Introduction à La Physique Des Matériaux Chapitre 3 Diffraction Des Rayons X Par Les Solides
Chapitre 1: Les matériaux
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Enseignant : Fellah Ahmed Matière : Technologie de base 1 Chapitre 1: Les matériaux I. Généralités I.1. Définition d’un matériau ........................................................................................ I.2. Les grandes familles des matériaux ....................................................................... I.3. Critères de choix d’un matériau ............................................................................. I.4. Les liaisons interatomiques..................................................................................... 02 02 03 04 II. Lés métaux II.1. Introduction ............................................................................................................ II.2. Structure cristalline des métaux............................................................................. II.3. Les alliages métalliques......................................................................................... 05 05 06 II.3.1. Alliages ferreux ................................................................................. 06 II.3.1.1. Diagramme d’équilibre Fer-Carbone....................................... II.3.1.2. Les fontes................................................................................. II.3.1.3. Les aciers.................................................................................. II.3.1.4. Les éléments d’addition et ses rôles......................................... 08 10 13 15 II.3.2. Alliages non ferreux ............................................................................... 16 II.3.2.1. Le cuivre et ses alliages ........................................................... II.3.2.2. L’aluminium et ses alliages ..................................................... II.3.2.3. Le zinc et ses alliages .............................................................. 16 19 22 III. Lés polymérés III.1. Introduction .......................................................................................................... III.2. Propriétés des polymères ..................................................................................... III.3. Les principaux polymères industriels .................................................................. 24 24 26 III.3.1. Polymères thermoplastiques ................................................................. III.3.2. Polymères thermodurcissables .............................................................. III.3.3. Elastomères ........................................................................................... 26 27 28 IV. Lés céramiqués ét vérrés IV.1. Introduction ......................................................................................................... IV.2. Propriétés mécaniques des céramiques ............................................................... IV.3. Classifications des céramiques ............................................................................ 29 30 30 V. Lés matériaux composités V.1. Introduction ........................................................................................................... V.2. Types de matériaux composites ............................................................................ V.3. Propriétés des matériaux composites .................................................................... V.4. Utilisation des matériaux composites ................................................................... 31 31 32 33
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Chapitre 1: Les matériaux
I. Gé né ralité s
I.1. Définition d’un matériau ........................................................................................
I.2. Les grandes familles des matériaux .......................................................................
I.3. Critères de choix d’un matériau .............................................................................
I.4. Les liaisons interatomiques.....................................................................................
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II. Lés mé taux
II.1. Introduction............................................................................................................
II.2. Structure cristalline des métaux.............................................................................
II.3. Les alliages métalliques.........................................................................................
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II.3.1. Alliages ferreux................................................................................. 06
II.3.1.1. Diagramme d’équilibre Fer-Carbone.......................................
II.3.1.2. Les fontes.................................................................................
II.3.1.3. Les aciers..................................................................................
II.3.1.4. Les éléments d’addition et ses rôles.........................................
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II.3.2. Alliages non ferreux ............................................................................... 16
II.3.2.1. Le cuivre et ses alliages ...........................................................
II.3.2.2. L’aluminium et ses alliages .....................................................
II.3.2.3. Le zinc et ses alliages ..............................................................
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III. Lés polymé rés
III.1. Introduction ..........................................................................................................
III.2. Propriétés des polymères .....................................................................................
III.3. Les principaux polymères industriels ..................................................................
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III.3.1. Polymères thermoplastiques .................................................................
III.3.2. Polymères thermodurcissables ..............................................................
III.3.3. Elastomères ...........................................................................................
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IV. Lés cé ramiqués ét vérrés
IV.1. Introduction .........................................................................................................
IV.2. Propriétés mécaniques des céramiques ...............................................................
IV.3. Classifications des céramiques ............................................................................
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V. Lés maté riaux composités
V.1. Introduction ...........................................................................................................
V.2. Types de matériaux composites ............................................................................
V.3. Propriétés des matériaux composites ....................................................................
V.4. Utilisation des matériaux composites ...................................................................
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Chapitre 1: Les matériaux
I. Gé né ralité s
I.1. Définition d’un matériau
Un matériau est une substance quelconque utilisée à la construction des objets, machines,
bâtiments, ...etc. Un matériau est généralement sélectionné en fonction des propriétés particulières
qu'il doit notamment à sa nature chimique et/ou à sa forme physique. Ces propriétés permettront
ensuite un usage spécifique de l'objet fabriqué.
I.2. Les grandes familles des matériaux
On peut distinguer cinq grandes familles de matériaux :
o Les matériaux métalliques : comme le fer, le cuivre, le bronze, qui sont généralement durs
et bons conducteurs d'électricité.
o Les matériaux organiques : comme le coton, le cuir, Os, Roches ...etc.
o Les polymères (plastiques) : comme le PVC, le polyester ou le caoutchouc, qui sont
traditionnellement produits à partir d'hydrocarbures et qui présentent des propriétés variées.
o Les céramiques et verres : qui sont des isolants électriques.
o Les matériaux composites : comme les fibres de carbone, le contreplaqué ou le béton armé.
Les grandes familles des matériaux.
Les matériaux métalliques
Les polymères Les céramiques
et verres
Les matériaux composites
Les matériaux organiques
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I.3. Critères de choix d’un matériau
Le choix d’un matériau, dans une utilisation, dépend de plusieurs critères :
o Propriétés physiques o Masse volumique
o Propriétés mécaniques o Rigidité
o Ductilité
o Dureté
o Ténacité
o Résistance à la fatigue
o Résistance au fluage
o Propriétés thermiques o Conductivité thermique
o Capacité calorifique spécifique
o Coefficient de dilatation thermique
o Propriétés électriques
et magnétiques
o Conductivité électrique
o Perméabilité magnétique
o Interaction avec
l’environnement
o Oxydation
o Usure
o Corrosion
o Aptitude à la mise en
œuvre
o Facilité de mise en forme
o Usinabilités (La malléabilité)
o Soudabilité
o Finition
o Propriétés économiques
et environnementales
o Coût et disponibilité
o Recyclabilité
o Durabilité
o Propriétés esthétiques o Couleur
o Texture
Le tableau ci-dessous donne une indication des principales propriétés usuelles des polymères, des
céramiques et des alliages métalliques.
