Cours Introduction [PDF]

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La faculté des sciences et techniques FST Settat

Filières: Mastère ICSM

Pr. A. AKHIATE

09/11/2020

FST Settat– Généralités sur les matériaux/ Pr. A. AKHIATE

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Généralités sur les matériaux I- Definition. -Un matériau est la forme marchande d’une matière première choisie en raison de propriétés d’usage spécifiques et mise en œuvre par des techniques appropriées pour l’obtention d’un objet de géométrie donnée à fonction préméditée.

L’objectif du cours :  S’intéresser aux propriétés mécaniques et physiques des matériaux et à leur comportements sous l’action des efforts extérieurs.  Étudie la conception des matériaux

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Généralités sur les matériaux -

On peut donc dire qu'un Matériau est un solide utilisé par l’homme pour la fabrication d’objets.

-

Exclus : gaz, liquides, les semi-conducteurs, matières énergétiques (charbon, combustibles nucléaires, …) Procédure de réalisation d’un objet fini.

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Généralités sur les matériaux

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Généralités sur les matériaux

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Généralités sur les matériaux

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Généralités sur les matériaux Les constitutives des matériaux passe par leur fabrication d’un ordre de grandeur allant du nm au m;

atomes

liaisons

empilements atomiques

solution solide

assemblages de grains et de phases

Ordre de grandeur d’utilisation des matériaux

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Généralités sur les matériaux Principales familles de matériaux . - On classe habituellement les matériaux en quatre grandes familles :

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Généralités sur les matériaux Classes des matériaux .

- Les matériaux sont classés suivant différents critères comme par exemple leur composition, leur structure ou leurs propriétés. - Cette classification est basée sur la nature des liaisons et sur les structures atomiques.

• Les métaux et leurs alliages (liaisons métalliques). • Les polymères organiques (liaisons covalentes et liaisons secondaires). • Les céramiques (liaisons ioniques et liaisons covalentes). Les trois classes de matériaux: métaux, céramiques et polymères organiques avec quelques possibilités de combinaison pour former des matériaux composites. 09/11/2020

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Les critères de choix des matériaux

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Les critères de choix des matériaux

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Les critères de choix des matériaux

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Les critères de choix des matériaux

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Les critères de choix des matériaux

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Propriétés Les propriétés d’usage des matériaux  deux origines :  Composition chimique (nature des espèces atomiques qui les constituent).

 Microstructure (organisation des atomes constitutifs).

- Propriétés mécaniques: module élastique, contrainte, déformation, dureté. - Propriétés physiques: masse volumique, porosité, forme, couleur, rugosité, surface spécifique, etc - Propriétés Chimiques: perméabilité, conductivité électrique, pH, etc

- Propriétés thermiques: Dilatation, point de fusion, conductivité thermique, etc

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Changements d’état de la matière Effet de la température

-Température -> mesure -> degré d’agitation et de désordre. - T --> forte vibration des atomes – dilatation thermique – distance importante entre atomes et molécules. - T ≃ --> forces d’attraction interatomique non négligeable - atomes en désordre mais à courte distance – passage à l’état liquide. - T --> forces d’attraction interatomique devenant prépondérantes – passage à l’état: - Solide cristallisé (atomes ordonnés). -Solide amorphe ou vitreux (atomes en désordre). Figure 5. Changements d’état de la matière en fonction de la température.

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Changements d’état de la matière Effet de la pression

- La pression joue un rôle dans le changement de l’état de la matière. - L’augmentation de la pression stabilise les états condensés (solide, liquide) P/P à l’état dispersé (gazeux). -P

 T de changement d’état

Figure 6. Variation des états physiques en fonction de la pression et de la température.

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Liaisons Nature des liaisons

- Liaisons chimiques  Liaisons fortes : - liaison covalente (deux non-métaux; ex: C diamant, Ge, Si, Cl2, SiO2 …) - liaison ionique (un métal et un non métal; ex: NaCl, Al203 …) - liaison métallique (deux métaux; ex: CuBe, CuNi, CuAl …)

- Liaisons physiques  Liaisons faible: - liaison hydrogène (ex: polymères organiques, ciments …) - liaison de Van der Waals.

