Les indices de Miller sont identique pour une famille de plans parallèles
Z
nl
Y
nk
X
nh ; ;
Structure des matériaux Solides
Les plans d'une famille (h,k,l) sont équidistants. Cette équidistance ou distance interéticulaire notée dhkl. Pour le système cubique, on démontre que (a paramètre de maille) :
222 lkh
adhkl
Structure des matériaux Solides
2.4 Structure compacte des métaux
Les atomes des métaux adoptent l’arrangement le plus symétrique et compacte
La plupart des métaux purs cristallisent dans le système cubique ; par exemple CFC (cubique à faces centrées) pour Cu, Ag, Al, Au, Ni, Pt, Pb, Feγ ; CC (cubique centré) pour Feα, Mn, Cr, V, Mo, Ta, Tiβ ; mais aussi dans le système hexagonal (hexagonal compact HC); par exemple Tiα, Mg, Zr, Cd, Zn, Be.
Structure cristalline du carbone: (a) diamant: CFC. (b) graphite (HC)
Structure des matériaux Solides
Structure cubique à faces centrées (CFC)(Cu, Ag, Al, Au, Ni, Pt, Pb, Feγ )
La structure CFC est constituée de 4 atomes par maille, six sur les faces du cubes appartenant chacun à deux mailles et huit aux sommets du cube appartenant à huit mailles chacun.
4138
18
2
16
On assimile les atomes à des sphères dures
Structure des matériaux Solides
Calcul du paramètre de maille et compacité
24 aR 4
2aR
Ra CFC 22)(
Densité
Compacité
3aN
Mn
74,06
23
44
3
3
a
R
V
VC
maille
matière
n= 4 atomes /maille
Structure des matériaux Solides
Structure Hexagonal Compact (HC)(Tiα, Mg, Zr, Cd, Zn, Be.)
La structure HC est définie par un motif élémentaire de deux atomes, l'un à l'origine et l'autre en (2/3,1/3,1/2). Elle est constituée de six atomes par maille, * trois à l'intérieur de l'hexagone, * deux sur les bases communs chacun à deux mailles et * douze sur les sommets communs chacun à six mailles
Compacité33
2
c
aC
633,1
a
cet 742,0C
Structure des matériaux Solides
Structure cubique centrés (CC)(Feα, Mn, Cr, V, Mo, Ta, Tiβ)
Les atomes se touchentsur la diagonale du cube
34 aR 4
3aR
Racc 3
34Compacité n=2 atomes/maille
68,08
33
42
3
3
a
R
V
VC
maille
matière
Structure des matériaux Solides
Les sites interstitiels
Dans les réseaux cristallins, les espaces vides situés entre les atomes sphériques constituent les sites interstitiels. Dans certains alliages, ces sites servent de logement pour des atomes de petit diamètre. Il existe deux types de sites interstitiels :• a) a) les sites octaédriquesles sites octaédriques : :sont formés par six sphères disposées suivant les sommets d’un octaèdre. b) b) les sites tétraédriquesles sites tétraédriques : : sont formés par empilement compact de quatre sphères dont les centres constituent les sommets d’un tétraèdre
C.F.CC.F.C C.CC.C
Structure des matériaux Solides
Position, nombre et rayons des sites interstitiels
C.F.CC.F.CLa maille élémentaire CFC comporte un site octaédriquesite octaédrique au centre de la maille, donc interne à la maille (compte pour 1). Elle comporte aussi un site au centre de chaque arête, partagé par 4 mailles, ce qui fait au total 12 x 1/4 = 3 sites. La maille élémentaire cfc comporte donc 4 sites octaédriques par maille.
Situés dans le tétraèdre formé par un atome de coin et les 3 atomes centraux des faces se coupant à ce même coin. Chaque coin est lié à un site tétraédrique, qui sont tous internes à la maille, ce qui fait 8 sites tétraédriques.
2
aRR oc
4
2aR et a
aRoc 146,0
2
21
2
4
3aRR T et
4
2aR 23
4aRT
Structure des matériaux Solides
C.C
sites octaédriques • centre des faces : 6 faces conjointes à 2 mailles : 6/2 = 3 sites par maille • milieu des arêtes : 12 arêtes conjointes à 4 maille : 12/4 = 3 sites par maille
Soit au total 6 sites octaédriques par maille
sites tétraédriques Situés aux 1/4 et 3/4 des médiatrices des arêtes : 4 sites par face conjointe à 2 mailles : 6 × 4/2 = 12 sites par mailleSoit au total 12 sites tétraédriques par maille
Structure des matériaux Solides
II- Structure des solides non cristallins (amorphes)
Les solides non cristallins se caractérisent par l’absence d’un arrangement régulier(les solides amorphes)
Représentation schématique bi-dimensionnelle de la silice (SiO2) cristalline
Représentation schématique bi-dimensionnelle de la silice (SiO2) vitreuse ou amorphe
Questions ?
Propriétés mécaniques des métaux
Chapitre 4Propriétés mécaniques des
métaux
Structure des matériaux Solides
Pourquoi étudier les propriétés mécaniques des métaux ?
Comprendre comment se mesurent les divers propriétés mécaniques et ce que celles-ci représentent.
Connaître les propriétés (résistance, dureté, ductilité,..) pour savoir la limite de leur utilisation (pas trop déformé, pas de rupture)
Structure des matériaux Solides
Structure des matériaux Solides
Diagramme de phase