type de matériaux métaux plastiques céramiques et verres
Densité élevée faible faible
Module d’Young (rigidité) élevée faible élevée
Coefficient de dilatation
thermique moyen élevée faible
Dureté élevée faible à élevée élevée
Ductilité élevée (plasticité) élevée sauf à l’état
vitreux faible et aléatoire
Conductivité électrique et
thermique élevée faible (isolants)
électrique : faible
thermique : élevée
Résistance à la corrosion faible élevée élevée
Mise en forme facile très facile (moulage) difficile (frittage)
Les composites réalisant généralement une combinaison de ces différentes propriétés, optimisée
selon l’emploi du matériau considéré
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I.4. Les liaisons interatomiques
Le classement des grandes familles des matériaux repose aussi en grande partie sur le type de
liaison entre les atomes. En général, les liaisons interatomiques sont directement liées à la couche
périphérique et elles sont du type ionique, covalent ou métallique.
Liaison covalente: Une liaison covalente est une liaison dans laquelle deux atomes
partagent deux électrons afin de former un doublet d'électrons liant les deux atomes.
Avant la liaison Les deux atomes à l’état lié
Représentation de la liaison covalente entre deux atomes de A et B.
Liaison ionique : dans cette liaison, il y a un transfert d'électrons d'un métal vers un
métalloïde et s’établit surtout entre les éléments qui possèdent beaucoup d’électrons de valence et
d’autres qui en ont peu, les atomes perdent ou gagnent un ou plusieurs électrons deviennent des ions
négatifs (anions) ou positifs (cations), c'est une liaison réalisée par attraction électrostatique.
(A) (B) (A+) (B-)
Avant la liaison Les deux atomes à l’état lié
Formation d’une liaison ionique entre deux atomes de A et B.
Liaison métallique : cette liaison est formée par la combinaison de la liaison ionique et
de la liaison covalente. Par le fait que les électrons de liaison sont libres, on considère le métal
comme un empilement d'ions positifs entouré par un nuage d'électrons, les électrons libres
expliquent le phénomène de conductibilité thermique et électrique.
Liaison métallique entre deux atomes de A et B.
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II. Lés mé taux
II.1. Introduction
les métaux sont des matériaux dont les éléments chimiques ont la particularité de pouvoir
former des liaisons métalliques et perdre des électrons pour former des cations. Les métaux
représentent plus de 75% des éléments du tableau périodique.
Les métaux n'existent pas à l'état pur dans la nature, mais sous forme de combinaisons chimiques,
les métaux sont rencontrés sous formes de minerais qui sont des minéraux ou mélange de minéraux
à partir desquels on peut extraire un ou plusieurs métaux par les différents procédés métallurgiques.
Du point de vue mécanique, ils se caractérisent par des propriétés telles que leur module
d'élasticité élevé, leur dureté, leur ductilité, … etc.
Tableau périodique
II.2. Structure cristalline des métaux
L’examen microscopique d’un morceau de métal montre qu’il est en réalité constitué de la
juxtaposition d’un grand nombre de grains, entre lesquels existent des frontières assez nettes que
l’on appelle des joints de grains.
L’arrangement tridimensionnel où bien l’organisation interne des atomes définit la structure
cristalline des matériaux. La plupart des métaux ont des structures cristallines cubiques (CC et
CFC) ou hexagonales (HC).
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Examen microscopique d’un métal métal
Structures cristallines des métaux
II.3. Les alliages métalliques
Les alliages métalliques utilisés sont obtenus par cristallisation de deux ou de plus de deux métaux,
et parfois avec des inclusions d’éléments non métalliques.
On distingue 2 types d’alliage métallique:
- Les alliages ferreux
- Les alliages non ferreux
II.3.1. Alliages ferreux Le fer (Fe) est l’élément de base pour tous les alliages ferreux, S’il n’est pas combiné avec autre
élément il se nomme seulement « fer ». Le fer pur n’est pas employé dans l’industrie, les plus
employé sont les alliages Fer-Carbone.
Les caractéristiques de fer sont les suivantes :
- Masse atomique : 55.85
Cubique Centré (CC)
Cubique Faces Centrés (CFC)
Hexagonale Compacte (HC)
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- Nombre atomique : 26
- Rayon atomique : 1.27 Å
- Masse volumique : 7800 kg/m3
- Température de fusion : 1538 °C.
Le Fer existe sous deux variétés allotropiques différentes (2 réseaux cristallins):
Fer α : existe aux températures inférieures à 912°C et possède un réseau cubique centré
(CC), il est magnétique jusqu'à la température de 768°C et au-dessus de cette température le
fer perd ses propriétés magnétiques et devient paramagnétique.
Fer γ : existe entre 912°C et 1394°C, il est paramagnétique et il a un réseau cristallin
cubique à faces centrées (CFC).
Fer δ : existe au-dessus de 1394°C et jusqu’au point de fusion à 1538°C, le fer retrouve la
structure cubique centrée du Fer α.
variétés allotropiques de fer
Le carbone est un élément non métallique peut abondant, (0,1% en masse dans l'écorce terrestre). Il
est rare à l'état libre, on le rencontre à l'état combiné dans toutes les substances végétales et
animales comme le pétrole, le charbon, le bois, etc. Ses caractéristiques sont les suivantes :
- Masse atomique : 12
- Nombre atomique : 6
- Rayon atomique : 0.77 Å
- Masse volumique : 2500 kg/m3
- Température de fusion : 3500 °C (Matériau réfractaire)
Il existe deux variétés cristallines dans les conditions ordinaires, le diamant et le graphite.
Le diamant : La variété du diamant est métastable à un réseau cristallin CFC, il est classé
comme le corps plus dur, c'est aussi un isolant électrique.
Le graphite : possède un réseau hexagonal simple, c'est un matériau réfractaire (point de
fusion est supérieure à 3500°C), il est relativement une bonne conductivité électrique. On peut
décrire le carbone graphite comme une succession de feuillets contenant des cycles hexagonaux
dont les sommets sont occupés par des atomes de carbone.
