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MATÉRIAUX À HAUTES PERFORMANCES

MATÉRIAUX POUR L’ENERGIE

INTRODUCTION

Jean-Hubert [email protected]

Mécanique et Matériaux

Matériaux de Structures

26/11/2014Matériaux Hautes Performances -

Introduction2

Performance, sécurité, longévité …


Introduction3

… pour éviter cela !

Objectifs du cours

• Voir quelques aspects du dimensionnement

– Aspects mécaniques

– Comportement et ruine

• En prenant en compte l’influence du matériau• En prenant en compte l’influence du matériau

– Procédé d’élaboration et de mise en forme

– Microstructure

– Défauts

• Quelques exemples d’application

26/11/2014 4Matériaux Hautes Performances -

Introduction

• Un matériau est plus complexe que sa seule

composition chimique

• Ses propriétés dépendent de sa

microstructure

Un exemple : le « steel cord »

microstructure

• La microstructure évolue

– pendant le procédé

– pendant la vie du matériau


Introduction5


20 µm

Acier perlitique : eutectoïde à 0,8%pds C


Introduction6

Structure globularisée, adoucie� usinabilité

Comportement type Hall-Petch :2/1−+= Skpop σσ


x 3

S = 1µm σp = 450MPaS = 0,1µm σp = 550MPa


Introduction7

80% de réduction par tréfilage amincissement des lamelles3000 MPa


x 3

Contrainte théorique :6500 MPa


Introduction8

3000 MPa 15kg pour un fil de 220 µm de diamètre !

Φ0 : 5,5 mm Φf : 0,22 mm


Evolution pendant le procédé


Introduction9

Dissolution progressive de la cémentite sous l’effet des contraintes internes et du cisaillement


Evolution en fonctionnement


Introduction10

C.Scott et al., 2006


Evolution en fonctionnement


Introduction11

C.Scott et al., 2006

Endommagement, fissuration,rupture

A prendre en compte dans la conception

• Possibilité de mise en forme• Ductilité

• Usinabilité

• Coulabilité

• …

• Capacité à supporter les contraintes en service• Capacité à supporter les contraintes en service

– Attention aux effets d’environnement• Température

• Pression

• Corrosion

• Oxydation

• …

• Effet du cyclage : fatigue


Introduction

A prendre en compte dans la conception

• Existence de défauts dans le matériau

– Inclusions

– Etat de surface

– Assemblage

→ Contrôle non destructif / taille limite→ Contrôle non destructif / taille limite

⇒ Coefficients de sécurité

Conception « fail safe »

Conception « safe life »


Introduction

Synthèse sur les problématiques matériaux

• Pour l’aéronautique (en règle générale)

– Résistance

– Durabilité

– Légèreté

• Ex. pour la voilure et le fuselage• Ex. pour la voilure et le fuselage

– Densité faible

– Module d’Young et limite d’élasticité élevés� rigidité

– Ténacité

– Tenue en fatigue

– Résistance à la corrosion


Introduction

Ju-52, duralumin1930

Evolution des matériaux :légèreté, endurance

SR-71 Blackbird


Introduction15

B2, composites carbone1989

SR-71 Blackbird1968 - titane

DH Mosquito1941 - bois sandwich


Introduction16

Quels avions ?Avec quels matériaux ?


• Ex. pour le train d’atterrissage

– Résistance élevée, ténacité, tenue au choc

• Aciers spéciaux

– Tenue au frottement et en température pour les freins

• Carbone

• Ex. pour les réacteurs

– Densité faible

– Tenue en température et aux cycles thermiques

– Ténacité

– Résistance à l’oxydation à chaud

• Superalliages base Ni


Introduction

PW4000


Introduction18

Matériaux :tenue en température,

sécurité, (légèreté)

Rolls Royce Trent

résistance spécifique σ/ρ , à T donnée

Engine Materials


Introduction19


• Pour l’énergie (matériaux de structure)

– Résistance

– Ténacité

– Durabilité en environnement sévère

– (coût)

• Ex. cuve de réacteur

– Facilité de mise en forme et d’assemblage

– Tenue longue en température (évolution microstructurale)

– Tenue à la corrosion

– Effet de l’irradiation

– Comportement en sollicitation exceptionnelle


Introduction

Boucle primaire

Générateur de vapeur

pressuriseurP=155 bars

290<T<350°C

Flux de neutrons E > 1 MeV


Introduction21

Pompe primaire

Cuve du réacteurMatériaux :

tenue en température, environnement, longévité

Plan du cours

• Introduction – Elasticité – Plasticité

Critère de plasticité – Dislocations – Durcissement

• Comportement à haute température – Fluage

Dimensionnement des aubes de turbine

• Rupture ductile-fragile – Fatigue• Rupture ductile-fragile – Fatigue

Tenue des cuves PWR

• Mécanique de la rupture – Propagation des fissures

• Matériaux composites – Environnement


Introduction

We

σ

ε

• ElasticitéeC εσ :=

σε :Se =

ijklC → E, ν ou λ, µ isotrope

e

e

Wσε

∂=∂linéaire quelconque

Rappels : lois de comportement thermo-élastique


Introduction23

• Thermique εth = α ∆Τ α ∆TId→ si isotrope

)(Τα si ∆Τ grand

)1(2et

)1)(21( avec

2)(et )(1

νµ

νννλ

µεδελσδσνσνε

+=

+−=

+=−+=

EE

trtrEE ijijijijijijν = 0.3 =>

λ = 0.57 Ε, µ = 0.38 Eν = 0.25 =>λ = µ = 0.4 E

Comportement thermo-élastique : exemple bilame

• Elasticité eC εσ := • Thermique IdT∆= .αε

u

• Déformation totale the εεε +=Τ

compatibilité : doit dériver d’un champ de déplacements Tε

eC εσ :=


Introduction24

α1 < α2

∆Τ

⇒ contraintes « thermiques » si dilatations empêchéesT



Introduction25


Différence de longueur moyenne


Introduction26

Comportement thermo-élastique : contraintes

Cas d’une jonction pyrex – inox

α


Introduction27

αpyrex = 4.10-6 K-1

αinox = 20.10-6 K-1

Epyrex = 70 GPa σf = 30 MPa

Rupture du pyrex pour ∆T de 20°C !