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Composition et structure des matériaux Structures

SOLIDES AMORPHES

SOLIDES CRISTALLINS

Solides amorphes Dans un solide amorphe ou vitreux, les atomes sont disposés aléatoirement et proches les uns des autres (répétition non périodique).  Pas d’ordre à longue distance

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Composition et structure des matériaux Structures Solides cristallins Un solide cristallin (ou un cristal) est un ensemble d’atomes (ou de molécules) disposés de manière périodique dans les trois directions. Il peut être défini à partir de deux données : le réseau cristallin et le motif atomique.

 Ordre à courte distance qu’à longue distance Transition vitreuse et cristallisation

-Modes de refroidissement. - Cristallisation : transition isotherme avec dégagement de chaleur - Transition vitreuse : sans dégagement de chaleur

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Composition et structure des matériaux Structures Matériaux cristallins - Ils sont représentés par un modèle tripériodique caractérisé par des paramètres dits paramètres cristallins (a, b, c) qui sont les distances entre les atomes les plus proches voisin dans les trois directions de l’espace. - On définit aussi a, b et g Les angles que font les 3 axes (respectivement oy.oz, ox.oz et ox.oy) entre eux. - a, b, c et a, b et g Définissent un système cristallin.

Définition d’un système cristallin

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Composition et structure des matériaux Structures Empilements d’atomes: Cristaux et symétries Combinaisons d’une rotation + translation ou inversion (symétrie centrale). seuls angles de rotation possibles (opération de symétrie) : axes de rotation

d’ordre 1, 2, 3, 4, 6  Rotation: Réseaux de Bravais

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Composition et structure des matériaux -

Structure cubique à faces centrées (cfc).

Empilement compact de plans compacts, selon une séquence ternaire A-B-C-A-B-C-A-B-C-…, le long des directions du cristal.

(ex. Cuivre (a=0,3615 nm), Aluminium (a=0,4049 nm), Nickel (a=0,3524 nm), Argent, Platine, Or (a=0,4079 nm), Fe g (à 950 °C))

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Composition et structure des matériaux - Structure cubique centrée (CC).

- Cette structure ne comporte aucun plan compact.

(Fer a (a = 0,2866 nm), Chrome (a= 0,2884 nm), Vanadium, Molybdène (a= 0,3147 nm)…) - Structure hexagonale compacte (HC).

- Empilement compact de plans compacts, selon une séquence binaire A-B-A-B-A-B-… le long de l’axe du prisme hexagonal.

(Titane, Zirconium, Cadmium, Zinc, …)

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Composition et structure des matériaux Structures Empilements d’atomes: cas des Métaux Liaison métallique non dirigée  compacité + degré de symétrie = élevés. Structure de la plupart des métaux purs (normaux ou de transition) :

(CFC) compacité 0,74 Al, Ni, Cu, Au, Ag, Pt, Pb...

(CC) compacité 0,68 Li, Na, K, Nb, Mo, Ta...

(HC) compacité 0,74 Mg, Zn...

Parfois plusieurs structures possibles (polymorphisme ou allotropie) : ex: Fe,Ti...

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Composition et structure des matériaux - Réseaux de Bravais.

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Composition et structure des matériaux Structures Position, direction et plan cristallin

(hkl) : indices de Miller

Repérage d’un atome `a l’aide de la base associée au motif

Plan cristallographique dans la maille

Repérage des plans dans le réseau cubique 09/11/2020

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Défauts cristallins et défauts de structures Défauts cristallins et défauts de structures. Ils gouvernent les propriétés mécaniques (dureté, déformabilité, rupture) les propriétés de transport (diffusion) -

-

Défauts ponctuels Lacune: site vacant susceptible d’être occupé par un atome. Interstitiel: Atome supplémentaire disposé en un emplacement normalement inoccupé dans le cristal. Défauts produits par agitation thermique (N.B.: à 0 K pas de formation d’interstitiel). Concentration des interstitiel avec T.

avec ; n : nombre de défauts, N : nombre de sites du cristal, A : constante sans dimension, Q : énergie de formation du défaut ponctuel (J/mole), R : constante des gaz parfait, T : température du cristal (K). Atomes d’impureté en solution solide: Défauts d’irradiation.

