Cours SDM GMP1 F114 V3 Web.pdf

IUT ALENCON GMP1 V3

M114

spcificit dveloppement durable et co-conception

SDM GMP1 M114 V2

version aot 2005

M318

SDM GMP1 M114 V2

1. SDM : Introduction- Prsentation des Sciences des Matriaux.- Dsignation des Aciers- Dsignation des autres matriaux

2. Proprits et Essais Mcaniques- Contraintes, dformation,- Constantes lastiques- Proprits mcaniques- Essais mcaniques- lasticit- Effets de la Temprature

3. Constitution des Matriaux- Atomes, molcules, cristaux- Cristallographie, structure cristalline des matriaux- Dfauts cristallins- Alliages mtalliques

SDM GMP1 M114 V2

Cours : 8h (8Sx1.0h)TD : 7.5h (5Sx1.5h)TP : 12h (3Sx4.0h)

DS : 1.5h

TPDSNote += 31

32

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!1. Prcis de Mtallurgie

J. BARRALISG. MAEDER

(dition NATHAN)

2. MATERIAUXJ. M. F. AshbyD. R. H. Jones

(dition Dunod)en 2 tomes

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"#$!

1.1 S. D. M.: Sciences des Matriaux

1.2 Trois classes de matriaux

1.3 Un cristal rel

1.4 Exemple dun acier XC48 (C45)

1.5 Dsignation des aciers

1.6 Dsignation des autres matriaux

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"!!#$%

Matriaux

Fabrication Conception

SDM GMP1 M114 V2

Proprits mcaniques

Structuresmicroscopiques

SDM GMP1 M114 V2

"&!

Atomes

Un cristal de quartz

Cristal Parfait

Cristal Rel

Dfauts Dislocation

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"(#$%

Mtaux Polymres Cramiques

Composites

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"%)#*$!+,-.

Composition chimique (%)

Fe +C

0.48

Si Mn P S

0.650.25 0.02 0.03......

Acier non-alli pour traitement thermique

Structures et proprits

Cest un acier "trs dur" et "trs fragile" ??????

en tat de normalisation (recuit)

en tat de trempe

en tat dcrouissage

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"-# !,.

Aciers non allis dusage gnral Pour la construction mcanique

E335335 : Re min=335MPa

Nuances:

E295, E335, E360

Ancienne normeSrie A : Rm en MPax10

exempleA60Nuances :A33, A34, A50, A60,A70

S235235 : Re min=235MPa

Nuances:

S185, S235, S355

Ancienne dsignationSrie E : Re en MPax10

exempleE24Nuances :E24, E26, E30, E36

Pour la construction mtallique

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"- # !,(.

Aciers non allis pour traitement thermique

Nuances: C10C22C30C35C40C45C50C55C60C65C70C80

Ancienne NormeNuances :

XC10XC18XC32XC38XC42XC48

XC55XC60XC65XC70XC80

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"- # !,&.

Aciers faiblement allis35CrMo4

35 : environ 0.35% carbone Cr : ChromeMo : Molybdne4 : 1% de Cr

25CrMo416CrNi635NiCrMo16100Cr6

Ancienne norme

exemple35CD4

25CD416CN6

35NCD16100C6

X 30 Cr 13 (Z30C13)X 5 CrNi 18-10 (Z6CN18-09)

Aciers fortement allis

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(")!/$

2.1 Proprits des matriaux2.2 Contraintes et dformation

Contraintes Dformations

2.3 Constantes lastiques

2.4 Comportements lastiques

2.5 Essais mcaniques Traction Duret

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2.1 Proprits des Matriaux

Electrique

Magntique

Thermique

Mcanique

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) #,!/$.

Rigidit : E

Ductilit : Ar

Rsistance la traction :Rm

Tnacit : KKKK

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2.2 Contrainte-Dformation (1)

2.2.1 Contraintes

s =

d

F dS

x

S

F

y

z

Contrainte de traction : (Direction normale)

Contrainte de cisaillement : (Direction tangentielle)

s n =F nS

s t =F tS

Ft

Fn

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2.2 Contrainte-Dformation (2)

2.2.2 Dformation

e =D ll

x

y

z

l

D l

F

Dilatation D =DVV

Dformation simple

Distorsion g =ul y

= tg q q

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2.3 Constantes lastiques (1)

2.3.1 Modules dlasticit:

sn = E eE: le module de Young

s t = G qG: le module de Coulomb

p = -kkkk Dkkkk : le module de compressibilit

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Module de Young E

Diamant E=1000 GPa

Fer et aciers E~200 GPa

Aluminium E~70 GPa

Polymres E < 5 GPa

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2.3 Constantes lastiques (2)

2.3.2 Coefficient de Poissonx

y

e

en -=-=

alelongiditunn dformatiolatralen dformatio

e x =ul x

yy l

w=eDformation latrale conventionnelle :

Dformation longitudinal conventionnelle :

lx

ly

w/2

w/2

Les quatre constantes lastiques E, G, k, nk, nk, nk, n ne sont pas indpendantes.

