Post on 19-Jun-2020
75
Partie «Matériaux et leur sélection
(1) Architectures atomiques
(2) Les liaisons interatomiques
(3) L’état cristallin et l’état amorphe
(4) La production d’aciers
(5) La production des verres plats
(6) La sélection des matériaux
76
Un petit peu d’histoire
77
Un petit peu d’histoire
78
Ce que nous fournit M
ère Nature
Introduction
9 éléments = 99.4% de la croûte
terrestre
recyclage
79
Evolutionexponentielle de la
production
Pour une croissance exponentielle, la quantité
est
doublée toute les (70/r) années.
80
Evolutionexponentielle de la
production
81
Evolutionde la population du globe
Croissance bien plus rapide qu’une
«exponentielle»
82
Coûts m
atières premières
6-9 108
8 106
6 105
5-12 104
5-7 104
8 104
4000-8000
4500
1.5 104
2000-4500
3000
1400
1000-2000
700-1000
1000
450
200
100
Diamant
Or
Argent
CFRP
Co carbures de W
Alliages de Ni
Nylon 66
Polycarbonate
Alumine
GFRP
Acier inox
Aluminium (lingots)
Verre
polypropylène
PolyethylèneHD
Acier doux
Béton
Charbon
Prix (US$/tonne)
Matériau
6-9 108
8 106
6 105
5-12 104
5-7 104
8 104
4000-8000
4500
1.5 104
2000-4500
3000
1400
1000-2000
700-1000
1000
450
200
100
Diamant
Or
Argent
CFRP
Co carbures de W
Alliages de Ni
Nylon 66
Polycarbonate
Alumine
GFRP
Acier inox
Aluminium (lingots)
Verre
polypropylène
PolyethylèneHD
Acier doux
Béton
Charbon
Prix (US$/tonne)
Matériau
Introduction
83
Coût après mise en form
e
Introduction
84
Importance du conso
mmateur
Valeur d’échange: ce que le conso
mmateur est
prêt àpayer pour la perform
ance…
Ex: gain de m
asse d’un vélo, d’un VTT, d’une
paire de skis…
Introduction
85
Partie «Matériaux et leur sélection
(1) Architectures atomiques
(2) Les liaisons interatomiques
(3) L’état cristallin et l’état amorphe
(4) La production d’aciers
(5) La production des verres plats
(6) La sélection des matériaux
86
Pqs’intéresser àla production
d’aciers et de verres?
! Echellelogarithmique!
87
IV. Fer, fontes et aciers: sidérurgie
Princi
pe g
énéra
l :
–R
éduct
ion d
u m
inera
i de f
er
pa
r lecoke
dans
un haut fourneau�fonte
–A
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Min
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u
coke
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Air c
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T=
800
-1000
°C
Laiti
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liquid
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Gaz:
CO
, N
2,
CO
2,
,H2O
, …
fonte
Fusi
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Élé
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on
Sch
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l
Production d’aciers: schéma de principe
88
Le Haut-Fourneau
89
Les
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s d
’acc
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elq
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rodu
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e b
ase
de
l’in
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rie: m
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Matières premières ferreuses:
1.
Min
era
is:
-l’h
ém
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e:
Fe
2O
3
-la
magnétit
e:
Fe
3O
4,
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(II)
et
de
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(III
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: F
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3.3
H2O
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: F
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O3
Teneur
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Fe
vari
ant
de
30 à
60 %
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Les
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um
…
2.
Fe
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-récu
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Le haut-fourneau
On
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coke
, des
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ons
dont
le
fondant
(dont
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épend d
e la
gangue).
Le Haut-Fourneau
90
Le Haut-Fourneau: Réactions en jeu
En
th
éo
rie
:
Le
co
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ct e
ntr
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ma
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via
l’in
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O:
23
34
2
34
2
2
32 3
FeO
CO
FeO
CO
FeO
CO
FeO
CO
FeO
CO
Fe
CO
+→
+
+→
+
++
�
23
2
34
2
33
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()
2(
)(
)2
2(
)2
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3(
)2
()
FeO
sCs
Fel
CO
g
FeO
sCs
Fel
CO
g
+→
+
+→
+
Rôle du coke:
-Le
ca
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bu
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+1
/2 O
2C
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trè
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>1
05
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utie
n d
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ch
arg
e
A la sortie du haut-fourneau, on récolte de la fonte
(concentration en C>2%) contenant trop d’impuretés pour
applications directes.
