Science des matériaux 1

Science des Matériaux

13/04/2023

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Cours de tronc commun

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Objectifs

• Connaître les principaux groupes de matériaux et leurs propriétés.

• Avoir des notions sur la structure de la matière• Avoir des notions sur la manière dont on élabore

les matériaux.• Etre capable de choisir un matériau pour une

utilisation d'ordre générale.

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Histoire de la métallurgie •L'échelle des temps synthétise les principales avancées en métallurgie.

•Les matériaux sont en général le facteur limitant des machines définissent le niveau de développement de l’humanité.

•âge de pierre, puis de bronze, puis de fer•maîtrise de l’acier: trains, automobile, …•maîtrise des semi-conducteurs: informatique•moitié de la recherche du programme Apollo : matériaux nouveaux

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Généralités • Matériau = est un solide utilisé par l’homme pour la fabrication d’objets

• La science des matériaux est l’étude des relations quiexistent entre la structure et les propriétés générales de ces matériaux

• La structure d’un matériau correspond à la façon donts’agencent ses éléments constitutifs

Échelle subatomique Échelle

atomique Échellemicroscopique Échelle

macroscopique

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Généralités

• L’utilisation d’un matériau dépend :

• de ses propriétés• de ses ressources• de son coût• des méthodes de synthèse• de sa compatibilité avec l’environnement• de la possibilité de mise en forme• de son aspect esthétique

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Chapitre 1:Choix d’un matériaux

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Choix d’un matériaux

• Le choix d'un matériau dépend de l'application. Il faut définir précisément le besoin. Cela fait appel à la notion de fonction :

• cahier des charges fonctionnel (CDCF). • Méthode APTE : diagramme pieuvre, validation du besoin

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Pourquoi le besoin existe-t-il ?Qu'est-ce qui peut le faire évoluer ?Qu'est-ce qui peut le faire disparaître ?

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Choix d’un matériauxCampus centre

• Méthode APTE : diagramme pieuvre

Diagramme des interactions pour un produit ayant deux fonctions de service principales, FP1 et FP2, six fonctions contraintes oucomplémentaires, FC1 à 6

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Stratégie de choix

• Méthode de M. F. Ashby et D. Cebon de l'Université de Cambridge :

• Traduction du cahier des charges.• Revue des matériaux, sélection en fonction des

contraintes.• Classement des matériaux retenus en fonction des

objectifs.• Consultation de la documentation sur les matériaux.

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Classes des matériaux

• Il y a trois classes de matériaux :

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Métaux et alliages métalliques Céramiques Polymères

Les matériaux composites

Mélange

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Classe des matériaux

Métaux et alliages Exemples :

Polymères Exemples:

Céramiques (matériaux minéraux) : Exemples:

Composites Exemples:

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Différence entre Propriétés et Performances

Propriétés mécaniques

Propriétés chimiques

Propriétés physiques

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Différence entre Propriétés et Performances

Performances techniques

Performances socio-économiques

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Métaux Céramiques Polymères

Rigidité

Ductilité

Conductivité électriqueConductivité thermiqueStabilité chimique

Impact environnementalAspect

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Propriétés Générales des Matériaux

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Quelques chiffres• Répartition mondiale de la consommation des

principaux matériaux en millions de tonnes/an:

• Béton environ 5000 Mt/an • Aciers 1300 Mt/an • Polymères 150 Mt/an • Aluminium 22 Mt/an • Cuivre 12 Mt/an

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Recyclage Campus centre

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Recyclage

• Intérêt : – Préserver les ressources naturelles et éviter les dommages dus à

l’extraction– Economiser l’énergie

– Eviter et la destruction • Recyclage actuel:• Acier • Cuivre • Aluminium• Papier• Verre• Certains polymères

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Chapitre 2:Les Propriétés des matériaux

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Introduction

6 grandes catégories de propriétés•Mécaniques•Électriques•Thermiques•Magnétiques•Optiques•Chimiques

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Les propriétés Mécaniques

Elles concernent la déformation d’un matériau soumis à une force

• La résistance • La dureté• La ductilité • La rigidité • La ténacité

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Les propriétés Mécaniques

• Quand un corps est soumis à l’action de forces extérieures des contraintes internes s’établissent:

• À ces contraintes sont associées des déformations

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Essai de traction

• Essais normalisés

• Pour étudier le comportement mécanique des matériaux il faut travailler avec des pièces identiques quelque soit le matériaux : Ce qu’on appelle les éprouvettes.

