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Quels outils pour faire le meilleur choix ? Quels outils pour faire le meilleur choix ? Critères de sélection des matériaux Jean Colombani 04 72 44 85 70 [email protected] Laurent Joly 04 72 43 26 11 [email protected] Vittoria Pischedda 04 72 43 10 18 [email protected] Michel Dequatremare [email protected]

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Quels outils pour faire le meilleur choix ?Quels outils pour faire le meilleur choix ?

Critères de sélection des matériaux

Jean Colombani04 72 44 85 70

[email protected]

Laurent Joly04 72 43 26 11

[email protected]

Vittoria Pischedda04 72 43 10 18

[email protected]

Michel [email protected]

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cm

µm

nm

m

pièce

composant

microstructure (grains/joint de grains)

arrangement atomique

liaison chimique

ǺFe Fe

oeil

microscopieoptique

microscopieélectronique

diffraction /champproche

Structure des matériaux

cours : « critères de sélection

des matériaux »

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Programme :

« Mettre en œuvre une démarche de sélection des matériaux en prenant en compte les exigences du bureau d’étude et du bureau des méthodes. »

La démarche de sélection inclut de :

1) définir un cahier des charges à partir des conditions d'utilisation de l’objet, y compris coût, dégradation, …

2) définir un ou des critères de choix à partir du cahier des charges : compromis nécessaires

3) choisir la matériau dans une base de donnée à partir de ce(s) critère(s)

Objectifs du cours

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Métaux : solides atomiques à liaison métallique cristallins denses, conducteurs, opaques, résistants, ductiles, …

Polymères : chaînes d’atomes liées par des liaisons faibles amorphes ou semi-cristallins légers, isolants, peu résistants, faible Tf, …

Céramiques : solides moléculaires à liaison covalente et/ou ionique amorphes ou cristallins plutôt légers, isolants, résistants, réfractaires, fragiles …

Composites : association de matériaux

Classes de matériaux

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Propriétés mécaniques :

Modules d’élasticité(Young E, Coulomb G, compression K) [GPa]

Coefficient de Poisson νννν = = = = −−−− εεεεt / εεεε [sans dim.]

Limite élastique Re(traction/compression) [MPa]

Résistance à la traction Rm

[MPa]

Dureté H [sans dim.]

Déformation après rupture εεεεR [sans dim.]

Ténacité KIc [MPa m1/2]

Limite d’endurance σσσσD [MPa]

Propriétés des matériaux

Nf

σ0

σD

σ

ε

Re

pente E

Rm

εR

σ0

σ0

essai de fissuration

rupture si K > KIc

fatigue : courbe de Wöhler

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Propriétés des matériaux

Propriétés physiques :

Propriétés thermiques : conductivité thermique λλλλ [W m-1 K-1]

capacité calorifique mass. (=chaleur spécifique) CP [J K-1 g-1]

température de fusion Tf [K]

coefficient de dilatation thermique αααα [K-1]

Propriétés électriques : conductivité électrique σσσσ [Ω-1 m-1]

permittivité diélectrique εεεε [F m-1]

Propriétés optiques : réflectivité R / transmittivité T [sans dim.]

densité optique [sans dim.]

couleur …

Propriétés magnétiques : perméabilité magnétique µµµµ [H m-1]

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Propriétés chimiques = réactivité – corrosion :

Oxydation : réaction avec l’oxygène de l’air, de l’eauseul 2 métaux inoxydables : or et platinecéramiques et polymères peu oxydables

Acides

Bases

Solvant : céramiques et métaux peu sensibles peuvent faire gonfler ou attaquer les polymères

Propriétés des matériaux

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Propriétés des matériaux

Autres propriétés intrinsèques :

Masse volumique [kg m-3]

Propriétés extrinsèques :

Prix

Impact environnemental

Disponibilité

etc.

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Démarche

1. Fonction de l’objet : à quoi sert-il ?Ex. : supporter une charge en compression, être étiré, transmettre le courant, …

2. Objectif : que faut-il optimiser ?Ex. : minimiser le prix, maximiser la résistance, minimiser le poids, …

3. Contraintes : négociables ou nonEx. : dimensions imposées, force appliquée, …

paramètres ajustablesconditions imposées (faible déformation, pas de rupture, bon conducteur, …)

4. Lois physiques régissant le problème :Ex. : élasticité loi de Hooke (σ = E ε)

propagation de fissure K ≤ Kcrésistance σ < Rm

5. Expression de l’objectif : fonction des paramètres fonctionnels (F), géométriques (G)et du matériau (M)( ) ( ) ( ) ( ) MGFfO =

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Fonctions

une barre supporte une charge en traction

une poutre supporte un moment de flexion

un arbre supporte un couple de torsion

une colonne supporte une charge en compression

Nom donné à certains composants du fait de leur fonctionquelle que soit leur géométrie

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Conception d’un pied de table cylindrique1) Fonction : soutenir un plateau ⇒ supporter une charge en compression

2) Objectif : minimiser la masse m

3) Contraintes :

paramètres fixés par le cahier des charges hauteur du pied h force de compression supportable F Condition imposée par la fonction

