Plan d cours e

e

Plan d cours Plan de cours

Objectifs:

Besoins de

connaissances sur les matériaux

Choix de la famille de

matériaux (métaux,céramiques...)

Choix de la classe d’un

matériaux (acier, alliage d’aluminium...)

Choix du matériau (acier inoxydable 304, 6061

Al)

Besoins du marché :

définition du problème

Concept (exploration

de solutions au

problème)

Définition générale

du produit

Détails (optimisation de

forme, fabrication et assemblage...)

Produit

Besoins de

connaissance sur

les procédés de

fabrication

Choix de la famille de

procédés (mise en forme, traitement de

surface...)

Choix de la classe de

procédés (moulage, déformation,...)

Choix du procédé (moulage par injection)

Introduction Introduction

Objectif cours 1,2 et 3:

• Vue d’ensemble du monde des matériaux et leurs implications dans le processus de conception

• Connaître les trois classes de matériaux – Caractéristiques macroscopiques

– Caractéristiques microscopiques

• Relation contrainte déformation ductile/fragile/élastique N‐L

• Analyse d’un essai de traction – Limite d’élasticité,

– limite à la rupture,

– allongement à la rupture

– module d’élasticité.

• Autres propriétés physiques des matériaux

Historique Historique

En 200 ans le nombre de matériaux disponible à l’ingénieur est passé de

quelques centaines à près de 200000

Ashby (2007)


Ashby (2005)


Évolution des matériaux dans les aspirateurs :

a) 1905

b) 1950

d) 1985

d) 1998

Ashby (2007)

Classification Classification

Par domaine d’application : génie mécanique

Ashby (2007)


Par domaine d’application : Aéronautique

Ashby (2007)


Par domaine d’application : Génie civil et architecture

Ashby (2007)


Par domaine d’application : biotechnologie

Ashby (2007)


Par la nature atomique :


Tous les matériaux solides sont regroupés sous 3 (ou 5)classes :

Ashby (2007)


To us les matériaux solides sont regroupés sous 3 (ou 5)classes :

Consommation

Mat

éria

u e

n f

ort

e cr

ois

san

ce

Consommation

Consommation mondiale annuelle des matériaux (Ashby 2007)

Matériaux de construction

dominant

10x plus que tous les autres

métaux combinés

Consommation comparables

Ashby (2007)


Ashby (2007)

Les matériaux d’une même classe auront des propriétés de base similaires : •Module d’élasticité •Limite d’élasticité •Expansion thermique •Conduction thermique •Conduction électrique

Classification

Classification

Les matériaux d’une même classe auront des propriétés de base similaires : •Module d’élasticité •Limite d’élasticité •Expansion thermique •Conduction thermique •Conduction électrique

Les familles occupent des régions discrètes

Échelle logarithmique

Sélection des matériaux Sélection des matériaux

Fonction

Matériaux Forme

Tous ces choix sont interdépendants

Procédé de fabrication

Un matériau pour une application donnée doit répondre aux quatre exigences suivantes:

• Exigences physiques • Exigences techniques • Exigences économiques • Exigences sociales/environnementales • Exigences inconnues


Processus de sélection dans lors de la conception d’un produit:

Fonction Que fait le

composant ? Contraintes Quelles conditions

non négociables sont rencontrées

Objectifs Qu'est‐ce qui doit être maximisé ou minimisé ?

Variables libres Quels paramètres

du problème sont modifiables par le concepteur?

Sélection des matériaux

Les

con

cep

ts

Sélection des matériaux

• Exemple de la conception d’un tire‐bouchon

La solution retenue

Ashby (2007)


Choix du matériau pour le bras de levier du tire‐bouchon

Fonction Levier (poutre en flexion)

Contraintes • Assez rigide • Assez solide • Assez tenace • Résiste à la corrosion dans l’eau et le vin • Longueur est spécifiée

Objectifs Minimiser le coût

Variables libres Choix du matériau Choix de la section (normale sur le dessin)


Choix du matériau pour le bras de levier du tire‐bouchon

Propriétés des matériaux Propriétés des matériaux

Pour utiliser convenablement un matériau il faut connaitre et caractériser ses propriétés physiques

