Sélection des matériaux et des procédés

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Sélection des matériaux et des procédés. Contexte : Rationalisation du processus de conception  nombreuses méthodes Matériaux utilisés restent peu nombreux Possibilité d’intégrer des fonctions de la pièce dans le matériau Nécessité d’optimiser le choix des matériaux. - PowerPoint PPT Presentation

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  • Slection des matriaux et des procdsContexte : Rationalisation du processus de conception nombreuses mthodes Matriaux utiliss restent peu nombreux Possibilit dintgrer des fonctions de la pice dans le matriau Ncessit doptimiser le choix des matriauxMise au point dune mthode (M.F. Ashby)

  • Droulement du cours1 Notions de conception, les matriaux et leurs proprits2 Rdaction dun cahier des charges3 Evaluation des performances des matriaux 4 Slection multi critres5 Les Procds et leurs attributs6 Faisabilit des procds, viabilit

  • 1Dmarche de conception1.1Principes gnraux

    Conception dune pice : choix des attributs (lments de conception) relatifs sa dfinition et sa ralisation Attributs : nombre de composants, gomtrie, matriau(x) constitutif(s), procd de fabrication, dassemblage Point de dpart : besoin du march importance de la dfinition et lexpression de ce besoin

  • Fonctions des composantsProduits = assemblage de composants

    Fonctions mcaniques : transmettre des forcesFonctions thermiques: conduction, isolation, inertieFonctions dinformation: conduction lectrique, proprits magntiques, optiques

  • Ides fondamentales :Ncessit de faire des compromisChoix effectu avec une prcision croissante Besoin du march ConceptAmliorationDtailPRODUITChoisir entre les grandes classes de matriaux (cramiques, mtaux)Choisir entre les familles dune grande classe de matriaux (aciers, fonte, Al) Choisir entre les nuances dune famille de matriaux (Alliages 6000, 7000,..) SELECTION DES MATERIAUXChoisir entre les grandes classes de procds (moulage, usinage) Choisir entre les familles dune classe de procds (moule en sable, moulage sous pression)Choisir entre les variantes dune famille de procds (moulage coquille, ) SELECTION DES PROCEDESClarifier la fonctionDfinir les caractristiques principales du produit Optimiser les formes Optimiser la ralisation (fabrication + assemblage)OBJECTIFSAnalyse fonctionnelleModelisation des composants (FEM)DFM / DFAOUTILS DECONCEPTION Analyseur de fonction Modeleur 3DSimulationMthodes doptimisation

  • Outils informatiques pour les dernires tapesMthode des lments finisOptimisation de la gomtrieOutil de dimensionnement

    Premires tapesPas d'outil performantBases de donnes d'lments fonctionnels (bielles, engrenages)Problme du choix de matriaux (pas indpendant de la gomtrie)

  • 1.2Choix de matriaux et de procds

    Slection de matriaux critres de choix Choix objectif connaissance des proprits des matriaux Choix pas indpendant du procd de mise en uvreProcdStructure du matriauPropritsFonction

  • Ingnierie simultane Tous les aspects du dveloppement dun nouveau produit doivent tre envisags simultanment Possibilit dinformatiser ces oprations Gestion de bases de donnes Classement suivant un critre objectifLogiciel Cambridge Engineering Selector (CES)

  • 2Les proprits des matriaux2.1Qualit, proprit, caractristique

    Qualit : type de la raction dun matriau expos un agent dtermin Proprit, caractristique : grandeur dcrivant lampleur de ces ractions Possibilit de comparer les matriaux entre eux Choix de matriaux objectifs traduction du cahier des charges en fonction de ces grandeurs, avec des niveaux dtermins

  • 2.2Les caractristiques des matriaux

    Classement des proprits des matriaux en 6 catgories (en fonction des agents auxquels ils sont exposs) :

    McaniquesElectriquesThermiquesMagntiquesOptiquesChimiques

    Bases de donnes sous forme numrique : mcaniques, thermiques, lectriques

  • Autres proprits : pas de donnes sous forme numrique QualitativesRsistance aux agressions chimiquesInflammabilit, rsistance aux UV

    BoolennesProcds de mise en uvreProcds dassemblageFormes disponibles

  • 2.3Les caractristiques disponibles dans CES

  • Gnrales : Densit, prixMcaniques :Module dYoung, limite dlasticit, rsistance, dformation la rupture, limite dendurance, tnacit, duret Vickers, capacit d'amortissementThermiquesTemprature de fusion, chaleur spcifique, conductivit thermique, coefficient de dilatation thermiqueElectriquesRsistivitOptiquesTransparenceRsistance lenvironnementInflammabilit, solvants organiques, acides, bases, UV

  • CaractristiqueQualitModule dYoung Rigidit, capacit dun matriau sopposer une dformationLimite dlasticit, rsistanceRsistance aux effortsDformation la rupture Ductilit (capacit se dformer avant de rompre)Limite dendurance Rsistance la fatigue (sollicitations mcaniques cycliques alternes)Tnacit Rsistance la propagation de fissureDuret (Vickers) Rsistance l'enfoncement d'un pntrateurChaleur spcifique Quantit de chaleur pour lever la temprature dun kilo de matriau d'un degr Conductivit thermique Aptitude d'un matriau conducteur transmettre de la chaleurCoefficient de dilatation thermique Dilatation du matriau lorsqu'on le chauffeRsistivitIndique dans quelle mesure un matriau est rsistant au passage d'un courant lectrique

