Cours Sciences des Matériaux 2010 2011

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


Dans ce cours nous définissons les matériaux comme les solides utilisés pour la fabrication des objets utiles dans notre vie


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.


-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.


* 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


* 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


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


Exemple d’utilisation des matériaux céramiques

1260°CTuiles en céramiques


•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


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 :



2.1 Liaison ionique



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



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



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


2. La liaison chimiqueLiaison hydrogène


2. La liaison chimique2.5 Conséquence des différentes liaisons


3. La force de cohésion

2.5 Forces et énergie de liaison


3. La force de cohésion

Attraction:


2. La liaison chimiqueRépulsion


2. La liaison chimiqueBilan des forces

F=dU/dr

Force de liaison=La dérivée de l’énergie


• 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


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


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.


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.


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.


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)


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.


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


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 ; ;


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


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 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


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 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 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


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


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


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


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


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)

Diagramme de phase

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