91
Les
voie
s d
’acc
ès
àqu
elq
ue
s p
rodu
its d
e b
ase
de
l’in
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rie: m
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Le convertisseur
Pass
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fonte
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Princi
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, S
i, S
, P
sous
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e d
e g
az
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cories.
On
pass
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e 1
300°C
(fo
nte
liqui
de)
à1600°C
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liquid
e),
l’é
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fourn
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réact
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2
22
22
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2
1 2 52
2 1 2
CO
CO
SiO
SiO
PO
PO
Mn
OMnO
+→
+→
+→
+→
∆H
0(k
J/m
ol) =
-110,3
5
∆H
0(k
J/m
ol) =
-858,5
7
∆H
0(k
J/m
ol) =
-3009,6
0
∆H
0(k
J/m
ol) =
-520,4
1
L’o
xygène
peut
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-direct
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-Seule
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, L
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hora
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Oxydation sélective dans le convertisseur
92
Les
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Typ
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BM
Typ
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O2
Fonte
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O2
Fonte
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scories
Fonte
�aci
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scories
O2
Fonte
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scories
O2
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ajo
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seu
r (jusq
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25%
en
mass
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Cela
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Refusiondes mitrailles
Éco
nom
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haux.
Act
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des
fours
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: l’é
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Aju
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on d
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iffé
rents
méta
ux
sous
form
e d
’alli
ages
.
Oxydation sélective dans le convertisseur
93
Et après?
94
Mise en form
e par laminage à
chaud
Introduction
Le principe
Four de
réchauffage:1280°C
Dégrossisseur
réversible
T>1050°C
finisseur
Refroidissement
contrôléet
bobinage
95
Mise en œ
uvre par laminage à
chaud
Introduction
La réalité
industrielle
Longueur: plusieurs centaines de m
ètres.
Puissance des cages cumulée: plus de 100 000 kW
(puissance du QueenMary 2)
Consommation électrique équivalente àcelle de la ville de Lyon(hors industries)
Production annuelle: plus de 5 m
illions de tonnes
Longueur de la tôle: jusqu’à3 Km.
http://www.arcelorm
editerranee.com/phototheque/fos/default.htm
96
Partie «Matériaux et leur sélection
(1) Architectures atomiques
(2) Les liaisons interatomiques
(3) L’état cristallin et l’état amorphe
(4) La production d’aciers
(5) La production des verres plats
(6) La sélection des matériaux
97
What is Glass?
Raw glass
Remerciements: Pierre Carleer,
AGC-FlatGlass
98
Raw glass –Whatisglass?
•Definition
–The glass isan amorphousmaterial
•ASTM-C162 (1983)
–"Glass -an inorganicproductof fusion thathas cooledto a
rigidcondition withoutcrystallization"
•Non crystalinematerial, m
olecularcharacterhas no order
•Physico-chemicalpoint of view: frozenundercooledliquid
•Calcium: Ca2+
•Sodium: Na+
•Oxygen: O2-
•Silicon: Si4+
99
Rawglass –Whatisglass?
•Definition
–The glass isan amorphousmaterial
•The transition liquidstate -undercooled: liquidustemperature
calledT0 ~1000°C
•The transition undercooledstate -frozenstate: Tg temperature
~550°C
100
Rawglass –Whatisglass?
•Definition
–The flat glass isa soda lime silicate
•Typicalcomposition indeedcontents
Siliconoxide
Sodium oxide
Calcium oxide
…
Clear glass
SiO2
71,8%
Al2O3
0,8%
Na2O
14,0%
K2O
0,3%
CaO
8,8%
MgO
4,0%
Fe2O3
0,1%
SO3
0,20%
Colored glass
Fe2O3
0,3% to 1,6%
Co
0 to 200 ppm
Se
0 to 40 ppm
Cr2O3
0 to 500 ppm
V2O5
0 to 500 ppm
+TiO2, CeO2, NiO,...
101
How to m
ake glass ?
Raw glass
102
•Outline
–Rawmaterials
•Sources and analyses
•Specifications
–Batch
•Elaboration and preparation
–Glass production: floatfurnace
•Raw m
aterialscharging
•Tank
•Tin bath
•Lehr
Raw glass –How to m
akeglass?