F )1(2 n+=

EG

)21(3 nk

-=

Eu

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2.4.1 Trois types de comportement lastique

2.4 Comportements lastiques

O

O

O

Comportement rversible

Dformation lastique linaire

Dformation lastique non-linaire

Dformation anlastique

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2.4.2 Origine de lElasticit

Intensit et oriantation des liaisons chimiques

s = E e

Le module de Young

NaClxf D=a

xnxFn

i

i D=D==

aa1

0

0

xx

Sxn

Sxn

SF D=D= aa

Sl

SxnE == aa 0

a est la raideur de liaisons E est une mesure de la raideur de liaisonsou lintensite de liaison

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2.5 Essais Mcaniques

2.3.1 Essai de traction

3 types de comportement

Machines de traction lectriquehydraulique

Eprouvettes normalises prismatique cylindrique

Courbe conventionnellelastiquePlastiqueStriction

Proprits mcaniques mesuresRe, Rm, Ar, E, Rr, Z, W......

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--!$!)&0

Contrainte nominale

ssss o ou R

Dformation

eeeeo

Re= 362 MPa

Rm= 634 MPaRr= 560 MPa

Ar= 15 %w = 75 Nm

= fdlw es dls 0000 = es dv 000=

es d 00

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2.3 Essais Mcaniques

2.3.2 Essai de duret

Principe gnralH=F/SUnit?

3 types dessaiBrinell: HBVickers: HVRockwell: HRC, HRB, HRA, ....

Tableau de correspondance

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&"$#$%

Atomes Liaisons Chimiques Cohsion Interne Empilement des Atomes Cristallographie Structure Cristalline Structure Amorphe Dfauts Alliages Mtalliques

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$#!1$!$!!)/$,.

Groupe de cristaux de sel gemme, limit par des faces de cubes

Groupe de cristaux de quartz, prismes six faces, termins par une pyramide

Un cristal de quartz

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$#!1$!$!!)/$,(.

Micrographie Optique Aluminium

Granite : micrographie "polarise"

feldspath

quartz

mica

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$#!1$!$!!)/$,&.

NaCl

#(

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&"

nb atomique = nb lectrons = nb protons

Masse atomique (en mole) : 6 1023 particules = 1 mole

Stabilit des atomes:- couche priphrique complte: stable! (2, 8, 16, 16, ......)- couche priphrique incomplte: instable!

Tableau priodique des lments:

lectron

noyau: protons+neutrons

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&"(23/$

3 liaisons fortes 1 liaison faible

- liaisons secondaires

4 possibilits

- liaison ionique

- liaison covalente

- liaison mtallique

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Association des ions positifs et des ions ngatifsExemple: NaCl

- Sodium a 11 lectrons ( 1 e- de valence)

- Chlorure: 17 lectrons ( 7 e- de valence)

Na+Cl :

Autre exemple : la fluorine CaF2

Origine de liaison : force lectrostatique entre les ions.

+ + + + + Na+

Cl-

3.2.1 Liaison ionique

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Exemple dun cristal ionique : CaF2

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Association de 2 atomes identiques

Exemple: molcule de Fluor F2Fluor a 9 lectrons ( 7 e- de valence)

F2 :

Exemple : diamant, Si, Ge, SiO2...

Proprits : trs rigide et trs fragile

Origine de liaison: force lectrostatique entre les lectrons et les noyaux.

3.2.2 Liaison Covalente

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Exemples des solides covalentes

Si

O

Quartz

Structure de la cristobalite SiO2partiellement ionique

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Graphite / Graphene

structure en plans lis par forces de Van der Waals.

Diamant

structure ttradrique lie par covalence forte.

Nanotubes de carbone.

Carbone

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Greffage de nanotubes de carbone sur une fibre de carbone.

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Mis en commun de toutes les lectrons de valenceExemple: Na. Sodium a 11 lectrons ( 1 e- de valence)

Exemples : K, Ni, Fe, Cr, Mo, ...

Proprits : solide et dformable

Origine de liaison: force lectrostatique entre les lectrons et les noyaux.