Faible déformation élastique déformation maximale ∆∆∆∆h paramètre ajustable

rayon du pied r

4) Relations physiques :

objectif = masse m m = ρ V = ρ h π r 2

condition imposée σ = E ε

Exemple de démarche

h

hE

r

F ∆=2π

masse volumique (kg m-3)volume

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Fonction objectif

h

hE

r

F ∆==2π

σhE

hFr

∆=

π2

1) isoler le paramètre ajustable

2) l’intégrer dans l’expression de l’objectif :

∆=

hE

hFhm

ππρ

hE

hFm

∆=

Fonction objectif :

(F) : Paramètre fonctionnel

(M) : Paramètres propres

au matériau

pas de paramètre ajustable !( ) ( )

∆=

Eh

hFm

ρ2

Fonction objectif : expression de l’objectif m sans paramètre ajustable r

(G) : Paramètres géométriques

2rhm πρ=

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Indice de performance

Rappel :

Objectif : minimiser la masse = minimiser (ρ / E)= maximiser (E / ρ)

L’indice de performance I = (E / ρ) est le paramètre àmaximiser pour obtenir la meilleure performance

Maximiser l’indice de performance c’est obtenir le meilleur compromis entre deux propriétés pour une fonction donnée

Ex. : maximiser (E / ρ) = obtenir un matériau à la fois léger et rigide

( ) ( ) ( ) ( ) ( )MGFOEh

hFm =⇔

∆= ρρρρ2

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Diagrammes d’Ashby

Principe : représenter une propriété en fonction de l’autre

Ex. : I = (E / ρ)

Représentation :

Chaque famille de matériau est représentée par un domaine

( ) ( ) ρloglog fE =

ordonnée abscisse

d’après M. Ashby

masse volumique

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Diagrammes d’Ashby

IEE

I ρρ

=⇔=

)log()log()log( IE += ρ

bxay +=

Équation de la droite de pente a = 1 et d’ordonnée à l’origine b = log(I)

Maximiser l’indice de performance

⇒⇒⇒⇒ monter la plus possible la droite

de pente 1 sur l’abaque

Meilleur matériau : diamant

Équation de la forme :

d’après M. Ashby

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Matériau pour une poutre de section carrée

4

3

4 aE

LF=δ

1. Fonction : supporter un plancher ⇒ travail en flexion

2. Objectif : minimiser le prix P

3. Contraintes : Paramètres fixés par le cahier des charges

Longueur de la poutre L Force en flexion appliquée F

Condition imposée Faible déformation élastique flèche δδδδ

Paramètre ajustable Côté de la poutre a

4. Relations physiques : Objectif : P = Cm m = Cm ρ V = Cm ρ L a 2

Élasticité en flexion :

Volume

Masse volumique

Prix massique (€/kg)

δδδδ

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Indice de performance

2alCP m ρ=

δE

lFa

4

32 =

4

3

4 aE

lF=δ

δρ

E

lFlCP m4

3

=

Fonction objectif ( )

=

E

ClFP m ρ

δ4

5

pas de paramètre ajustable !

Indice de performanceρmC

EI

2

1

=

Fonction objectif : Éliminer le paramètre ajustable a dans l’objectif P

(F) : Paramètre fonctionnel

(M) : Paramètres propres

au matériau

(G) : Paramètres géométriques

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Diagramme d’Ashby

ρmC

EI

2

1

=

)log()log()log( 2

1

ICE m += ρ

)log(22 Ixy +=

)log()log()log(2

1ICE m += ρ

Équation de la droite de pente 2 etd’ordonnée à l’origine 2 log(I)

Procédure :

d’après M. Ashby

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Autres diagrammes

Compromis :Masse volumique / Résistance

Compromis :Masse volumique / Ténacité

d’après M. Ashby

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Autres diagrammes

Compromis :Rigidité / Résistance

Compromis :Résistance / Ténacité

d’après M. Ashby

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Autres diagrammes

Compromis :Rigidité / ténacité

roche

poterie

verresilice

ciment/béton

plâtre

glace

diamant

seuil inférieur

mousses depolymères

composites

techniques

céramiques

techniques

céramiques

poreuses

ténacité /

module d’Youngalliages

techniques

bois

fissures perp.aux fibres

fissures parall..aux fibres

chênefrêne

pinsapin

stratifiés

chêne

pinfrêne

sapin

d’après M. Ashby

droite

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1) Définir la fonction de l’objet

2) Établir l’objectif

3) Identifier les contraintes :o Conditions imposées

o Paramètres fixes

o Paramètres ajustables

o Paramètres matériaux

4) Établir les relations physiques

5) Calculer la fonction objectif

6) En déduire l’indice de performance

7) Tracer la droite correspondante sur l’abaque et trouver le meilleur matériau

MéthodologieExemple : Une barre de section circulaire

( ) ( )

=Rm

lFmρ

ρRm

I =

2rlM πρ= Rmr

F ==2π

σet

supporter une charge en traction

minimiser la masse

éviter la rupture

longueur l ; charge maximale F

rayon r

pas de paramètre

ajustable

masse volumique ρρρρ ; résistance à la traction Rm