Faïençage


Ni superalliageNiAl

Zr02(+ Y203)150 µm

Al2O35 µm


Introduction28

Ni superalliageNiAl50 µm

150 µm

isolantthermique2W/m.K

isolantO2

accroche



Introduction29

Différentes échelles

monocristaux: composites composites stratifiés polycristaux:

→ → →

Comportement thermo-élastique : solides hétérogènes


Introduction30

Passage micro-macro …

monocristaux: anisotrope

composites fibres courtes

anisotropes

composites stratifiés anisotropes

polycristaux: isotropes par compensation

σ

σc

Elasticité : instantanée et réversible

Plasticité : progressive, irréversible

Rupture fragile : instantanée, irréversible

Plasticité ou fragilité ?

σ

Re


Introduction31

Limite d’élasticité : critère ?σc = f (matériau)

plasticité ?

rupture fragile ?

ε

… retour à la physique

εεp

Rappel des grands types de liaisons

• Les liaisons ioniques

– Attraction coulombienne d’ions de signes opposés


Introduction


• Les liaisons ioniques

– Attraction coulombienne d’ions de signes opposés

• Les liaisons covalentes

– Mise en commun d’une paire d’électrons

• Caractéristiques principales• Caractéristiques principales

– Liaisons fortes� bonne tenue en température

� bonne résistance à la corrosion

� résistance mécanique élevée

– Electrons liés� plutôt isolant électrique et thermique


Introduction


• Les liaisons métalliques

– Électrons délocalisés (gaz d’e-)� conducteur d’électricité et de chaleur

� éclat métallique


Introduction





– Température de fusion relativement élevée


Introduction





– Température de fusion relativement élevée

cfc

cc

– Cristaux de structure compacte (cfc, hc)� matériaux denses

� propriétés plutôt isotropes

� ductilité et ténacité


Introduction

hc


• Les liaisons faibles

– Van der Waals

– hydrogène

• Les polymères– Macromolécules à squelette covalent

– Liées par des liaisons faibles– Liées par des liaisons faibles� Température de transition vitreuse

� Température de dégradation

– 3 familles principales en fonction de ces liaisons�Thermoplastiques (grandes chaînes linéaires avec branchements)

�Thermodurcissables (réactions chimiques entre monomères et molécules de liaison)

�Elastomères (intermédiaires)


Introduction

Ui = 1,12 eV

Energie de liaison entre atomes : liaison ionique


Introduction38

NaCl

n de l’ordre de 10

Energie de liaison et résistance théorique


Introduction39


force entre atomes F(d) => dérivée de U = f(d)


Introduction40

contrainte σ : force entre atomes x nbre atomes par unité de surf acedéformation ε : ∆a/a0



Introduction41


Elasticité


Introduction42



Introduction43



Introduction44


Relation entre E et ∆Hs


Introduction45

K module de compressibilité



Introduction46distance interatomique a0

module E : dérivée seconde de U en a 0


Relation entre E et densité

métauxcéramiques (compression)compositespolymèresbois


Introduction47

bois

Energie de liaison et dilatation thermique


Introduction48



Introduction49

ordres de grandeur de α : céramiques 10 -6 , métaux 10 -5 , polymères 10 -4 (K-1)

dilatation thermique : évolution de la position d’é quilibre avec T



Introduction50

En résumé


Introduction

T fusion Cond. e-

En résumé


Introduction

En résumé

Composite 22%

Glare(*) 3%

Titanium/Steel 10%

Aluminium60%

Miscellaneous 2%

Surface protections 2%


Introduction(*) GLAss REinforced aluminium

Materials distribution on Airbus A380

En résumé


Introduction54

Boeing 787 « Dreamliner »Répartition composites et aluminium

Boeing 787 Boeing 777- 50 % composites - 12% composites- 20 % aluminum - 50% aluminium

Conséquence directe emploi composites: diminution 20% consommation fuel

Bibliographie sur les matériaux et leur comportement mécanique

Ouvrages disponibles à la bibliothèque

• « Des Matériaux» , JM. Dorlot, J. Baïlon, J MasounaveEd. Ecole Polytechnique de Montréal

• « Traité des matériaux, tome 1: Introduction à la science des matériaux» W. Kurz, JP. Mercier, G. ZambelliPresses Polytechniques et Universitaires Romandes (EPF Lausanne)

• « Materials selection in mechanical design» M.F Ashby


Introduction55

• « Materials selection in mechanical design» M.F AshbyPergamon Press

• « Materials Science and Engineering, An Introduction » W.D. Callister, Wiley & Sons

• « Endommagement et rupture des matériaux» tomes I et II, M. Clavel, Ph BompardHermès

• « Mécanique non linéaire des matériaux» J. Besson, G. Cailletaud, JL. Chaboche, S. Forest Hermès

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