� ���
� ���
� ���
� ���
� ���
� ���
103
•Glass production
–Floatfurnace
Rawglass –How to m
akeglass?
Matières
Premières
Raw m
aterials
REGENERATORS
11°°Cycle Combustion:
Combustion cycle
Air preheating
Verrefondu
����Bain FLOAT
Molten glass
����FLOAT bath
MELTING
FINING
CONDITIONNING
FEEDING
40-60m
9-11m
22°°Cycle Récupération:
Recuperation cycle
Fumes cooling
1200°C
1500°C
1100°C
CANAL
6-8m
104
•Glass production
–Floatfurnace: rawmaterialscharging
•Weightedseparetaly, rawmaterialsare m
ixed and poured
into
the charginghopper
•Batch isinsertedinto
the furnace
by the batch chargers,
movingslides(translation and rotation) thatpour the batch
on the m
eltedglass surface
Glass circulation
Glass layer
Reactionarea
Raw m
aterials
Gas
Melted glass
Glass circulation
Glass layer
Reactionarea
Raw m
aterials
Gas
Melted glass
1450°C
Rawglass –How to m
akeglass?
105
•Glass production
–Floatfurnace: the tank
•The furnace
tank containsmoltenglass. Threedifferentzones:
–chargingend
–meltingand finingzone
–conditionningend (therm
icconditionning)
•Oilor gascombustion for rawmaterialsmeltingand glass
fining: ~150 kg oil/ ton glass
Rawglass –How to m
akeglass?
106
•Glass production
–Floatfurnace: the tank
Melting
Fining
Conditionningzone
Hot
spot
1300°C
1550-1600°C
1100°C
1000°C
1300°C
1000°C
Crown temperature
Bottom
temperature
Rawglass –How to m
akeglass?
107
•Glass production
–Floatfurnace: the tank
•The m
eltingand the finingoccurin the first part, the heated
part of the furnace
–To obtaina glass withoutbubbleand unmeltedparticle, 1500°C
isnedeed
•Afterthe fining, the glass istherm
icallycontrolledto reach
1100°C atthe exit lipof the furnace. It occursin the
conditionningzone (non heated).
–Shadowwallseparatingthe m
elting-finingzone and the
conditionningzone: in the neck
–Use of mixers for glass homogeneity
–Use of skimbarto control glass currents(forw
ard
and back
currents) and to control the glass temperature
in the forw
ard
current
–Air blowinginto
the conditionningzone for therm
iccontrol
Rawglass –How to m
akeglass?
108
•Glass production
–Floatfurnace: the tin bath
•Atthe exit lipof the furnace
(spout) the glass leavesthe
furnace
at1050-1100°C (104poise) and ispouredon a m
elted
tin bath
–Tin m
eltingtemperature: 230°C, density6,5
–Glass temperature
1050°C, density2,4
•The glass tends naturallyto reach
a thicknessof ~6 m
m
•The top rollers in the floatare usedto control the glass width
and itsthicknessby increasingor decreasingthe glass speed
•N2and H
2atm
osphere
to avoidanytin oxydation (leadingto
typicalfloatdefects: SnO2drips, bloom…)
•The glass leavesthe tin bath, the float, at~600°C (1011poise)
Rawglass –How to m
akeglass?
109
•Glass production
–Floatfurnace: the tin bath
Gra
vity
Surf
ace
tens
ion
Tra
ctiv
e f
orce
Molte
ntin
Rawglass –How to m
akeglass?
110
•Glass production
–Floatfurnace: the annealinglehr
•Atthe floatexit, the glass isliftedout by threelift-out rollers
and broughtinto
the lehr(at~600°C)
•The purpose
of the lehristo slowlycool down the glass to
loosenitsinternalconstraints. So, weavoidglass breakage
inducedby a potentialfastcooling
•The internalstresses appearduringthe coolingdown of the
glass in itstransform
ation area/
–The bulkof the glass cools down m
ore slowlythanitssurfaces
–The bulkisin contraction, the surface in compression
•The glass leavesthe lehrat~70°C, readyto becooleddown
to ambiant temperature, treatedand cut
Rawglass –How to m
akeglass?