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Variétés cristallines de carbone
II.3.1.1. Diagramme d’équilibre Fer-Carbone
Le diagramme d’équilibre Fer-Carbone représente l’état physique et les différentes phases d’un
alliage Fer-Carbone en fonction de la température et de la concentration de carbone, ce diagramme
est déterminé grâce aux courbes de refroidissements.
Il existe 2 types du diagramme Fe-C :
Métastable : Fer-Cémentite (Fe-Fe3C) « Refroidissement rapide »
Stable : Fer-Carbone graphite (Fe-C) « Refroidissement lente » (Fe3C + chaleur ↔ 3Fe + C)
Analyse du diagramme
- Aciers : sont les alliages à teneur en carbone inférieure ou égale à 2.14%.
- Fontes : sont les alliages à teneur en carbone supérieure à 2.14%.
- Les phases : la phase est un domaine du matériau dont les propriétés physiques et chimiques sont
uniformes.
o Cémentite Fe3C: la cémentite ou carbone de fer est un composé chimiquement défini
(CCD), sa décomposition égale à 6.67 % en masse de carbone, elle est très dure mais fragile,
sa structure cristalline est rhomboédrique.
o La ferrite α : solution solide d’insertion de carbone dans le fer α à structure cubique centrée
(CC), elle est relativement dure, peu tenace mais très ductile. On distingue la ferrite α à
température T<912 °C et à solubilité du carbone allant jusqu’à 0.02%.
o L’austénite γ : solution solide d’insertion de carbone dans le fer γ à structure cubique faces
centrée (CFC), la solubilité limite du carbone dans le fer γ est de 2.14%. L’austénite est
stable à 727<T<1493 °C, elle est dure est relativement malléable.
o La ferrite δ : solution solide d’insertion de carbone dans le fer δ à structure cubique
centrée (CC), elle se forme à 1394 < T < 1538 °C et à un teneur en carbone allant
jusqu’à 0.1 %, elle est relativement dure, peu tenace et très ductile.
Le diamant Le graphite
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Diagramme d’équilibre Fer-Cémentite (Métastable)
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o La perlite : c’est un eutectoïde formé d’un mélange de grains de cémentite dans la ferrite α
(28.8% ferrite α et 11.1 % Fe3C à 727 °C), elle est obtenue lors du refroidissement à 0.76%
du carbone, la perlite est dure et assez ductile.
o La troostite : c’est une perlite obtenue pour des vitesses de refroidissement assez
importantes (huile).
o La bainite : c’est une perlite obtenue pour des vitesses de refroidissement élevées (eau).
o La martensite : acier refroidi rapidement depuis la température d’austénisation T=1493 °C.
o Le lédéburite I : c’est un mélange eutectique entre l’austénite γ et la cémentite et provenant
lors du refroidissement du liquide avec 4.3% du carbone jusqu’à T=727 °C , le lédéburite I
contient 47.67% du Fe3C et 52.33 du l’austénite γ à T=1147 °C.
o Le lédéburite II : Provient durant le refroidissement du lédéburite I, il contient 64.36% du
Fe3C et 35.64% de la ferrite α à T=727 °C.
- Aciers hyper-eutectoïde : à droite de la perlite jusqu’à 2.14 % du carbone.
- Aciers hypo-eutectoïde : à gauche de la perlite c-à-d. moins de 0.76% du carbone jusqu’à la ligne
de la limite de solubilité de carbone dans la ferrite α.
- Fontes hyper-eutectique : à droite du lédéburite jusqu’à 6.67% du carbone.
- Fontes hypo-eutectique : à gauche du lédéburite de 2.14 à 4.3% du carbone.
- Transformations (variations allotropiques) :
o Transformations eutectoïde (à 727 °C)
L’austénite γ (solide) ↔ ferrite α (solide) + Fe3C (solide) = Perlite
o Transformations eutectique (à 1147 °C)
Liquide ↔ L’austénite γ (solide) + Fe3C (solide) = Lédéburite I
o Transformations péritectique (à 1493 °C)
Liquide + ferrite δ (solide) ↔ L’austénite γ (solide)
II.3.1.2. Les fontes
Les fontes sont des alliages fer-carbone à teneur en carbone supérieure à 2.14%.
Processus d’élaboration
Ce métal est obtenu à partie de matières premières naturelles qui sont les minerais de fer, qui sont :
Magnétite Fe3O4, Hématite Fe2O3, Hématite brune 2 Fe2O3 + 3 H2O, Sidérose FeCO3.
L’élaboration de la fonte se fait dans le haut-fourneau dans lequel se déroule le processus
métallurgique de réduction, fusion, ainsi que la carburation du fer.
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Le but principal du haut fourneau est d'extraire le fer de son minerai et la séparation et l’élimination
des impuretés (la gangue), la charge introduite dans le gueulard se compose de minerai de fer
concassé et broyé et aggloméré, de coke et d’un fondant (souvent la calcaire CaCO3).
Le coke est obtenu par cokéfaction de la houille, il est utilisé pour fournir la chaleur nécessaire pour
la fusion.
La fonte de haut-fourneau est divisée suivant la destination en 3 groupes :
o Fonte d’affinage : plus de 80% de la production totale est composé de la fonte blanche
d’affinage essentiellement employée pour la fabrication de l’acier.
o Fonte de moulage : employée pour l’obtention des coulées façonnées.
o Alliage ferro-métalliques : contient de Si et de Mg, P, S...etc., ils sont utilisés comme
additions dans la production de l'acier pour améliorer sa qualité.
Le laitier de haut-fourneau est une matière très utilisée dans l'industrie des liants, pierres
artificielles, matériaux d'isolation thermique.
Le gaz du gueulard de haut-fourneau est utilisé comme combustible pour l'usine métallurgique.
Désignation des fontes (Norme européenne EN)
EN-GJL 100
EN-GJL : Fonte à graphite lamellaire (graphite se trouve sous forme de
lamelles).
100 : Résistance minimale à la rupture 100 MPa.
EN-GJS 600-22
EN-GJS : Fonte à graphite sphéroïdal (graphite se trouve sous forme de
nodules).
600 : Résistance minimale à la rupture 600 MPa.
22 : Allongement en % mesuré après la rupture.
EN-GJMW 400-10
EN-GJMW : Fonte malléable à cœur blanc.
