Essais Et Proprietes Mécaniques Des Matériaux [PDF]

Zitiervorschau

3 Les grandes classes 1. de matériaux Introduction

Classification des matériaux •

Nature des liaisons ⇨ Trois grandes classes de matériaux solides : métaux, céramiques, polymères

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Matériaux naturels

•

Matériaux composites

Aciers Aluminium or

1. Introduction

Métaux et alliages bronze fontes ……...

Verres bétons

Céramiques, verres céramiques techniques (alumine, diamant,.. Porcelaine

Elastomères (caoutchouc, silicones.. Matrice céramique

Matériaux

Composite s Matrice métallique matrice polymère

Bois soie Matériaux Naturels coton, cuir papier

Polymères , Thermoplastiques (polystyrene,polyéthylène, PVC Thermodurcissables (résines) Mousses (polystyrène expansé)

Les quelques dates rappelées ci-dessous montrent que l’évolution des techniques est étroitement liée à la découverte et à la production de masse de nouveaux matériaux : le rail de chemin de fer est produit en masse par le convertisseur Bessemer, les circuits intégrés font appel aux monocristaux, le béton que nous connaissons aujourd’hui n’existerait pas sans le ciment Portland, etc. Toutes les familles de matériaux sont concernées par une concurrence de plus en plus vive (qu’on pense à la concurrence entre béton, bois, verre et métal dans le bâtiment) et une diversification croissante (il existe à ce jour plus de 3000 nuances d’aciers, dont la moitié n’existait pas il y a cinq ans). -8000 Briques en boue et argile ; apparition de la poterie : vaisselle en céramique (Proche-Orient) -8000 Martelage du cuivre natif en Asie : débuts de la métallurgie -5000 Mortier pour joints de briques en bitume ; travail de la laine (textile) -4000 Bronze fondu (Orient) (vers -3500 en Egypte et -1800 en Europe) -3500 Premières utilisations du plomb (conduites) -3000 Objets en verre (-2500 : perfectionnement par les Egyptiens) -2500 Débuts de la sidérurgie (Orient) (>1100°C) -1700 Première apparition de l’acier (Hittites) -1000 Mortier de chaux et chaux hydraulique -300 Aciers dits « de Damas » obtenus par fusion -250 Parchemin (Pergame) -100 Papier (Chine) ; soufflage du verre (Phéniciens) ; béton (Romains) 5e s. Transformation du fer en acier (Celtes) 7e s. Premières porcelaines en Chine (cuisson : 1200 à 1300°C)

1. Introduction Classification des matériaux de construction . Les matériaux de construction sont les matériaux qui ont la propriété de résister contre des forces importantes: Pierres Terres cuites Bois Béton Métaux, etc. Les matériaux de protection sont les matériaux qui ont la propriété d'enrober et protéger les matériaux de construction principaux: Enduits Peintures Bitumes, etc.

Elaboration fontes et aciers

élaboration

coulée

Élaboration Aluminium

Élaboration du Zinc Deux groupes de minerais sont exploités : les minerais oxydés, type calamine (carbonate et silicate de zinc), et surtout les minerais sulfurés, type blende (sulfure de zinc mêlé de sulfure de plomb). L'enrichissement du minerai s'effectue généralement par flottation. Avant traitement métallurgique, on procède à un grillage pour amener les concentrés à l'état d'oxyde. Les deux procédés d'élaboration sont la voie sèche (voie thermique) et la voie humide par électrolyse (ou hydrométallurgie), aujourd'hui prépondérante. L'extraction par voie thermique est fondée sur la réduction de l'oxyde de zinc par le carbone ou l'oxyde de carbone à haute température (environ 1 000 °C), le métal passant à l'état de vapeur, que l'on condense. Un raffinage par liquation au four ou/et par distillation fractionnée est ensuite nécessaire pour obtenir le métal pur. L'extraction par voie humide se fait par électrolyse d'une solution de sulfate de zinc obtenue par lixiviation, décantation et filtration ; elle donne un métal de grande pureté

Élaboration du Cuivre À l'état natif, le cuivre se trouve principalement sous forme de sulfure (chalcopyrite CuFeS2). Les minerais contiennent assez peu de cuivre (moins de 5 %) mais contiennent d'autres métaux, en particulier du fer et des métaux précieux (argent, or, platine), parfois du nickel et du cobalt, qui en sont également extraits.

1. Introduction

Les caractéristiques des matériaux

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Classement des propriétés des matériaux en 6 catégories (en fonction des agents auxquels ils sont exposés) :

Mécaniques Electriques Thermiques Magnétiques Optiques Chimiques

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Caractérisation mécanique

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Caractéristiques mécaniques des matériaux doivent être définissables sans ambiguïté en fonction des qualités ou des capacités attendues.

•

Pas indépendantes des conditions de mesure Présentation des grandeurs mesurables Essais permettant de les obtenir

1 Propriétés mécaniques des matériaux 1.1 Qualités mécaniques attendues •

Rigidité : déformation réversible faible par rapport au chargement appliqué (≠ souplesse)

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Résistance aux efforts : (a) rupture : aptitude à ne pas se rompre sous l'effet d'un chargement (b) plastification : aptitude à ne pas se déformer de manière irréversible sous l'effet d'un chargement

•

Ductilité : capacité à se déformer avant de rompre

•

Résilience : capacité à emmagasiner de l'énergie au cours d'une déformation élastique

•

Ténacité : capacité à absorber de l'énergie au cours d'une évolution irréversible (plastification, rupture)

•

Résistance à la fatigue : capacité à supporter des sollicitations mécaniques cycliques plus ou moins régulières, alternées, répétées…