111
•Glass production
–Floatfurnace: cutting
•Differenttreatm
entsappliedto the glass, from
the lehrexit
to stock
–Raw ribbon
–Washingmachine
–Lazerdefectsdetection
–Surface protection
–Cutting
–Interlayerpowder
–Stacking
•PLF sizes: 600 -510 -450 by 321 cm
•DLF sizes: 150 -255 by 321 cm
Rawglass –How to m
akeglass?
112
Partie «Matériaux et leur sélection
(1) Architectures atomiques
(2) Les liaisons interatomiques
(3) L’état cristallin et l’état amorphe
(4) La production d’aciers
(5) La production des verres plats
(6) La sélection des matériaux
113
Pourquoi la sélection des matériaux
140 000 m
atériaux: nécessitéd’une approche rationnelle
Approche rationnelle se doit d’être quantitative
La stratégie adoptée doit pouvoir être adaptée àdifférents cas
Nous avons besoin:
1.
D’une base de données (m
atériaux et procédés)
2.
D’une m
éthode rigoureuse pour naviguer àtravers cette base
de données.
114
Une base de données:CES
Kingdom
Family
Class
Attributes
Member
•Ceramics
•Polymers
•Metals
•Natural
•Foams
•Composites
Ste
els
Cu-a
lloys
Al-alloys
Ti-allo
ys
Ni-allo
ys
Zn-a
lloys
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Materials
A m
aterial record
Densi
ty
Mech
anic
al p
rops
.
Therm
al p
rops
.
Ele
ctric
al p
rops.
Opt
ical p
rops
.
Corr
osio
n pro
ps.
Suppo
rtin
g in
form
atio
n
--sp
ecifi
c
--gen
eral
Structured
inform
ation
Unstructured
inform
ation
Dans CES: 3 niveaux dans la base de
données
115
Une base de données:CES
Prof. M
ike Ashby
Cambridge University
Prof. Yves Bréchet
INPGrenoble
116
Approche brutale
Supposons que l’on ait besoin d’un m
atériau avec une limite
élastique σ
y>100MPa et un m
odule de Young E >10 GPa.
Une m
éthode possible consiste àrechercher les propriétés des
différents m
atériaux dans des livres de références, internet, etc…
Cela prend du temps et est peu efficace…
117
Approche m
oins brutale
Supposons que l’on ait besoin d’un m
atériau avec une limite
élastique σ
y>100MPa et un m
odule de Young E >10 GPa.
Une m
éthode plus élégante consiste àregarder les propriétés
d’intérêt pour tous les matériaux (diagrammes àbarres)
Mate
rialU
nivers
e:\Cera
mics
and g
lass
es
Mate
rialU
nivers
e:\M
eta
ls a
nd a
lloys
Mate
rialU
nivers
e:\Polym
ers
and e
last
om
ers
Mate
rialU
nivers
e:\Hybrids:
com
posite
s, foam
s, n
atu
ral m
ate
rials
Yield strength (elastic limit) (MPa) 0.0
1
0.11
10
100
1000
Silica
glass
Sta
inless
ste
elA
lum
inum
allo
ys
Wood, ty
pical along g
rain
Verres et céramiques
Métaux
Polymères
Hybrides
118
Approche m
oins brutale
Supposons que l’on ait besoin d’un m
atériau avec une limite
élastique σ
y>100MPa et un m
odule de Young E >10 GPa.
Une m
éthode plus élégante consiste àregarder les propriétés
d’intérêt pour tous les matériaux (diagrammes àbarres)
Verres et céramiques
Métaux
Polymères
Hybrides
Mate
rialU
nivers
e:\Cera
mics
and g
lass
es
Mate
rialU
nivers
e:\M
eta
ls a
nd a
lloys
Mate
rialU
nivers
e:\Polym
ers
and e
last
om
ers
Mate
rialU
nivers
e:\Hybrids:
com
posite
s, foam
s, n
atu
ral m
ate
rials
Young's modulus (GPa) 0.0
01
0.0
1
0.11
10
100
Silica g
lass
Sta
inless
ste
el
Wood, ty
pical acr
oss
gra
in
119
Les cartes de sélection
Supposons que l’on ait besoin d’un m
atériau avec une limite
élastique σ
y>100MPa et un m
odule de Young E >10 GPa.