-

Impact des défauts ponctuels sur les propriétés des matériaux: Propriétés liées aux phénomènes de transport de la matière : diffusion grâce aux lacunes, charges électriques : conduction dans les solides ioniques.

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Défauts cristallins et défauts de structures Défauts linéaires - Distorsion locale d’un réseau cristallin parfait. L’amplitude du « pli »; discontinuité de translation qui caractérise le défaut p/p à un cristal parfait, est caractérisée par le vecteur de Burgers . Dislocation coin: La ligne de dislocation L est au . Dislocation vis: La ligne de dislocation L est // au .

-

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Energie de dislocation: l’énergie de déformation W emmagasinée dans le cristal au voisinage d’une ligne de dislocation est proportionnel à sa longueur L par:

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Défauts cristallins et défauts de structures Défauts linéaires Impact des défauts linéaires sur les propriétés des matériaux : Déformabilité: le déplacement des dislocations conditionne la plasticité, déformation irréversible, peu d’endommagement. Exemple pratique: mise en forme des métaux et alliages métalliques (emboutissage de tôles pour l’industrie automobile …). Phénomène de transport. Diffusion plus facile le long des dislocations que dans le réseau. Semi-conducteurs ( Microélectroniques) -> abaissement de la résistivité électrique.

dislocations dans un alliage de titane

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Défauts cristallins et défauts de structures Défauts surfaciques Joint de grains; joint de phases: La plupart des solides cristallins -> constituée d’un agglomération de cristaux ou grains. Joint de grains : cristaux de même nature. Joint de phase: cristaux de nature différente.

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Défauts cristallins et défauts de structures Défauts surfaciques Faute d’empilement et Paroi d’antiphase : Erreur dans la séquence d’empilement des plans atomiques exemple réseau cfc.

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Défauts cristallins et défauts de structures Défauts surfaciques Impact des défauts surfaciques sur les propriétés des matériaux : lieux de diffusion rapide (conductivité, déformation à chaud, précipitation...) Energie élevée -> réactivité chimique élevée, fragilité possible, fissuration, corrosion. Résistance à la déformation plastique (obstacle au mouvement des dislocations). Dureté. Durée de vie sous sollicitations mécaniques cycliques … Défauts volumique Pore: cavité fermée à l’intérieur d’un cristal ou d’un polycristal ; exemple: porosités (céramiques, métallurgie des poudres), retassures (défauts de fonderie)...

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Défauts cristallins et défauts de structures Défauts cristallins et défauts de structures. Défauts volumique Inclusion: effet de matrice. Particule d’un solide de nature différente enrobée dans le solide principale appelé matrice; exemple Cu3Au. Impact des défauts volumiques sur les propriétés des matériaux: Perte de rigidité: briques réfractaires. rupture des matériaux très déformables. sensibilité à la corrosion par piqûre.

Effet de la température La mise en contacte de deux solides de nature différente se traduit par un passage progressif des atomes de l’un dans l’autre sous l’effet de la chaleur. Conséquence: - transformations de structure et de composition des solides. - application pratique pour l’élaboration des composites entre autres…

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Effet de la température - Variation du coefficient de diffusion:

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Propriétés des matériaux Definition. Une propriété du matériau est une grandeur intensive généralement avec une unité de mesure. - Les propriétés principales des matériaux peuvent être divisées en plusieurs groupes tels que: - Propriétés mécaniques (la résistance en compression, en traction, à la flexion, à la torsion, à la fatigue, le module d’élasticité etc …). - Propriétés physiques (la densité, la masse volumique, l’humidité, la porosité, l’absorption, la perméabilité, le retrait ou gonflement etc..;) . - Propriétés chimiques (corrosion chimique, l’attaque à l’acide, etc ….) .

