COURS ING1035 - MATÉRIAUX - Banque de ING1035 MATÉRIAUX Questionnaire Page 6 de 14...

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  • PROGRAMME DE GNIE DES MATRIAUX

    COURS ING1035 - MATRIAUX

    EXAMEN FINAL

    du 17 avril 2004

    de 13h30 16h00

    Q U E S T I O N N A I R E

    NOTES : Aucune documentation permise. Calculatrice non programmable autorise. Les nombres en marge indiquent le nombre de points

    accords la question, le total est de 60 points. La note maximale de lexamen tant de 50 points, tout point supplmentaire sera transform en point de bonus.

    Pour les questions ncessitant des calculs, aucun point ne sera accord la bonne rponse si le dveloppement nest pas crit. Utilisez les espaces prvus ou la page blanche oppose pour vos calculs.

    Le questionnaire comprend 14 pages, en incluant les annexes (si mentionns) et le formulaire gnral.

    Le formulaire de rponses comprend 10 pages. Vrifiez le nombre de pages du questionnaire et du formulaire

    de rponses.

  • Cours ING1035 MATRIAUX Questionnaire Page 2 de 14 Examen final du 17 avril 2004

    Remarque : les 6 premiers exercices sont relatifs aux units facultatives 8, 9, 10, 11 et 12. Les exercices suivants couvrent les units obligatoires (units 1 7)

    Exercice n 1 (Dgradation)

    Vous disposez des donnes suivantes relatives l'oxydation haute temprature du cuivre, dont la raction est la suivante:

    2 Cu + O2 Cu2O Donnes : Masse molaire (g/mole): ACu = 63,54; AO = 16,00

    Masse volumique (g/cm3): Cu = 8,92; Cu2O = 6,0

    a) Quelle est la valeur du rapport de Pilling - Bedworth pour le cuivre ?

    Temps (min) m (mg/cm2) 1 0,071 5 0,160

    10 0,219 20 0,314 60 0,530 100 0,710

    Au cours d'essais d'oxydation raliss haute temprature sur des chantillons de cuivre pralablement polis pour enlever toute trace d'oxyde, on a obtenu les donnes suivantes relatives au gain de masse m de l'chantillon en fonction du temps doxydation:

    b) Dterminez de quel type est la cintique d'oxydation. Cochez la case approprie sur le formulaire de rponses et justifiez quantitativement votre rponse.

    c) Quelle sera le gain de masse m obtenu aprs 500 minutes d'oxydation ? d) partir des rsultats obtenus aux questions a) et b) ci-dessus, qu'en dduisez-vous pour ce qui est des

    caractristiques de la couche d'oxyde ? Cochez la case approprie sur le formulaire de rponses.

    Exercice n 2 (Proprits physiques)

    Utilis pour la fabrication dun fil conducteur lectrique, un cuivre commercialement pur contient les impurets suivantes (concentration donne en ppm atomique) :

    Fer (Fe) : 250 Chrome (Cr) : 70 Argent (Ag) : 150 Nickel (Ni) : 25

    Linfluence de ces impurets sur la rsistivit lectrique du cuivre est donne sur une figure en annexe.

    Donnes: Conductivit du cuivre pur 20C: 0 = 5,97x105 -1.cm-1 Coefficient de variation de la rsistivit du cuivre pur en fonction de la temprature : = 4,27x10-3 C-1

    a) Quelle est la rsistivit (en .cm) de ce cuivre commercial ?

    b) Quelle est la valeur de la rsistance R (en m) d'un fil conducteur fait de ce cuivre commercial et qui a une longueur L = 350 m et un diamtre D = 3 mm ?

    c) Si ce fil tait fait de cuivre absolument pur, quelle augmentation de temprature (en C) devrait-on lui imposer pour quil ait la mme rsistance que le fil fait de cuivre commercial ?

    Sous-total: 8 pts

    (1 pt)

    (2 pts)

    (1 pt)

    (1 pt)

    (1 pt)

    (1 pt)

    (1 pt)

  • Cours ING1035 MATRIAUX Questionnaire Page 3 de 14 Examen final du 17 avril 2004

    Exercice n 3 (Proprits physiques)

    E

    Lpp D

    a

    b

    c

    d

    Lalf

    Vous dsirez raliser un aimant permanent aprs avoir magntis un matriau ferromagntique jusqu saturation et vous avez le choix entre les matriaux C et D dont les courbes dhystrsis sont schmatises la figure ci-contre.

    a) Quel matriau a la plus forte induction saturation ?

    b) Quel matriau a linduction rmanente la plus leve?.

    c) Quel matriau a le champ coercitif le plus lev ?

    d) Si, en cours dutilisation, laimant permanent est soumis des fluctuations du champ magntique extrieur gales 12 000 A/m, quel matriau est le plus adquat pour lapplication recherche ?

    xercice n 4 (Matires plastiques)

    a figure ci-contre illustre les trois formes ossibles (a, b et c) sous lesquelles peut se rsenter la chane du polypropylne (PP).

    onnes : Masse atomique (g/mole): H = 1,008

    C = 12,011

    ) Quelle est la formule chimique du monomre (propylne) ?

    ) Quelle est la masse molaire (en g/mole) du monomre ?

    ) Quelle est la tacticit de chacune des 3 formes possibles du polypropylne ?