Dès que la sélection doit se faire sur plus d’une propriété, il est
utile de porter une propriété
en fonction de l’autre
Yield
strength
(elast
ic lim
it) (M
Pa)
0.0
10.1
110
100
1000
Young's modulus (GPa) 0.0
01
0.0
1
0.11
10
100
Flexib
le P
olym
er Foam
(MD)
Low
allo
y st
eel
GFRP, epoxy
matrix (isotropic)
Copper
Polyure
thane
Tungst
en c
arb
ides Mediu
m c
arb
on ste
el
Silicon c
arb
ide
Soda-lim
e g
lass
120
Les cartes de sélection
Supposons que l’on ait besoin d’un m
atériau avec une limite
élastique σ
y>100MPa et un m
odule de Young E >10 GPa.
Dès que la sélection doit se faire sur plus d’une propriété, il est
utile de porter une propriété
en fonction de l’autre
Yield
strength
(elast
ic lim
it) (M
Pa)
0.0
10.1
110
100
1000
Young's modulus (GPa) 0.0
01
0.0
1
0.11
10
100
Flexib
le P
olym
er Foam
(MD)
Low
allo
y st
eel
GFRP, epoxy
matrix (isotropic)
Copper
Polyure
thane
Tungst
en c
arb
ides Mediu
m c
arb
on ste
el
Silicon c
arb
ide
Soda-lim
e g
lass
121
Les cartes de sélection
Supposons que l’on ait besoin d’un m
atériau avec une limite
élastique σ
y>100MPa et un m
odule de Young E >10 GPa.
Yield
strength
(elast
ic lim
it) (M
Pa)
100
200
500
1000
Young's modulus (GPa)
10
20
50
100
200
500
Mediu
m c
arb
on s
teel
Silico
n c
arb
ide
Nicke
l-base
d s
upera
lloys
Nicke
l
GFRP, epoxy
matrix (isotropic)
Wro
ught m
agnesium
allo
ys
Hig
h c
arb
on ste
el
Sta
inless
ste
el
Métaux
Composites
Céramiques
122
Les cartes de sélection
Supposons que l’on ait besoin d’un m
atériau avec une limite
élastique σ
y>100MPa et un m
odule de Young E >10 GPa.
Composites
Céramiques Y
ield
strength
(elast
ic lim
it) (M
Pa)
100
200
500
1000
2000
Young's modulus (GPa)
10
100
1000
Epoxy
/Ara
mid
Fib
er, U
D C
om
posite
, 0°
Lam
ina
Diam
ond
Nicke
l-Iron A
lloy, "IN
VAR", h
ard
(co
ld w
ork
ed)
Tungsten h
ot work
tool steel, A
ISI H26
123
Les cartes de sélection
Métaux
Yield
strength
(elast
ic lim
it) (M
Pa)
100
200
500
1000
Young's modulus (GPa)
10
20
50
100
200
500
Mediu
m c
arb
on s
teel
Silico
n c
arb
ide
Nicke
l-base
d s
upera
lloys
Nicke
l
GFRP, epoxy
matrix (isotropic)
Wro
ught m
agnesium
allo
ys
Hig
h c
arb
on ste
el
Sta
inless
ste
el
Composites
Céramiques
•J’ai maintenant un
subset
•Comment comparer
quantitativement les
matériaux entre eux?
124
Matériau rigide et léger
Density
(kg/m
^3)
100
1000
10000
Young's modulus (GPa) 0.0
01
0.0
1
0.11
10
100
Wood, ty
pical along g
rain
Wood, ty
pical along g
rain
Paper and c
ard
board
Polyvinylch
loride (tp
PVC)
Zin
c allo
ysCopper allo
ys
Silicon c
arb
ide
Sta
inless
ste
el
Fle
xible P
olym
er Foam
(MD)
Silico
ne e
lastom
ers
(SI, Q
)
Combien suis-je prêt à
perdre sur E pour
gagner 1 sur ρ?
N’est-on pas en train
de comparer des poires
et des pommes?
Nous avons besoin de
plus d’infos pour
donner un INDICE DE
PERFO
RMANCE.
