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