400 : Résistance minimale à la rupture 400 MPa.
10 : Allongement en % mesuré après la rupture.
EN-GJMB 350-10
EN-GJMW : Fonte malléable à cœur noir.
350 : Résistance minimale à la rupture 350 MPa.
10 : Allongement en % mesuré après la rupture.
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Processus d’élaboration de la fonte (haut-fourneau)
3 Fe2O3 + CO →2 Fe3O4 + CO2
3 Fe3O4 + CO →3 FeO + CO2
3 FeO + CO → Fe + CO2
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Produits en fontes :
Produits en fontes
II.3.1.3. Les aciers
Les aciers sont des alliages fer-carbone à teneur en carbone inférieure ou égale à 2.14%.
Processus d’élaboration
L’acier est obtenu de la fonte liquide (fonte d’affinage) par différentes opérations métallurgiques
dans des fourneaux convertisseurs (filière fonte) ou bien par fusion de fer recyclé (filière ferrailles).
Le processus de fabrication se fait en trois étapes. On passe successivement :
Des matières premières à l'acier liquide : ajuster la composition chimique de l’acier.
- deux procédés : filière «fonte» et filière «ferrailles».
De l'acier liquide aux demi-produits : solidification de l’acier et ébauches de formes.
- deux procédés : coulée continue et coulée en lingots.
Enfin des demi-produits aux produits finis : mise en forme et mise à dimensions par
laminage avant la livraison.
Poteaux radiateurs de
chauffages tuyaux Clés
pièces de raccord pour les tubes
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Processus d’élaboration de l’acier.
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Désignation des aciers (Norme européenne EN)
S 335
S : Acier non allié d’usage général.
335 : Limite élastique Re=335 MPa.
Cette désignation est précédée de la lettre G pour les produits moulés.
E 335
E : Acier non allié de construction mécanique.
335 : Limite élastique Re=335 MPa.
Cette désignation est précédée de la lettre G pour les produits moulés.
35 Cr Mo 4
Aciers à outils (faiblement allié).
35 : 0.35% de carbone.
Cr : chrome.
Mo : molybdène
4 : 4/4=1% du Cr.
Facteur de multiplication Elément d’adition
4 Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
10 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr
100 N, P, S, Ce
1000 B
C 50 C : Acier non-allié.
50 : 0.5% de carbone
X 2 Cr Ni 19-11
X : Acier fortement allié.
2 : 2% de carbone
Cr : chrome.
Ni : nickel
19 : 19% de chrome.
11 : 11% de nickel.
II.3.1.4. Les éléments d’addition et ses rôles
L’objectif des éléments d’additions est de modifier les caractéristiques des alliages fer-carbone. Ces
modifications dépendent des éléments ajoutés et de leurs pourcentages.
o Manganèse (Mn) : Augmente la ductilité et confère une meilleure réponse aux traitements
thermiques.
o Silicium (Si) : Augmente la résistance.
o Molybdène (Mo) : Améliore la dureté et la trempabilité.
o Chrome (Cr) : Améliore la réponse aux traitements thermiques et l’abrasion, quand le
pourcentage est grand (12-25%), il améliore la résistance à l’oxydation et à la corrosion
(INOX).
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o Nickel (Ni) : Améliore la trempabilité et la résistance à la corrosion, de plus il augmente la
stabilité e l’acier à haute température.
o Plomb (Pb) : Améliore l’usinabilité.
o Phosphore (P) : Diminue la ductilité et la résilience et améliore la machinabilité et la
résistance à la corrosion.
o Soufre (S) : Réduit fortement la ductilité et les propriétés de résiliences, il affecte la qualité
de soudabilité.
o Aluminium (Al) : Affecte la vitesse de diffusion du zinc dans l’acier.
o Titane (Ti) : Stabilise la structure et améliore l’efficacité des éléments durcisseurs dans
l’acier.
II.3.2. Alliages non ferreux
Un matériau métallique est dit non ferreux quand le fer ne constitue pas un élément important dans
sa composition. Ils présentent un certain nombre de points communs : facilité de formage – variété
de forme – bonne résistance aux agents atmosphériques.
L'argent, l'or et le plomb, le cuivre et les bronzes ont été découverts avant le fer, ils sont largement
utilisés en raison de son bien meilleur rapport résistance mécanique/poids, permettant d'avoir des
outils, armes et casques plus légers et plus résistants.
II.3.2.1. Le cuivre et ses alliages
Le cuivre se trouve dans le sulfure CuFeS2 (état minéraux), C’est un métal rouge, il a une
température de fusion modérée (1084 °C) qui le rend intéressant pour faire des pièces moulées. Par
ailleurs, il a une structure cristalline cubique à faces centrées (CFC), et est donc très malléable, ce
qui facilite sa mise en forme.
Sulfate de cuivre qui devient bleu au contact de l'eau
.
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C'est un excellent conducteur électrique et de chaleur (Le meilleur conducteur de l'électricité après
l'argent), il est utilisé en électricité (fils de cuivre, connecteurs) et pour les échangeurs de chaleur. Il
est très utilisé en plomberie (tuyaux jusqu'à 16 cm de diamètre extérieur). Il a une bonne résistance
à la corrosion (formation d’une couche d'oxyde Cu2O pour la protectrice des surfaces) donc il est
très utilisé en plomberie.
Processus d’élaboration
o Phase 1 : élimination du fer Fe à partir du sulfure CuFeS2
o Phase 2 : extraction du Cu : Cu2S + O2 → 2Cu + SO2
Les alliages du cuivre
On distingue essentiellement 10 groupes :
Le cuivre pur contient au moins 99% de cuivre
Les cuivres faiblement alliés moins de 5% d’éléments d’addition
Les Laitons
- Cuivre + Zinc (laiton binaire).
- Cuivre + Zinc + Plomb (laiton au plomb).
- Cuivre + Zinc + autres (laitons complexes).
Les Bronzes - Cuivre + Étain (Sn).
- Cuivre + Étain + Zinc (Chrysocales).