Mécaniques Thermiques

Propriétés

Électriques, magnétiques et

optiques

Chimiques


Propriétés mécaniques Propriétés thermiques

Ashby (2007)


Propriétés électriques, magnétiques et optiques

Propriétés chimiques

Ashby (2007)

Aspect environnementaux P

roje

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voit

ure

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rgy

(200

6)

Aspect environnementaux

Croissance de la demande en matériaux est exponentielle:

• Augmentation du niveau de vie

• Augmentation démographique

Aspect environnementaux Aspect environnementaux

Cycle de vie d’un produit Comment réduire l’empreinte écologique ? • Concevoir le produit de manière à réduire la quantité de matériel et d’énergie nécessaire et la quantité de résidus générés à chacune des phases du cycle de vie.

• Prévoir ce qui advient du produit une fois sa durée de vie terminée.

Puisque les ressources

de la planète ne sont pas infinies, la vie d’un produit doit être

considérée comme un

cycle et non comme

un processus linéaire allant de l’extraction à

l’élimination.

Ashby (2007)


Comment réduire l’empreinte écologique ? Mettre de l’emphase sur la phase la plus énergivore du cycle de vie du produit. Pour la gestion des matières résiduelles : 3RVE (prioriser cet ordre)

– Réduction à la source; – Réutilisation; – Recyclage; – Valorisation; – Enfouissement.

Ashby (2007)


• Facteurs influençant la quantité de matériaux et d’énergie utilisés

Ashby (2007)


Comparaison de l’énergie de production des matériaux (par masse)

Ashby (2007)


Comparaison de l’énergie de production des matériaux (par volume)

Ashby (2007)


Étude de cas: Eco‐sélection du matériau (i) barrière d’autoroute et (ii) pare-choc

Ashby (2007)

Aspect environnementaux In

dic

es

de

per

form

ance

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iau

Aspect environnementaux

Exemple d’éco‐sélection du matériau (i) barrière d’autoroute et (ii) parechoc

Ashby (2007)


Exemple d’éco‐sélection du matériau (i) barrière d’autoroute

Ashby (2007)


Exemple d’éco‐sélection du matériau (ii) pare-choc

Ashby (2007)

Rappel sur les dimensions et unités Rappel sur les dimensions et unités

Dimensions et unités ?


Dimensions fondamentales ou de base: – Longueur L – Masse M – Temps t – Température – Courant électrique I – Intensité lumineuse Iv

– Quantité de matière N Dimensions secondaires (groupements formés à partir d’unités fondamentales) exemple:

- Volume L3

- Densité M/L3

- Force ML/t2

- Pression M/(t2L) - Etc…


Système International (SI) voir site http://www.utc.fr/~tthomass/Themes/Unites/

http://www.utc.fr/~tthomass/Themes/Unites/


Attention à l’uniformité des dimensions et des unités dans les formules

Préfixe Symbole Facteur

Yotta Y 1024

Zetta Z 1021

Exa E 1018

Peta P 1015

Tera T 1012

Giga G 109

Mega M 106

Kilo k 103

Hecto h 102

Deka da 101

Préfixe Symbole Facteur

Deci d 10‐1

centi c 10‐2

milli m 10‐3

micro 10‐6

nano n 10‐9

pico p 10‐12

femto f 10‐15

atto a 10‐18

zepto z 10‐21

yocto y 10‐24


Nombre sans dimension et effets d’échelle

Les matériaux de la semaine A

ttributs

Les matériaux de la semaine

Béton

Classification Céramique

Prix ($/kg) 0.05

Densité (kg/m3) 2300 ‐ 2600

Module d’élasticité (GPa) 15 ‐ 25

Résistance compression (MPa) 14 ‐ 70

Résistance traction(Mpa) ‐

Le béton est un composite très complexe et peu cher. La matrice est du ciment; le renfort, un mélange de sable et de gravier ('agrégat'), occupant 60‐80% du volume. L'agrégat accroît la rigidité et réduit le coût. Le béton est résistant en compression mais craque facilement en traction. Ceci est combattu en ajoutant des renforts d'acier. Le béton renforcé peut supporter des charges utiles même lorsque craqué. Composition (résumé) 6:1:2:4 Eau: ciment Portland : Agrégat fin : Agrégat grossier

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