125
La Démarche TOUS L
ES M
ATERIA
UX
FIL
TRAGE : a
ppliquer des lim
ites
(élim
iner les m
até
riaux inadéquats
)
CLASSEMENT : a
ppliquer des indices
(tro
uver les m
até
riaux les p
lus a
déquats
)
Sous-e
nsem
ble d
e m
até
riaux
Info
rmations com
plém
enta
ires
publications, CD-R
OMs, W
WW
Liste
de candidats
pote
ntiels
Conditions locales (expertise)
MATERIA
UX S
ELECTIO
NNES
126
La Démarche
127
L’étape de «
traduction»est la clé
Une fois que l’on a défini un concept (par exemple pour un tire-
bouchon, un aspirateur…
), il est nécessaire de l’évaluer en se
posant les questions suivantes:
1.
Que fait cet objet?
2.
Que cherche-t-on àoptimiser (m
inimiser ou m
aximiser)?
3.
Quelles sont les contraintes?
128
Exemple
: tirantso
lideet léger
Minimiserla masse m:
m =
A
L ρ ρρρ
(2)
Obj
ect
if
•LongueurL is specifiée
•nedoitpas rompre,charge F
Contr
ain
tes
•Materiau
•Section A.
variable
s lib
res
Equatio
n p
our
la c
onst
rain
teA
: F
/A <
σ σσσ
y
(1
)
Tirant
de lo
ngu
eur
L ,
mass
e m
inim
ale
L
FF
Sect
ion A
Tirant
Fonct
ion
m =
ma
sse
A =
se
ctio
nL
= lo
ng
ue
ur
ρ=
de
nsi
té=
lim
ited
’ela
stic
itéy
σ
EliminerA dans(2) avec (1):
σρ
=y
FL
mP
erf
orm
ance
I
maxim
iser
σ σσσy/ρ ρρρρ
σy
/
129
Density
(kg/m
^3)
100
1000
10000
Yield strength (elastic limit) (MPa) 0.0
1
0.11
10
100
1000
Titaniu
m a
lloys
Low a
lloy
steel
130
Exemple
2: Poutrelégère
rigide
Poutre
Fonct
ion
Minimiserla masse m:
m =
A
L ρ ρρρ
(2)
Obje
ctif
•LongueurL specifiée
•Rigiditéen flexion > S*
Contr
ain
tes
m =
ma
sse
A =
se
ctio
nL
= lo
ng
ue
ur
ρ=
de
nsi
téE
=
mo
du
le d
’Yo
un
gI
= s
eco
nd
mo
me
nt
(I
=
b4/1
2
=
A2/1
2)
C =
co
nst
an
t (i
ci,
48
)
•Materiau
•Section A.
variab
les
EliminerA (2) +(1):
ρ
=
2/1
2/1
*5
EC
SL
12
mIn
dic
ede
Perf
orm
ance
Equatio
n p
our
A:
(1)
32
3L
12
AE
C
L
IE
CS
==
Minim
iser
1/2
E
ρ
Poutr
erigid
e,
Long
ueur
L,
mass
e m
inim
ale
L
Sq
ua
rese
ctio
n,
are
a
A =
b2
b
131
Exemple : la rame
132
Exemple : la rame D
manche
spatule
Fonction
Rigidité
et solidité
Objectif
Minim
iser la m
asse
Variable libre
Rayon
Astreintes de conception
Lon
gueur spécifiée
Rigidité
en flexion S spécifiée
Résilience sup
érieure à 1k
J/m2
Coû
t massiqu
e < 60
0 FF
/kg
133
D
manche
spatule
Sim
plification géométrique
Sollicitation principale
flexion
Fonction
Rigidité et solidité
Objectif
Minim
iser la masse
Variable libre
Section
Astreintes de conception
Longueur spécifiée
Rigidité en flexion S spécifiée
Résilience supérieure à 1kJ/m
2
Coût massique < 600 FF/kg
ρ=
21
EI
rigidité
critère dominant
EKG
2 c
c=
résilience
Ex
em
ple
: r
am
e
134
Ex
em
ple
: r
am
e
( Fracture toughness ^ 2 ) / Young's modulus 0.0
01
0.0
1
0.11
10
100 Verres et céramiques
Hybrides
Métaux
polymères
135
Ex
em
ple
: r
am
e
Density
(kg
/m^3)
100
1000
10000
Young's modulus (GPa) 0.0
01
0.0
1
0.11
10
100
Wood, ty
pical along g
rainCFRP, epoxy
matrix (isotropic)
Bam
boo