Les Cuproaluminiums Cuivre + Aluminium
Les Cupronickels Cuivre + Nickel (Ni)
Les Maillechorts Cuivre + Nickel+ Zinc
Les Cuprosiliciums Cuivre + Silicium (Si)
Les Cuproplombs Cuivre + Plomb (Pb)
Les Billons Cuivre + Argent (Ag)
Les laitons et bronzes sont moins chers que le cuivre pur, ils ont un point de fusion plus bas et une
meilleure ductilité. Ces alliages sont donc très utilisés pour les pièces moulées et embouties, comme
par exemple les cloches, les statues, les hélices de bateau, les robinets et les serrures.
Par ailleurs, le bronze à un très faible coefficient de frottement avec l'acier, il est donc utilisé pour
les engrenages et pour guider les mouvements de pièces (paliers lisses).
Le maillechort (de MAILLOT et CHORIER, ses inventeurs) est utilisé pour la serrurerie,
l'orfèvrerie, les pièces de précision, les ressorts et les résistances électriques.
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Les cupro-aluminiums ont une excellente résistance à la corrosion et ils sont inoxydables à haute
températures pour cela ils sont utilisés dans la construction navale.
Désignation des alliages du cuivre
On utilise deux désignations :
La désignation symbolique (ISO) : elle décrit par le symbole chimique du cuivre suivi de
la liste des éléments d’alliage et de leur teneur en %.
Cu Zn 39 Pb 2 Alliage de cuivre (Laiton au plomb) avec 39% de zinc (Zn) et 2%
de plomb (Pb).
Cu Sn 9 P Alliage de cuivre (Bronze) avec 9% de l’étain (Sn) et moins de 1%
de phosphore (P).
Cu Zn 27 Ni 10 Alliage de cuivre (Maillechort) avec 27% de zinc (Zn) et 10% de
nickel (Ni).
La désignation numérique (NF EN): se fait comme suit : C + lettre + 3 chiffres + lettre.
C W 612 N
Cuivre
- B : un lingot moulé (Block). - C : une pièce de fonderie (Cast).
- W : une pièce corroyée (Wrought, c-à-d extrudé ou laminé). - M : alliage mère.
- R : cuivre bruts raffinés. - S : matière première recyclable.
- F : apport pour brasage te soudage.
- X : matière non normalisé.
Chiffres d’identification
sans signification
particulière
- A ou B : cuivre pur. - C ou D : moins de 5% d’alliages. - E ou F : 5% ou plus d’alliages.
- G : Cu + Al. - H : Cu + Ni.
- J : Cu + Ni + Zn. - K : Cu + Sn. - L ou M : Cu + Zn (binaire).
- N ou P : Cu + Zn + Pb.
- R ou S : Cu + Zn (complexe).
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Produits en cuivre :
Produits en cuivre
II.3.2.2. L’Aluminium et ses alliages
L'aluminium est un élément du IIIème groupe de la classification de Mendeléev, dont le nombre
atomique est 13 et la masse atomique 26,98 (environ 27). L'aluminium possède une structure
cubique faces centrées (CFC), sa caractéristique la plus importante est la faible masse volumique
(2700 kg.m-3), Le point de fusion de l’aluminium, notamment, est bas (~ 660 °C) ce qui le
rend particulièrement apte aux opérations de fonderie.
L'aluminium se trouve essentiellement dans les argiles et la bauxite (roche blanche, rouge ou grise)
sous forme d’oxyde d’aluminium hydraté (Al2O3 H2O) mélangé de la silice et à de l’oxyde de fer.
Quantité d’alumine dans l’argile : 3-5 %
Quantité d’alumine dans la bauxite : 40-60 %
Argile Bauxite
bobine de fil de cuivre
tube de cuivre engrenage en
bronze pal iers l isses en
bronze
raccords de plomberie en
la iton
cloche en bronze
Maillechort bi joux
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Aujourd’hui, l'aluminium et ses alliages prennent une place importante dans les différents domaines
de l’industrie. Son utilisation s’accroît grâce à ses propriétés particulières qu'il présente :
- Légèreté et bonne résistance, ce qui facilite son utilisation dans la construction mécanique.
- Bonne conductivité de chaleur et d’électricité.
- Bonne résistance à la corrosion et contre l’influence de l’atmosphère, en contact avec
l’oxygène de l’air il forme très vite une couche d’oxyde Al2O3 qui protège le métal contre
les attaques chimiques. Donc l’aluminium est très utilisé dans l’industrie chimique et
alimentaire.
- Possibilité facile de déformation et de soudage.
- Compte tenu de ces avantages, les alliages d’aluminium sont principalement utilisés
en aéronautique, pour les articles de sport et les structures utilisées en marine.
Processus d’élaboration
o Etape 01 (Bauxite → Alumine) : La bauxite est broyée puis mélangée avec la soude à
haute température et sous pression. L’aluminate de sodium (Na AlO2 + 2H2O) obtenue est
débarrassé de ses impuretés, puis diluée et refroidie, ce qui provoque la précipitation d’oxyde
d’aluminium hydraté.
L’aluminium hydraté, après séchage, subit une calcination dans les fours rotatifs à une température
de 1200°C, on obtient de l’alumine avec une teneur en Al2O3 de 99,2 à 99,5 %.
o Etape 02 (Alumine → Aluminium) : L’aluminium primaire est obtenu par électrolyse de
l’alumine fondue à environ 950 °C.
L’anode en charbon attire les ions négatifs (O--) et l’oxygène peut ainsi se dégager sous forme de
CO2, après avoir brûlé le carbone qui constitue l’anode. La cathode attire les ions positifs de
l’aluminium (Al+++).
Le phénomène global se traduit par la réaction : 2 Al2O3 + 3 C = 4 Al + 3CO2
Pour l'élaboration de l'aluminium pur à 99,99 %, il est nécessaire de procéder à une 2ème électrolyse.
Les alliages d’aluminium
Les alliages d’aluminium peuvent être rangés en trois groupes :
Alliages corroyés : destinés à la forge et le laminage, ils sont prévus pour l’obtention des
demi-produits (tôles, plaques, barres. Profilés, tubes, etc.), ainsi que des pièces de forge et des
produites par laminage, pressage, forgeage et estampage.
Alliages de fonderies : prévus pour le moulage des formes.
Alliages frittés : élaborés par frittage suivant la méthode de métallurgie des poudres.
