Cours 1 matériaux
-
Upload
mouna-souissi -
Category
Documents
-
view
2.943 -
download
11
Transcript of Cours 1 matériaux
Science des matériaux 1
Science des Matériaux
13/04/2023
Campus centre
Cours de tronc commun
13/04/2023 Science des matériaux 2
Objectifs
• Connaître les principaux groupes de matériaux et leurs propriétés.
• Avoir des notions sur la structure de la matière• Avoir des notions sur la manière dont on élabore
les matériaux.• Etre capable de choisir un matériau pour une
utilisation d'ordre générale.
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 3
Histoire de la métallurgie •L'échelle des temps synthétise les principales avancées en métallurgie.
•Les matériaux sont en général le facteur limitant des machines définissent le niveau de développement de l’humanité.
•âge de pierre, puis de bronze, puis de fer•maîtrise de l’acier: trains, automobile, …•maîtrise des semi-conducteurs: informatique•moitié de la recherche du programme Apollo : matériaux nouveaux
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 4
Généralités • Matériau = est un solide utilisé par l’homme pour la fabrication d’objets
• La science des matériaux est l’étude des relations quiexistent entre la structure et les propriétés générales de ces matériaux
• La structure d’un matériau correspond à la façon donts’agencent ses éléments constitutifs
Échelle subatomique Échelle
atomique Échellemicroscopique Échelle
macroscopique
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 5
Généralités
• L’utilisation d’un matériau dépend :
• de ses propriétés• de ses ressources• de son coût• des méthodes de synthèse• de sa compatibilité avec l’environnement• de la possibilité de mise en forme• de son aspect esthétique
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 6
Chapitre 1:Choix d’un matériaux
13/04/2023 Science des matériaux 7
Choix d’un matériaux
• Le choix d'un matériau dépend de l'application. Il faut définir précisément le besoin. Cela fait appel à la notion de fonction :
• cahier des charges fonctionnel (CDCF). • Méthode APTE : diagramme pieuvre, validation du besoin
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 8
Pourquoi le besoin existe-t-il ?Qu'est-ce qui peut le faire évoluer ?Qu'est-ce qui peut le faire disparaître ?
13/04/2023 Science des matériaux 9
Choix d’un matériauxCampus centre
• Méthode APTE : diagramme pieuvre
Diagramme des interactions pour un produit ayant deux fonctions de service principales, FP1 et FP2, six fonctions contraintes oucomplémentaires, FC1 à 6
13/04/2023 Science des matériaux 10
Stratégie de choix
• Méthode de M. F. Ashby et D. Cebon de l'Université de Cambridge :
• Traduction du cahier des charges.• Revue des matériaux, sélection en fonction des
contraintes.• Classement des matériaux retenus en fonction des
objectifs.• Consultation de la documentation sur les matériaux.
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 11
Classes des matériaux
• Il y a trois classes de matériaux :
Campus centre
Métaux et alliages métalliques Céramiques Polymères
Les matériaux composites
Mélange
13/04/2023 Science des matériaux 12
Classe des matériaux
Métaux et alliages Exemples :
Polymères Exemples:
Céramiques (matériaux minéraux) : Exemples:
Composites Exemples:
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 13
Différence entre Propriétés et Performances
Propriétés mécaniques
Propriétés chimiques
Propriétés physiques
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 14
Différence entre Propriétés et Performances
Performances techniques
Performances socio-économiques
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 15
Métaux Céramiques Polymères
Rigidité
Ductilité
Conductivité électriqueConductivité thermiqueStabilité chimique
Impact environnementalAspect
Campus centre
Propriétés Générales des Matériaux
13/04/2023 Science des matériaux 16
Quelques chiffres• Répartition mondiale de la consommation des
principaux matériaux en millions de tonnes/an:
• Béton environ 5000 Mt/an • Aciers 1300 Mt/an • Polymères 150 Mt/an • Aluminium 22 Mt/an • Cuivre 12 Mt/an
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 17
Recyclage Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 18
Recyclage
• Intérêt : – Préserver les ressources naturelles et éviter les dommages dus à
l’extraction– Economiser l’énergie
– Eviter et la destruction • Recyclage actuel:• Acier • Cuivre • Aluminium• Papier• Verre• Certains polymères
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 19
Chapitre 2:Les Propriétés des matériaux
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 20
Introduction
6 grandes catégories de propriétés•Mécaniques•Électriques•Thermiques•Magnétiques•Optiques•Chimiques
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 21
Les propriétés Mécaniques
Elles concernent la déformation d’un matériau soumis à une force
• La résistance • La dureté• La ductilité • La rigidité • La ténacité
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 22
Les propriétés Mécaniques
• Quand un corps est soumis à l’action de forces extérieures des contraintes internes s’établissent:
• À ces contraintes sont associées des déformations
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 23
Essai de traction
• Essais normalisés
• Pour étudier le comportement mécanique des matériaux il faut travailler avec des pièces identiques quelque soit le matériaux : Ce qu’on appelle les éprouvettes.