3.2.3 Liaison Mtallique

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Les liaisons faiblessont cres par les interactions lectrostatiques entre les dipleslectriques :

Liaison de Van der Waals

Origine de liaison : force lectrostatique entre les diples.

Exemple: liaison entre les chane de polymres

3.2.4 Liaisons secondaires

Diple lectrique: le dcalage des centres de

charge + ou- dans une molcule,

(1) cration dun diple induit (a, b et c)

(2) diple permanent (d)

Pont dHydrogne:

un cas particulier de la liaison de Van der Waals

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- 4 types de liaisons possibles

Liaisons Chimiques (Rsum)

- les liaisons mixtes

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Consquences des diffrentes liaisons sur les proprits des matriaux

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&"&3$! 4

Entre une particule charge positivement et une particule ngative, lattraction lectrostatique est lorigine de la liaison.

2a avec 1 -= ar

Xf

Force dattraction

+

r

q1 q2 221

r

qqf

Loi de Coulomb : pour 2 charges ponctuelles

10

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Coefficients X et YX peut tre obtenu directement de la loi de CoulombY peut tre calcul avec ro et X

Cohsion Interne (suite)

==dxdu

fUf ou

Energie potentielle

=

drdu

f

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&")#

Modle des sphres dures :

un atome : une sphre rigide avec un rayon r0/2

2 possibilits dempilement compact :

Structure Cubique Compacte : (CFC) ABCABC...... Exemples: Cu, Al, Ni, ......

Structure Hexagonale Compacte : (HC) ABABAB...... Exemples:Zn, Mg, Ti, ......

r0/2un solide : un ensemble des atomes

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55565556

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755566

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2 possibilits dempilement compact

Structure Cubique Compacte(CFC) Squence : ABCABC...... Exemples : Cu, Al, Ni, ......

Structure Hexagonale Compacte(HC) Squence : ABABAB...... Exemples:Zn, Mg, Ti, ......

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&"-)3

3.5.1 Rseaux Cristallins: un ensemble de nuds (ou points)

densit de nud= nb de nuds par unit de longueur = 1/a

Rseau bidimensionnel:a

densit de nuds= nb de nuds par unit de surface =1/a2

densit de nuds= nb de nuds parunit de volume =1/a3

Rseau tridimensionnel:

a- dimension infinie- translation spatiale de 3 vecteurs (2 ou 1) non-coplanaires

a

Rseau unidimensionnel: caractris par sa densit de nuds

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Tapis Italien du XVIe sicleRseau 2D

Bordure de mosaque en marbre(dcoration dune mosque du Caire)

Rseau 1D

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3.5.2 Motif, maille et maille lmentaire

Un motif est un atome ou un groupe datomes;

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3.5.2 Maille

Une maille contient un motif qui se rpte dans lespace;

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Une maille lmentaire: 3 vecteurs non coplanaires (a, b, c);

a

b

3.5.3 Mailles lmentaires

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3.5.4 Cas 3D

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%

8

a

b

c

9

3.5.3 Plans cristallographiques et les indices des plans

Plan cristallographique :

un plan du rseau cristallin qui passe par trois nuds non-aligns.

M

N

P

M=ma; N=nb; P=pc

m, n et p sont des entiers.

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Indices des plans (Indices de Miller)

Le plan contenant M, N, P est not par les indices de Miller (h, k, l), o h, k, l sont les plus petits entiers proportionnels 1/m, 1/n et 1/p.

Exemple : m=3; n=2; p=3

=

=

31

,21

,311

,1

,1

),,(pnm

lkh ( )2,3,2631

,21

,31

=

2;3;2 === lkh ( )2,3,2),,( =lkh

%

8a

bc

9

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Exemples dun cristal bi-dimensionnel

a

b

m=1; n=p= ; (h,k,l)= (1,0,0)

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Exemples dun cristal bi-dimensionnel

a

b

m=1; n=-1; (h,k,l)=p= ; )0,1,1(

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3.5.4 Indices de direction

a

b

R1

R2Direction R : [u,v,w]

R=ua+vb+wc

avec u, v, wdes entiers sans dnominateur commun!!

Exemple :

R1 : [110]

R2 : [210]

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&":$!$

a) C.F.C. : cubique faces centres

b) H.C. : hexagonal compact

3.6.1. Structures Compactes

empilement ABCABCABC nombre de nuds dans une maille : ? paramtre de maille : a exemples : Al, Ni, Rh,, Pd, Ag

empilement ABABAB nombre de nuds dans une maille : 6 paramtre de maille : a, c exemples : Be, Mg, Y, Te, Os

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a) C.C. : cubique centres

b) Autres Structures complexes

3.6.2. Structures Stables mais moins denses

nombre de nuds dans une maille : ? paramtre de maille : a exemples : Li, Na, K, V, Cr, Nb, Mo,

structure du type "diamant" structure du dioxyde duranium .