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Désignation des alliages de l’aluminium
Alliages corroyés
Désignation numérique
Désignation en 4 chiffres (XXXX):
- Le premier chiffre indique l'élément d'addition principal de l'alliage :
1XXX (série des 1000) : alliage comportant au minimum 99 %
d'aluminium (exemple : 1050)
2XXX (série des 2000) : cuivre (exemple 2024)
3XXX (série des 3000) : Manganèse (exemple : 3003)
4XXX (série des 4000) : silicium (exemple : 4006)
5XXX (série des 5000) : magnésium (exemple : 5083)
6XXX (série des 6000) : magnésium, silicium (exemple : 6061)
7XXX (série des 7000) : zinc (exemple : 7020)
8XXX (série des 8000) : autres éléments.
- Le 2ème chiffre indique s’il y a eu modification de l’alliage
spécifique, Les deux autres chiffres servent à identifier l'alliage.
La seule exception est la série 1000, ces deux derniers chiffres
indiquent le pourcentage d'aluminium (exemple : 1050 qui comporte
au minimum 99,50 % d'aluminium).
- Parfois les quatre chiffres sont précédés par les préfixes EN, A et W
Ce qui donne par exemple EN AW-7075
A : Aluminium
W : Alliages corroyés (Wrought)
Désignation symbolique
En utilisant les symboles chimiques suivis de la liste des éléments
d’alliage et de leur teneur en %.
Exemple : Al Cu 4 Mg Si pour EN AW-2017
Alliages de fonderies
Désignation numérique
Désignation en 5 chiffres (XXXXX).
- Le premier chiffre indique l'élément d'addition principal de l'alliage :
exemple : 21000 (Al + Cu)
- Le deuxième chiffre indique le groupe de l'alliage et les trois
chiffres suivant sont des numéros d'ordre et servent à identifier
l'alliage.
- Parfois les cinq chiffres sont précédés par les préfixe EN, A et C
(exemple : En AC-43100).
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C : Alliages de fonderies
Désignation symbolique
En utilisant les symboles chimiques suivis de la liste des éléments
d’alliage et de leur teneur en %.
Exemple : Al Cu 4 Mg Ti pour le En AC-21000
Produits en Aluminium :
Produits en Aluminium
II.3.2.3. Le zinc et ses alliages
Le zinc est un élément abondant qui constitue à peu près 0,004 % de la croûte terrestre. Le zinc est
obtenu à partir de la blende.
La blende
Le zinc est un métal à bas point de fusion (Tf = 420 °C). Il a une masse volumique comparable à
l'acier (ρ = 7140 kg/m3). Il présente une bonne résistance à la corrosion atmosphérique : il réagit
canette Jante en alliage d'Al
papier aluminium
barquette Profilés Châssis d'une voiture
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avec l'air (humidité, dioxygène, dioxyde de carbone) et former une couche de carbonates compacte,
adhérente et protectrice.
Il est utilisé pour des pièces de fonderie (formes complexes), on peut le mouler avec des tolérances
très serrées sans nécessité d'usinage, il est utilisé pour les revêtements anticorrosion, c’est est un
matériau durable et recyclable à 100 %.
Processus d’élaboration
On le trouve sous forme de sulfure de zinc ZnS, donc le principe de fabrication est le suivant :
Phase 1 (900°C) : ZnS + 3/2 O2 → ZnO (oxyde de zinc) + SO2 (acide sulfurique).
Phase 2 (1000 °C) : ZnO + C → CO (oxyde de carbone) + Zn (zinc pur).
Les alliages du Zinc
Le zinc est souvent allié avec de l'aluminium et du cuivre, les principales alliages sont :
o Zamak 2 (ou ZP2) : ZnAl4Cu3 (Z-A4U3), pour pièces dures et résistantes.
o Zamak 3 (ZP3) : ZnAl4 (Z-A4), pour pièces mécaniques (carters, poignées, carburateurs).
o Zamak 5 (ZP5) : ZnAlCu1 (Z-A4U1), pour pièces de frottement (bagues, engrenages).
o Kayem 1: ZnAl4Cu3 (Z-A4U3), pour poinçons et matrices de découpage, moules d'injection
plastique.
Produits en Zinc
Produits en Zinc
carburateur engrenage toles
tuyau poignées de meuble en zamak
seaux
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III. Lés polymères
III.1. Introduction
Les polymères naturels ont été les premiers matériaux utilisés : bois et fibres végétales... etc. Les
polymères synthétiques ont été développés durant la Seconde Guerre mondiale.
Les polymères sont des macromolécules : de longues chaînes d'atomes, essentiellement de carbone
(C), d'hydrogène (H) et d'oxygène (O), parfois d'azote (N), de fluor (F), de chlore (Cl), etc.
On a à la base une petite molécule appelée « monomère ou motif monomère ». Les monomères
reliés par des liaisons covalentes s'assemblent pour former la longue chaîne du polymère, ce terme
signifiant « plusieurs monomères ».
La polymérisation est la réaction qui, à partir des monomères, forme les polymères ou
macromolécules (monomères liés).
Polymérisation des monomères
Un homopolymère est un polymère qui comporte des motifs monomères tous identiques.
Un copolymère est un polymère qui comporte des motifs monomères de deux ou plus sortes
différentes.
Les polymères peuvent être d’origine naturelle (animale ou végétale) ou d’origine synthétique. Les
macromolécules naturelles sont les caoutchoucs, les polysaccharides, le glycogène, l’ADN, les
protéines. Les macromolécules synthétiques sont représentées par exemple par le polyéthylène, le
polypropylène, le polystyrène, le PVC, le PTFE, les polyesters ...etc.
III.2. Propriétés des polymères Les polymères sont utilisés essentiellement pour :
leur souplesse : textiles, joints, flexibles, élastiques, films plastiques (emballage, sacs) ;
leur facilité de mise en forme : moulage d'objets de forme parfois complexe, contenants
(flacons, bouteilles, bidons, cuves) ;
leur légèreté (faible masse volumique, certains flottent dans l'eau) : matrices de matériaux
composites (construction navale, aviation), objets du quotidien ;
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leurs propriétés de surface : anti-adhérence (Téflon) ou au contraire forte adhérence (pneu,
peinture, colle) ;
leurs propriétés isolantes, thermiques et électriques ;
leur résistance à divers environnement chimiques : alimentaire, acides, …
Les limites d’utilisation sont :
la température : leurs propriétés mécaniques se dégradent dès que la température s'élève, la
plupart des polymères s'altèrent, brûlent ou fondent à température modérée (inférieure
à 300 °C) ;
la dégradation sous l'effet des rayons ultraviolets, de l'air (dioxygène, ozone) et de l'eau ;
leur faible dureté, leur faible résistance à la traction (sauf les fibres), à l'érosion.