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 24
Essai de traction
• Tirer sur une éprouvette• Enregistrer la force et l’allongement de
l’éprouvette.• Analyse de l’assai:
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 25
Essai de traction
• Distinguer les notions de résistance , de fragilité et de dureté.
• Un matériau dur est souvent fragile : le verre• Les modes de déformation sont :
– Elastique: La matière reprend sa forme initiale, la déformation est réversible
– Plastique: La matière garde une déformation résiduelle et irréversible.
– Striction: la matière se concentre dans un seul endroit et il y aura une rupture prochaine.
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 26
Essai de traction
• Courbe de traction:
Rm
Re 0.2
Re
Domaine PlastiqueDomaine Elastique
Déformation
Cont
rain
te (M
Pa)
Point de rupture
O
A
BC
D
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 27
Essai de traction
• La surface S est soumise à une contrainte normale de traction :
Campus centre
Pour une traction simple , la contrainte est la même sur toute la surface S
La contrainte devient alors :
13/04/2023 Science des matériaux 28
Essai de traction
• Propriétés élastiques :
La déformation élastique est réversible Les déformations sont extrêmement petites (< 0,001) En première approximation, les longueurs et les
surfaces restent constantes on ne distingue plus valeurs vraies et nominales
Campus centre
13/04/2023 29
Essai de traction • Propriétés élastiques : • La loi linéaire : σ = f(ɛ)• La loi de Hooke: σ = E.ɛ• Si E est élevée le matériau est rigide • Si E est faible alors le matériau est souple.
Matériaux E(Gpa)
Diamant 1000
Céramique 550
Méteaux 70-420
Béton 20
Elastomère 0.003
Campus centre
Science des matériaux
13/04/2023 Science des matériaux 30
Autres essais mécaniques
• Essai de dureté – Essai de Vickers– Essai de Brinell– Essai de Rockwell
• Essai de flexion de Charpy• Essai de fatigue• Essai de fluage• Coefficient d’adhérence et de frottement
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 31
Essai de dureté
• La dureté quantifie la résistance d’un matériau à la pénétration sous une charge F
• Il ne permet pas de déterminer des caractéristiques fondamentales du matériau, mais il permet de comparer plusieurs matériaux entre eux, et de suivre l'évolution d'un matériau en cours de traitement
• Elle dépend de : – Déformations élastiques et plastiques – Forces de frottement sur la surface du matériaux – Géométrie du pénétrateur – Force appliquée
Campus centre
13/04/2023 Science des matériaux 32
Essai de dureté : essai de Vickers
Campus centre
• L'essai VICKERS consiste à mesurer les dimensions d de l'empreinte laissée par un pénétrateur pyramidal.
.
Diamant de forme pyramidale à base carrée
13/04/2023 Science des matériaux 33
Essai de dureté : essai Brinell
Campus centre
L'essai BRINELL est similaire à l'essai VICKERS, mais le pénétrateur est une bille. La dureté HB est calculée en fonction de la force, du diamètre de le bille D etdu diamètre de l'empreinte d :
.
13/04/2023 Science des matériaux 34
Essai de dureté : essai Rockwell
Campus centre
• on effectue un pré chargement avec une force F0 ;
• on applique une force supplémentaire F1 puis on la relâche ;• on regarde la profondeur r que l'on a gagné.
Un degré ROCKWELL correspond donc à un enfoncement de 0,002 mm.
13/04/2023 Science des matériaux 35
Essai de flexion choc CHARPYCampus centre
Cet essai consiste à rompre une éprouvette entaillée par un choc. Il permet de tester le matériau dans des conditions de fragilisation :
• vitesse de déformation élevée ;• concentrations de contrainte (éprouvette entaillée) ;• diverses conditions de température :
comme c'est un essai rapide, l’éprouvette n'a pas le temps de refroidir ni ne de se réchauffer.