    ) Quelle est la possibilit de cristallisation de chacune des formes possibles du polypropylne ?

    e tableau ci-contre donne la masse volumique insi que le degr de cristallinit (%) de deux chantillons de polypropylne. On supposera que

    a masse volumique varie linairement en onction du pourcentage de cristallinit.

    chantillon Masse volumique (g/cm3) Cristallinit (%) 1 0,915 72,7 2 0,872 32,6

    Sous-total : 4 pts

    ( pt)

    ( pt)

    ( pt)

    ( pt)

    ( pt)

    ( pt)

    ( pt)

    ( pt)

  • Cours ING1035 MATRIAUX Questionnaire Page 4 de 14 Examen final du 17 avril 2004

    e) Quelle est la masse volumique (en g/cm3) du polypropylne entirement cristallis ? (2 pts)Le polypropylne entirement cristallis a une maille monoclinique ayant les caractristiques suivantes :

    a = 0,666 nm b = 2,078 nm c = 0,6495 nm ; = = 90 = 99,62 f) Calculez le nombre de monomres que contient une maille lmentaire de polypropylne totalement

    cristallis. (1 pt)

    Donnes: Volume V d'une maille monoclinique en fonction des paramtres de la maille: V = abc(1 - cos2 - cos2 - cos2 + 2cos2cos2cos2)

    Nombre d'Avogadro NA = 6,022x1023 mole-1

    Exercice n 5 (Cramiques)

    Vous avez certainement dj utilis tout le moins vu certains ustensiles de cuisine (casseroles, poles, chaudrons) faits en fonte maille. Une fonte est un alliage de fer contenant de 2,5 4% de carbone. La couche dmail, aussi appel glaure en terme de cramistes, est une cramique contenant une proportion non ngligeable de phase vitreuse afin dassurer son impermabilit, de faciliter lentretien de lustensile et de lui confrer une couleur et un aspect esthtique brillant et agrable lil.

    Lmail est un mlange de poudres doxydes. Ce mlange de poudres d'oxydes est mis en suspension assez visqueuse dans un liquide (gnralement de leau). Plong dans cette suspension, lustensile se recouvre dune couche visqueuse. Un fois retir de cette suspension, lustensile est alors port haute temprature afin que, tout dabord, le liquide de la suspension svapore, puis que les oxydes subissent un frittage conduisant la formation dun mlange biphas Liquide + Solide la temprature maximale de cuisson de lmail. Lustensile est alors refroidi et la phase liquide de lmail se solidifie sous forme de verre.

    Supposons que lon maille des poles en fonte contenant 3% C (voir diagramme d'quilibre Fe-C en annexe) avec un mlange de deux oxydes A et B (voir diagramme dquilibre A-B en annexe). La temprature maximale atteinte au cours de la cuisson de lmail doit tre infrieure de 150 C la temprature laquelle apparat une phase liquide dans la fonte. De plus, afin dassurer une bonne impermabilit lmail, sa composition nominale C0 doit conduire la formation d'un pourcentage non ngligeable de phase vitreuse aprs refroidissement.

    a) quelle temprature maximale (en C) doit-on raliser le frittage de l'mail ? ( pt) b) quelle temprature minimale (en C) doit-on raliser le frittage de l'mail ? ( pt) c) L'mail devant contenir au maximum 80 %m d'oxyde B, quelle doit tre sa composition nominale C0 (en

    %m. B) pour qu'il y ait formation de 52 % de phase vitreuse, forme lors du frittage et ayant une composition eutectique ?

    (1 pt)

    d) Quels seront les constituants de l'mail aprs son refroidissement complet ? (1 pt) Un des inconvnients de ces poles mailles est leur sensibilit au choc thermique, en particulier au cours dun refroidissement brutal quand lon plonge, par exemple, la pole chaude dans leau froide pour la nettoyer. Il y a alors risque de fissuration et dcaillage de la couche dmail dont le coefficient de dilatation thermique e est toujours infrieur celui de la fonte. On considrera quau cours dun tel refroidissement, les deux matriaux de la pole (fonte et mail) se refroidissent la mme vitesse.

    e) Quelle doit tre la valeur minimale (en 10-6 C-1) du coefficient de dilatation e de lmail pour que celui-ci ne risque pas la fissuration si lon soumet la pole un refroidissement brusque = 250 C? (2 pts)

    Donnes : Fonte : Coefficient de dilatation thermique f = 12x10-6 C-1 mail : Rsistance la traction RmT = 80 MPa; Rsistance la compression RmC = 157 MPa;

    Module Ee = 86 GPa Coefficient f() = 0,82

    Sous-total : 8 pts

  • Cours ING1035 MATRIAUX Questionnaire Page 5 de 14 Examen final du 17 avril 2004

    Exercice n 6 (Composites)

    Dans la structure de la navette spatiale, plusieurs lments tubulaires (entretoises, raidisseurs) sont faits en matriau composite. Ce composite est une matrice d'aluminium renforce de fibres continues et alignes de bore. Les proprits mcaniques de ces deux composants sont donnes au tableau ci-dessous.

    Composant E (GPa) Re (MPa) Rm (MPa) A (%) Aluminium 70 400 400 1

    Bore 400 na 3 600 nd* *nd = non disponible

    Supposons que la fraction volumique de renfort Vf soit gale 35 %. (1 pt) a) Quelle est la valeur (en GPa) du module d'Young EC du composite ? (1 pt) b) Quelle est la valeur du rapport EC/Em, o Em est le module d'Young de la matrice ?

    (1 pt)