Répartition des domaines d'application des polymères
Produits en polymères
Produits en polymères
Récipient Tuyau PVC tableau de bord
citerne
produits jotables
chaise engrenages Sabot
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III.3. Les principaux polymères industriels Les polymères sont classés par famille :
o Thermomécanique : thermoplastique, thermodurcissable, élastomère.
o Chimique : par famille de monomère.
III.3.1. Polymères thermoplastiques
Caractéristiques
o Ils possèdent 3 états physiques suivant la température : solide, caoutchoutique et liquide.
o E = 0.1 à 4 GPa et R = 5 à 80 MPa
o Ils sont mis en forme par de nombreux procédés d'injection ou d'extrusion à chaud.
o Possibilités de variation des propriétés par cristallisation partielle ou formation de
copolymères.
Alliages de polymères thermoplastiques
Il existe quelques rares alliages de polymères thermoplastiques.
o Polyoléfines : (Polyéthylène / Polypropylène, PE / PP)
Propriétés : Les plus abondants. Peu chers. Faible résistance mécanique. Très déformables. Grande
inertie chimique.
Domaines d'application : Récipients. Films. Pièces antichocs. Automobile.
o Polystyrènes (PS) :
Propriétés : Excellentes performances de moulage. Résistance mécanique moyenne. Cassants.
Sensibilité à de nombreux produits chimiques. Transparence possible.
Domaines d'application : Petits objets de formes complexes.
o Polychlorure de vinyle (PVC) :
Propriétés : L'un des plus anciens. Très grande variété de performances mécaniques. Très bon
marché. Mise en forme très facile. Contenu en chlore gênant pour l'environnement.
Domaines d'application : Câbles électriques. Flacons et récipients. Tuyauteries.
o Polyamides (PA) :
Propriétés : L'une des familles les plus universelles. Performances mécaniques et thermiques
élevées.
Domaines d'application : Textiles. Cordages. Pièces automobiles travaillant à températures
moyennes. Électroménager.
o Acrylonitrile-Butadiène-Styrène (ABS) :
Propriétés : Tenaces et résistants. Très grande qualité des surfaces.
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Domaines d'application : Électroménager. Appareils portables. Boitiers.
o Polyesters thermoplastiques (PET) :
Propriétés : Grande facilité de mise en forme. Transparence. Résistance élevée.
Domaines d'application : Bouteilles.
o Polyméthyle métacrylate (PMMA) :
Propriétés : Produits transparents faciles à former (Plexiglass). Rigides et cassants.
o Polycarbonates (PC) :
Propriétés : Produits transparents de haute qualité. Rigides mais résistants aux chocs.
Domaines d'application : Visières. Boitiers.
o Polyéthers (PEEK) :
Propriétés : Polymères avancés de hautes performances mécaniques et thermiques. Mécanique.
o Polyfluorocarbones (PTFE)
Propriétés : Polymères d'inertie chimique et thermique exceptionnelles. Faible résistance
mécanique.
Domaines d'application : Revêtements d'appareils culinaires. Chimie. Isolants électriques.
Tuyauteries.
III.3.2. Polymères thermodurcissables
Caractéristiques :
o Polymères réticulés (résines). Ils ne possèdent pas d'état liquide.
o E = 1 à 10 GPa et R = 15 à 140 MPa
o Ils sont mis en forme par polymérisation définitive.
o Grandes possibilité de mélanges permettant l'élaboration de matériaux composites.
Alliages de polymères thermodurcissables
o Phénoliques :
Propriétés : Anciens. Grande résistance chimique et surtout thermique. Peu chers. Rigides et
cassants.
Domaines d'application : Placage de meubles en stratifiés. Carrosseries de poids lourds. Matériel
électrique.
o Polyesters insaturés :
Propriétés : Très vaste famille de produits aux performances moyennes à élevées. Très utilisés.
Domaines d'application : Construction navale de plaisance. Coques. Composites de gamme
moyenne.
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o Epoxydes :
Propriétés : Produits de hautes performances mécaniques et thermiques. Chers.
Domaines d'application : Circuits imprimés. Pièces composites de hautes performances. Colles
structurales.
o Polyuréthannes :
Propriétés : Rigides. Bonne résistance thermique.
Domaines d'application : Spécialisés dans les produits cellulaires (mousses).
o Silicones :
Propriétés : Très grande inertie chimique et thermique. Faibles résistance mécanique.
Domaines d'application : Pièces souples en chimie, en chirurgie. Moules de fonderie à basse
température. Radômes.
o Polyimides :
Propriétés : Polymères de haute résistance spécialisés pour le travail à chaud (300°C). Difficiles à
mettre en œuvre. Chers.
Domaines d'application : Aéronautique. Structures de moteurs et de missiles.
III.3.3. Elastomères
Caractéristiques
o E = quelques Mpa - A% de 500 à 1000%
o Polymères spéciaux utilisés pour leur comportement élastique particulier.
o Les élastomères peuvent être des thermoplastiques ou des thermodurcissables.
o Ils sont constitués de très longues chaînes faiblement réticulées (1 pontage / 1000 atomes).
Alliages des élastomères
o Caoutchouc naturel : Latex
Encore 25% des élastomères du fait des très bonnes propriétés mécaniques et chimiques.
o Polybutadiène – Butadiène – Styrène :
Elastomères industriels très répandus (pneumatiques).
o Polychloroprène (néoprène) :
Elastomères employés pour les gainages de câbles électriques.
o Acrylonitrile-butadiène :
Elastomères de haute résistance chimique et thermique
o Caoutchoucs Silicones :
Résistance chimique et thermique exceptionnelle. Chers.