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Exemple : Fer

3.6.3. Polymorphisme Cristallin

T

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&";$!$)3

Structures non-priodiques!!!

Exemple : SiO2

la silice SiO 2 en tat cristallin

SiO2 en tat amorphe

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Cristal parfait: dcrit par un rseau spatial dimension infinie rangement des atomes priodique

Les matriaux sont toujours imparfaits!!

Cristal imparfait: impurets dfauts de rangement des atomes dimension finie

3.8.1 Dfauts Ponctuels

interstitiel : un atome tranger en position interstitielle

&"+ $

lacune : un site du rseau vacant

substitution : un atome tranger en position de substitution

auto-interstitiel : un atome du rseau en position interstitielle

Cristal Parfait

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Consquence dintroduction dun dfaut ponctuel

Lacune Interstitiel

Substitution

Dformation locale de la structure cristalline!Dformation locale de la structure cristalline!

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3.8.2 Dfauts linaires : dislocations

2 types de dislocations : coin et vis

1) Dislocation coin : introduction dun demi-plan dans le rseau cristallin!

2) Mouvement de dislocation : sous une sollicitation externe, les dislocations se dplacent.

3) Origine de la plasticit dun cristal :glissement des dislocations!

Dislocation coin (Aluminium croui ) Dislocation vis

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Dislocations

^

^

Dislocation coin(Edge dislocation)

Dislocation vis(Screw dislocation)

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Dislocation coin : demi-plan supplmentaire

^

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^

Dislocation coin : vue 2D

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^

Dislocation coin : vue 3D

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^

ar

Xf -=

X

Dislocation coin : proprits

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t

t

^

Dislocation coin : mouvement

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^

t

t

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Consquence du dplacement des dislocations : la dformation plastique

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3.8.3 Dfauts Plans

1) Surfaces libres: entre le solide et le gaz (air)

4) Joints de grains dans les matriaux poly-cristallins qui spare 2 rgions dorientations cristallographiques diffrentes

2) Fautes dempilement

les proprits dpendent de ltat de surface des matriaux le frottement la catalyse le soudage loxydation et la corrosion ........

3) Interface : qui spare 2 phases diffrentes

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Faute dempilement : structure FCC

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Empilements A/B/A/B

Faute dempilement : Structure hexagonale compacte parfaite deux atomes: wurtzite

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Rseau hexagonal

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Interface : qui spare 2 phases diffrentes

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Joints de grains dans les matriaux poly-cristallins qui spare 2 rgions dorientations cristallographiques diffrentes

Grains cristallins

Joints des Grains

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2 types de joints

Joint de flexion Joint de torsion

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Construction dun joint de grain

Le joint de grain se forme par des dislocations!

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!#

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=##!>!#!Exemple Images HREM du joint de grains S=7 dans GaN

Grain 1

Grain 2

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&"?/$

3.9.1 Diffusion, la mthode dobtention des solutions solides

Comment obtenir un alliage mtallique???

Sous effet thermique, un atome peut se dplacer dans un rseau cristallin.

Deux cas possibles

dplacement dun atome en position de substitution vers une lacune dplacement dun atome interstitiel vers un autre s ite interstitiel

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Diffusion, point de vue microscopique

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Aspect macroscopique

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Diffusion : Uniforme

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Application

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Diffusion non Uniforme: Gradient varie avec T et x

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Facteurs qui influent sur la diffusion : Temprature, Composition, structure,

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3.9.2 Solutions solides

les atomes de petites tailles peuvent occuper les interstices dune structure cristalline.

1) Solution solide dinsertion

Exemple : la martensite(fer C.C. + carbone) fercarbone

Consquence: dformation du rseau cristallin

les atomes du type A peuvent substituer les atomes du type B.2) Solution solide de substitution

Exemple : les alliages Or-Cuivre (Au+Cu), structure C.F.C. AuCu

Consquence:

dformation du rseau cristallin

solution dsordonne : substitution alatoire solution ordonne : substitution des sites particuliers

Dsordonne OrdonneType AuCu Type AuCu3

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3.9.3 Composs dfinis

Alliage de deux types lments A et B. La structure de A est diffrence que celle de B.

Exemple : la cmentite, Fe3Cfercarbone

Fer a a a a (C.C.)

+ =

Carbone Cmentite Fe3C

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DS : date prciserDure : 1h30Document non autoris

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