- Propriétés thermiques (la dilatation, conductivité thermique ….)

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Propriétés des matériaux Propriétés mécaniques. Le matériau doit résister à son environnement et à ses sollicitations mécaniques. Les caractéristiques mécaniques des matériaux sont définies à partir d’essais mécaniques normalisés; - Contraintes (unités N/mm2 ou MPa) : Elles caractérisent les efforts de cohésion qui existent entre les grains de la matière. On trouve des contraintes normales σ et des contraintes de cisaillement τ .

- Déformations: Une pièce se déforme lorsqu'elle est soumise à des efforts opposés. La matière a typiquement trois modes de déformation ; élastique, plastique et rupture. - Elasticité : Elle caractérise l’aptitude qu’a un matériau à reprendre sa forme et ses dimensions initiales après avoir été déformé. - Plasticité : Un matériau qui ne reprend pas sa forme et ses dimensions après avoir été déformé est dit plastique.

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Propriétés des matériaux Propriétés mécaniques.

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Métaux et alliages Introduction. On peut considérer les matériaux comme possédant chacun un jeu de caractéristique. Le concepteur ne recherche pas un matériau en tant que tel. Mais une combinaison de caractéristiques, un profil de propriétés... Le nom du matériau est une façon d’identifier un profil de propriétés particulier, d’où le recours à la désignation pour identifier chaque matériau.

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Métaux et alliages Fer et alliages ferreux. Propriétés physico-chimique du fer:

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Métaux et alliages Fer et alliages ferreux. Diagrammes de phases fer – carbone Les phases des alliages fer – carbone peuvent être décrites à l’aide de deux diagrammes:

– le diagramme Fe – Fe3C, représentant des états métastables; – le diagramme Fe – C, représentant les états stables.

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Métaux et alliages Diagrammes de phases fer – carbone - Fe3C (cémentite) se forme lors du refroidissement des mélanges Fe-C (forme métastable). - Refroidissement lent = diagramme Fe-C.

- Refroidissement rapides = diagramme Fe-Fe3C. - Eléments d’adition graphitisants activent la décomposition de la cémentite (Si, P, Al, Ni, Cu, Ti, Zr, …).

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Métaux et alliages Acier

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- Les aciers, alliages Fe-C à teneur inférieure à 2 % C, ont des microstructures qui correspondent toujours aux équilibres du diagramme Fe-Fe3C. - Traitements thermiques des aciers:

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Métaux et alliages Désignation normalisée des métaux et alliages. Alliages ferreux: Désignation normalisée des aciers. La désignation symbolique par emploi commence par une lettre majuscule suivie par des indications chiffrées relatives à des caractéristiques mécaniques (Re, Rm ou dureté).

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Métaux et alliages Désignation normalisée des métaux et alliages. Aciers alliés ACIERS ALLIES Un acier c'est du fer avec 0.05 à 1.67% de carbone.

FAIBLEMENTS ALLIES Aucun élément d’addition n’atteint la teneur de 5%

FORTEMENTS ALLIES Un élément d’addition atteint au moins la teneur de 5%

Pas de Symbole Un nombre entier, égal à cent fois le pourcentage de la teneur moyenne en carbone Un, ou plusieurs groupes de lettres, qui sont les symboles chimiques des éléments s’addition rangées dans l’ordre des teneurs décroissantes. Une suite de nombres, rangés dans le même ordre que les éléments d’addition, et indiquant le pourcentage de la teneur moyenne de chaque élément ces teneurs sont multipliées par un facteur. 09/11/2020

Symbole X Un nombre entier, égal à cent fois le pourcentage de la teneur moyenne en carbone Un, ou plusieurs groupes de lettres, qui sont les symboles chimiques des éléments s’addition rangées dans l’ordre des teneurs décroissantes. Une suite de nombres, rangés dans le même ordre que les éléments d’addition, et indiquant le pourcentage de la teneur moyenne de chaque élément ces teneurs sont des pourcentages réels.