•

Résistance aux chocs : capacité à absorber de l'énergie lors d'une rupture par choc

•

Dureté : résistance à l'enfoncement d'un pénétrateur (liée à la résistance à la plastification)

• Résistance à l'usure : résistance à l'enlèvement de matière par frottement (couple de matériaux)

1.2 Caractéristiques mécaniques des matériaux • Modules d'élasticité

Module de Young E

ε γ

Pente de la courbe contrainte - déformation dans le domaine élastique en traction pure ou en flexion (unité : Pa)

E G

τ σ

Module de Coulomb G Pente de la courbe cisaillement glissement dans le domaine élastique en torsion pure (unité : Pa)

• Résistance à la rupture Charge maximale applicable à une section d'éprouvette sollicitée en traction pure sans rupture (unité : Pa)

Fma

σ R= x

S 0

• Limite d'élasticité Charge maximale applicable à une section d'éprouvette sollicitée en traction pure sans entraîner de déformation plastique (unité : Pa)

σe=

F e

S 0

• Allongement et striction - Allongement relatif de l'éprouvette de longueur initiale A% =

0

après rupture

Δ

0 - Striction : variation relative de la section après rupture

Δ Σ%= S S • Ténacité

0

- Résistance à la rupture d'un matériau en présence d'une fissure (ou résistance à la propagation de fissure)

• Résistance aux chocs ou résilience - Energie absorbée lors de la rupture par choc en traction ou en flexion (unité : J/cm2) - Dépend des conditions de choc (plusieurs types d'essais) - KCV, KV, KCU

• Dureté - Plusieurs échelles de dureté : Vickers, Rockwell, Brinell… - Force appliquée sur le pénétrateur / surface de l'empreinte - Profondeur de pénétration de l'indenteur - Considérée comme une grandeur repérable (sans unité)

2-Essais mécaniques Objectif : définir les principaux essais mécaniques - définition du principe - description des appareillages - analyse des résultats, critique - paramètres à prendre en compte

•

•

2.1

:Essai de traction

Principe de l'essai - Appliquer un effort de tension croissant suivant l'axe de l'éprouvette - Choix d'imposer un effort ou une déformation avec une vitesse constante

Eprouvettes - Forme déterminée par le système de fixation - Contrainte et déformation uniformes sur une longueur significative - Pas de rupture dans les zones d'application des efforts

0

•

Dispositif - Alignement de l'éprouvette avec l'axe de traction - Capteurs d'efforts dynamométriques ou à jauges - Allongements : déplacement des mors, extensomètre ou jauges

Traverse supérieure mobile

Mors de serrage

Capteur de force Eprouvette

•

Résultat : courbe de traction - Courbe représentant l'effort F exercé en fonction de l'allongement Δ

ou

de la déformation ε F B

A

OA : élastique linéaire (réversible) AB : plastique (irréversible, non linéaire)

Δ

O

- Courbe contrainte – déformation σ

vraie Déformation vraie : conventionnelle

O

ε

Contrainte vraie :

εréelle = ln (1+ε) σréelle = σ (1+ ε)

•

Caractéristiques mécaniques conventionnelles obtenues - limite d'élasticité : généralement la limite conventionnelle à 0,2 ou 0,02 % - résistance à la traction - allongement à la rupture - coefficient de striction - module d'Young

E =

Δ Σ%= S S k S0

0

0

- coefficient de Poisson

•

Paramètres influençant les résultats température, raideur de la machine, vitesse de déformation

•

•

2.2 Essais de dureté Principe de l'essai - Pénétrateur enfoncé dans le matériau sous l'effet d'une force constante - Mesure de la taille de l'empreinte ou de sa profondeur - Peu destructifs ⇨ employés dans l'industrie - Liée à la limite d'élasticité et résistance en traction

Essai Meyer – Essai Brinell - Pénétrateur : bille polie (acier trempé ou carbure de tungstène) - Mesure du diamètre de l'empreinte

- Expressions de la dureté :

HM =

4 F πd

HB =

2

(surface apparente)

•

2 F 2 2 π D (D - D -d )

(surface calotte sphérique)

Essai Vickers - Même principe que Brinell et Meyer avec pénétrateur pyramidal (136°) 2×0,102 F sin (68°) d

HV = - Nécessite un très bon état de surface

2

•

Essai Rockwell - Mesure de l'enfoncement rémanent du pénétrateur après une surcharge (profondeur de l'empreinte) - Plusieurs types de pénétrateur : cône diamant ou bille d'acier

F0 + F1

F 0

a

HRC = 100 -

e 0,00 2

F 0

b

c

e = ac

HRB (ou F) = 130 -

e 0,00 2

2.3 Essais de Résilience •

Principe de l'essai - Rompre par un choc une éprouvette entaillée - Mesure de l'énergie nécessaire à cette rupture / section au droit de l'entaille

Charp y

Izo d

Energie mesurée relative au type d'essai employé

•

Dispositif expérimental - Dispositif classique : mouton pendule - Mesure de la différence entre l'angle au départ et à l'arrivée

Cadra n

Position de départ Percuteur

Éprouvett e

appuis

•

Caractéristiques obtenues - Estimation de la résistance aux chocs : énergie / unité de surface - Observation des faciès de rupture → comportement du matériau Entaill e

Entaill e

Rupture fragile

Rupture ductile

- Paramètre important : température → Observation de la transition fragile / ductile K V

Fragil e

Ductil e Température

Conclusions •

Grande variété de propriétés → nombreux essais possibles

•

Difficulté de mettre en pratique les conditions théoriques

•

Nécessité des normes d'essais

•

Importance des paramètres extérieurs