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IV. Lés cé ramiqués ét vérrés
IV.1. Introduction
Le verre est un matériau amorphe composé principalement de dioxyde de silicium SiO2. Il est
fabriqué par vitrification de sable (silice). Il est mis en forme à partir d’une poudre agglomérée et
consolidé par frittage. Les verres possèdent une grande stabilité chimique, du fait des liaisons de
types covalents ou ioniques qui unissent les atomes. Cette propriété leur confère une très bonne
biocompatibilité. Les verres sont des matériaux fragiles, c’est-à-dire qu’ils n’ont pas ou très peu de
possibilité de déformation plastique.
Le verre est recyclable, ce qui permet des économies d’énergies. Suivant sa composition, il existe
plusieurs types de verres, possédant diverses propriétés : optiques, résistance à chaleur ou aux
chocs, etc.
Les céramiques sont aussi des matériaux non métalliques et inorganiques, composés d’oxydes, de
carbures, de nitrures et de borures. Les céramiques présentent des liaisons chimiques fortes de
nature ionique ou covalente. Elles sont mises en forme à partir d’une poudre de granulométrie
adaptée qui est agglomérée. Dans une deuxième étape la densification et la consolidation de cet
agglomérat sont obtenues par un traitement thermique appelé frittage. A la différence des verres les
céramiques, en tous cas dans les matériaux les plus anciens, sont constituée de 2 phases distinctes :
une phase vitreuse, la matrice (désordonnée) et une phase cristalline dispersée (ordonnée).
Ces matériaux possèdent des propriétés intéressantes pour des applications exigeantes : température
de fusion élevée, grande résistance mécanique, insensibles à la corrosion.
Représentation de la structure d'un verre Structure d’une céramique
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IV.2. Propriétés mécaniques des céramiques
Les céramiques sont utilisés essentiellement pour :
La facilité de mise en œuvre : façonnage de la terre glaise (poterie) et cuisson.
Leur dureté, leur résistance à l'abrasion : carrelage et mosaïques de sol.
Leur résistance mécanique en compression : briques.
Leur résistance aux températures élevées : fours, pots de cuisson.
Leur couleur : émaux.
Leur résistance chimique : tuiles.
Leur usage a été limité par leur fragilité, leur faible résistance aux chocs (faible résilience, faible
ténacité).
Produits en céramiques
Produits en céramiques
IV.3. Classifications des céramiques
On peut classer les céramiques selon :
Leurs applications
Céramiques traditionnelles : à usage alimentaire, vaisselle, faïence, porcelaine, carrelage,
briques, tuiles...etc.
Céramiques techniques ou industrielles : applications électroniques (faibles courants
électriques), électrotechniques (fortes puissances électriques), applications thermiques,
faïence briques Cendensateur Isolateur
disque abrasif outils de coupe four Dents
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applications mécaniques (abrasif, outils de coupe), chimique (supports de catalyseur),
optiques et nucléaire (combustible nucléaire).
Leurs modes d'élaboration et la forme finale
Produits façonnés : pièce livrée sous sa forme définitive.
Produits non façonnés (PNF) : produit livré sous la forme de mortier destiné à être coulé
ou projeté puis « cuit » sur place,
Leurs compositions chimiques
Monolithiques :
- Oxydes : produits siliceux (SiO2), produits alumineux, avec 30 à 100 % d'alumine (Al2O3),
produits à base de magnésie (MgO), produits spéciaux : zircone (ZrO2).
- Non-oxydes : carbure, nitrure, borures.
Composites :
Matrice céramique à renfort céramique, par exemple par de la zircone, ou matrice céramique à
renfort métallique (cermet).
V. Lés maté riaux composités
V.1. Introduction
Un matériau composite c’est un matériau en phase solide constitué d'au moins deux constituants
dont les qualités respectives se complètent pour former un matériau aux performances globales
améliorées.
V.2. Types de matériaux composites
Un matériau composite peut être, par exemple, un matériau composite à matrice organique (CMO),
un matériau composite à matrice céramique (CMC) ou un matériau composite à matrice métallique
(CMM).
Un matériau composite structural est généralement constitué d'un renfort et d'une matrice. Le
renfort, le plus souvent sous forme fibreuse ou filamentaire, assure l'essentiel des propriétés
mécaniques.
La matrice joue le rôle de liant afin de protéger le renfort de l'environnement, de le maintenir dans
sa position initiale et d'assurer la transmission des efforts. Les matériaux composites peuvent être
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classés en fonction de la nature de leur matrice : matériau composite à matrice organique, matériau
composite à matrice céramique ou matériau composite à matrice métallique.
Entre le renfort et la matrice, existe une zone de liaison appelée interface. Un matériau composite
est la plupart du temps hétérogène et anisotrope.
Représentation d’un matériau composite
Les matériaux composites peuvent être classés selon les formes des renforts.
Différentes formes des renforts
V.4. Propriétés des matériaux composites
Selon les types de matrice et de renfort utilisés, un matériau composite possède différentes
propriétés.
Partie du matériau
composite Type de matériau utilisé
Propriétés recherchées dans le
matériau composite
Matrice Plastiques Durabilité, légèreté, résilience, faible coût
Matrice Métalliques Ductilité, conductibilité thermique et
électrique, rigidité
Matrice Céramiques Durabilité, résistance à la chaleur
Renfort Fibres de verre Rigidité, résistance à la corrosion
Renfort Fibres de carbone Rigidité, faible masse volumique,
conductibilité électrique
Composite à particules
Composite à fibres
Composite laminé
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V.4. Utilisation des matériaux composites
Puisque les matériaux composites présentent une grande diversité de propriétés, de plus en plus de
domaines les utilisent:
Secteur de l'aéronautique: le fuselage (structure externe) d'un avion par exemple.
Secteur des sports: les casques et les cadres de vélos, les planches de surf, les coques de
kayaks, les raquettes de tennis, les bâtons de hockey, etc.
Secteur artistique: les archets de violons par exemple.
Secteur de la mécanique: les freins de haute performance, certaines pièces de moteur, etc.
Secteur militaire et policier: les gilets pare-balles.
Produits en matériaux composites
Produits en matériaux composites
béton armé Pneu Contreplaqué Pare-balle
verre armé casque Plaque de Plâtre BA13
skyboard