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Métaux et alliages Désignation normalisée des métaux et alliages. Aciers alliés

Facteur

Elément d’alliage

Facteur

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W

4

Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V,

10

Elément simple

Symbole chimique

Symbole AFNOR

Elément simple

Symbole chimique

Symbole AFNOR

Elément simple

Symbole chimique

Symbole AFNOR

Aluminium

AL

A

Etain

Sn

E

Silicium

Si

S

Azote

N

-

Fer

Fe

Fe

Soufre

S

F

Béryllium

Be

Be

Lithium

Li

Strontium

Sr

-

Bismuth

Bi

Bi

Magnésium

Mg

G

Tantale

Ta

-

Bore

B

B

Manganèse

Mn

M

Titane

Ti

T

Cuivre

Cu

U

Plomb

Pb

Pb

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Métaux et alliages Désignation: Exemple Aciers Faiblement alliés :

Aciers Fortement alliés :

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Métaux et alliages Désignation normalisée des métaux et alliages. Aciers non alliés

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Métaux et alliages Fontes: Une fonte c'est du fer avec 1.67 à 4.2% de carbone.

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GJMB : à cœur noir

GJMW : à cœur blanc

(black)

(white)

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Métaux et alliages Fontes:

Fontes à Graphite Lamellaire Désignation symbolique, exemple : Préfixe

EN - GJL - 300

Valeur de la résistance minimale à la rupture par extension

Fontes à Graphite sphéroïdale Désignation symbolique, exemple :

Préfixe

Pourcentage de l’allongement après la rupture

EN - GJS - 300 - 22 Valeur de la résistance minimale à la rupture par extension en Mpa

Fontes à Graphite sphéroïdale Désignation symbolique, exemple :

Préfixe

EN - GJM (W ou B)- 300 - 22 GJMW : à cœur blanc (white) GJMB : à cœur noir (black)

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Pourcentage de l’allongement après la rupture

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Valeur de la résistance minimale à la rupture par extension en Mpa 52

Métaux et alliages Désignation normalisée des métaux et alliages. Alliages non ferreux: a- Alliages d’aluminium. Exemple de désignation : Al Cu4 Mg

Avec : AL : Symbole du métal de base ALUMINIUM. Cu4 :1er élément d’addition suivi de son pourcentage réel. Mg :2e élément d’addition suivi de son pourcentage réel. Exemples d’alliage d’Aluminium : - ALPAX : Aluminium (Al) + Silicium (Si)

Al Si 12 (Bonne moulabilité).

- DURALIUM : Aluminium (Al) + Cuivre (Cu)

Al Cu 4 Mg Si (Bonne usinabilité).

- DURALINOX : Aluminium (Al) + Magnésium (Mg)

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Al Mg 4 (Bonne soudabilité). (Pièces chaudronnées : Citernes, Tuyauterie).

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Métaux et alliages Désignation normalisée des métaux et alliages. Alliages non ferreux: b- Alliages de cuivre. Exemple de désignation : Cu Zn 39 Pb2

Avec : CU : Symbole du métal de base Cuivre. ZN 39 :1er élément d’addition suivi de son Pourcentage réel. Pb2 :2e élément d’addition suivi de son Pourcentage réel. Exemples d’alliage de Cuivre : - BRONZE : Cuivre (Cu) + Etain (Sn)

Cu Sn 8 Matériau de frottement (Bague, douille, segments) - LAITON : Cuivre (Cu) + Zinc (Zn) Cu Zn 15 Bonne usinabilité (robinetterie, pompe) - CUIVRE AU BERYLIUM : Cuivre (Cu) + Béryllium (Be) Cu Be 2 (Ressorts, rondelles, dynodes d’un photomultiplicateur)

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Métaux et alliages Désignation des matériaux plastiques.

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