  • Les modules d'lasticitPentes des courbes contrainte dformationmodule d'Young E : comportement en traction et compressionmodule de Coulomb G : comportement en cisaillementcoefficient de Poisson n : oppos du rapport des dformations transversale et longitudinaleges tEGFRque : matriaux homognes isotropes

  • Limite d'lasticit, rsistance et allongement la ruptureDtermins partir des courbes contrainte dformation en traction

    Capacit d'amortissementFacilit qu'a un matriau dissiper de l'nergie vibratoire (coefficient sans dimension)e ssRseeR

  • DuretMesure en appuyant une bille ou un cne d'un matriau trs dur (diamant, acier tremp) sur la surface du matriau

    Limite d'enduranceSollicitation rpte pouvant entraner l'apparition d'une fissure puis la ruptureAmplitude de contrainte maximale pour laquelle la rupture ne se produit pas

    TnacitMesure en chargeant une prouvette en prsence d'une fissureDeux grandeurs : nergie de rupture G1C et tnacit K1C

  • Coefficient de dilatation thermiqueCaractrise la dilatation d'un matriau lors d'une variation de tempratureUn seul coefficient pour les matriaux isotropes

    Tempratures caractristiquesTemprature de transition vitreuse : transition entre le solide et le liquide visqueux pour les matriaux non cristallinsTemprature de fusion, temprature de service maximale

    Conductivit thermiqueVitesse laquelle la chaleur de propage en rgime permanent travers un solideFlux thermique :

    avec l conductivit thermique, f flux de chaleur, x distance entre les surfaces o sont mesures les tempratures

  • Diffusivit thermiqueDonne le flux thermique dans le cas d'un rgime transitoireExprime en fonction des autres caractristiques

    Usure, oxydation, corrosionusure volumtrique : rapport du volume de matire arrach et de la surface de contact

    corrosion plus difficile quantifier seulement qualitatif

    donnes pour des couples de matriaux ou en fonction des milieux

  • 3Les grandes classes de matriaux3.1Classification des matriaux

    Nature des liaisons Trois grandes classes de matriaux solides :mtaux, cramiques, polymres Matriaux naturels Matriaux composites

  • 3.2Les mtaux et alliages

    Exemples : aciers, aluminium, titane, or, bronze, fonte, zinc, tungstne, magnsium Mtaux purs ou alliages Type de liaison : mtallique (assure par lectrons dlocaliss) Proprits spcifiques : - conduction de chaleur et lectricit- tempratures de fusion et de vaporisation en gnral leves- proprits lastiques leves- possibilit daugmenter la rsistance (durcissement structural)- denses, sensibles la corrosion et la fatigue

  • 3.3Les cramiques

    Exemples : verres, bton, alumine, diamant, carbures, roches, briques, porcelaines Elements mtalliques et non mtalliques (carbures, nitrures) Type de liaison : ionique ou covalente (trs nergtiques) Proprits spcifiques : - tenue en temprature- excellentes proprits lastiques- fragiles, peu ductiles, peu tenaces- rsistants lusure et la corrosion- prix lev pour les cramiques techniques

  • 3.4Les polymres

    Macromolcules squelette covalentexemple : (CH2-CH2)n Type de liaison : Van der Waals (liaison faible) Proprits spcifiques :- deux tempratures spcifiques : transition vitreuse et dgradation- faibles proprits lastiques- rsistants lusure et la corrosion Catgories : thermoplastiques, thermodurcissables, lastomres

  • 3.5Les matriaux composites

    Association dlments de deux classes de matriaux pour obtenir une combinaison avantageuse de proprits Facteurs influenant les proprits :- nature des constituants- proportions de chacun- architecture du renfort (fibres courtes, longues, orientation)

    3.6Les matriaux naturels

    Deux catgories : origine vgtale ou animale Exemples : bois, papier, carton, lige, fibres naturelles, cuir, laine

  • 3.7Approche hirarchiqueCramiquesPolymresMtauxNaturelsCompositesAciersAlliages CuAlliages AlAlliages TiAlliages NiAlliages Zn

    10002000300040005000600070008000MatriauxFiche dun matriauMasse volumiqueProp MecaniquesProp Thermiques.Prop Electriques..Rsistances Corrosion.. 5083 H25083 H4..Objectif : Donner un niveau dinformation compatible avec le niveau davancement de la conception

  • 4Approche comparative des matriaux1re tape : comparaison qualitative

    MtauxCramiquesPolymresCompositesDensitMoyenne / leveMoyenneFaible / trs faibleMoyenne / faiblePrixFaible / levElev (techniques)Faible / levElevFaible (grde diffusion)Module dElasticitElevTrs levMoyen / faibleElevRsistance McaniqueEleveTrs leve (compression)Moyenne / faibleEleveTolrance aux dfauts et aux chocsTrs tenaceTrs fragilePeu tenaces mais grande nergie absorbeTrs tenaceTemprature dutilisationMoyenne / hautesHautes / trs hautesMoyennes / faiblesMoyennesTenue aux agressions chimiquesMoyenne / mauvaiseBonne / trs bonneMo