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Essai de traction

• Tirer sur une éprouvette• Enregistrer la force et l’allongement de

l’éprouvette.• Analyse de l’assai:

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Essai de traction

• Distinguer les notions de résistance , de fragilité et de dureté.

• Un matériau dur est souvent fragile : le verre• Les modes de déformation sont :

– Elastique: La matière reprend sa forme initiale, la déformation est réversible

– Plastique: La matière garde une déformation résiduelle et irréversible.

– Striction: la matière se concentre dans un seul endroit et il y aura une rupture prochaine.

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Essai de traction

• Courbe de traction:

Rm

Re 0.2

Re

Domaine PlastiqueDomaine Elastique

Déformation

Cont

rain

te (M

Pa)

Point de rupture

O

A

BC

D

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Essai de traction

• La surface S est soumise à une contrainte normale de traction :

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Pour une traction simple , la contrainte est la même sur toute la surface S

La contrainte devient alors :

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Essai de traction

• Propriétés élastiques :

La déformation élastique est réversible Les déformations sont extrêmement petites (< 0,001) En première approximation, les longueurs et les

surfaces restent constantes on ne distingue plus valeurs vraies et nominales

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Essai de traction • Propriétés élastiques : • La loi linéaire : σ = f(ɛ)• La loi de Hooke: σ = E.ɛ• Si E est élevée le matériau est rigide • Si E est faible alors le matériau est souple.

Matériaux E(Gpa)

Diamant 1000

Céramique 550

Méteaux 70-420

Béton 20

Elastomère 0.003

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Autres essais mécaniques

• Essai de dureté – Essai de Vickers– Essai de Brinell– Essai de Rockwell

• Essai de flexion de Charpy• Essai de fatigue• Essai de fluage• Coefficient d’adhérence et de frottement

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Essai de dureté

• La dureté quantifie la résistance d’un matériau à la pénétration sous une charge F

• Il ne permet pas de déterminer des caractéristiques fondamentales du matériau, mais il permet de comparer plusieurs matériaux entre eux, et de suivre l'évolution d'un matériau en cours de traitement

• Elle dépend de : – Déformations élastiques et plastiques – Forces de frottement sur la surface du matériaux – Géométrie du pénétrateur – Force appliquée

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Essai de dureté : essai de Vickers

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• L'essai VICKERS consiste à mesurer les dimensions d de l'empreinte laissée par un pénétrateur pyramidal.

.

Diamant de forme pyramidale à base carrée

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Essai de dureté : essai Brinell

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L'essai BRINELL est similaire à l'essai VICKERS, mais le pénétrateur est une bille. La dureté HB est calculée en fonction de la force, du diamètre de le bille D etdu diamètre de l'empreinte d :

.

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Essai de dureté : essai Rockwell

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• on effectue un pré chargement avec une force F0 ;

• on applique une force supplémentaire F1 puis on la relâche ;• on regarde la profondeur r que l'on a gagné.

Un degré ROCKWELL correspond donc à un enfoncement de 0,002 mm.

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Essai de flexion choc CHARPYCampus centre

Cet essai consiste à rompre une éprouvette entaillée par un choc. Il permet de tester le matériau dans des conditions de fragilisation :

• vitesse de déformation élevée ;• concentrations de contrainte (éprouvette entaillée) ;• diverses conditions de température :

comme c'est un essai rapide, l’éprouvette n'a pas le temps de refroidir ni ne de se réchauffer.