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Science des Matériaux Campus centre Mr Jean Yves Dauphin Mme Mouna Souissi 1 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 30/01/2014

Cours complet matériaux

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Cours Sciences des matériaux

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Page 1: Cours complet matériaux

Science des Matériaux

Campus centre

Mr Jean Yves Dauphin

Mme Mouna Souissi

1 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

30/01/2014

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Plan du cours

30/01/2014

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1- Préambule – Notions générales

2- Liaisons atomiques – Cohésion et propriétés des solides

3- Propriétés mécaniques

4- Equilibres de phases et Thermodynamique des solides

5- Les solides cristallisés et les défauts cristallins

6- Les transformations à l’état solide

7- Cinétique des transformations.

8- Notions de base sur les traitements thermiques.

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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 qui existent entre la structure et les propriétés générales de ces matériaux • La structure d’un matériau correspond à la façon dont s’agencent ses éléments constitutifs

Échelle subatomique Échelle

atomique Échelle microscopique

Échelle macroscopique

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Chapitre 1: Préambule – Notions générales

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1- Préambule – Notions générales

• 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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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 matériaux

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• Méthode APTE : diagramme pieuvre

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

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Page 10: Cours complet matériaux

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1. La cohésion des solides dépend avant tout du type des liaisons atomiques.

2. Les matériaux se répartissent en céramiques, métaux ou polymères.

3. 84% des éléments purs ont un comportement métallique.

4. Il existe de nombreuses phases à l’état solide, souvent métastables.

5. Beaucoup de matériaux sont polyphasés.

6. 80% des matériaux sont cristallisés, les autres sont amorphes.

7. Les matériaux cristallisés sont presque toujours polycristallins.

8. Le diamètre d’un atome quelconque est voisin de 0.25 nm.

9. On ne voit pas les atomes au microscope mais la microstructure.

10. Celle-ci caractérise la nature, la taille et la disposition interne des phases qui

constituent un matériau, ainsi que les défauts qu’il contient.

Quelques principes généraux de la SdM Campus centre

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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

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Page 13: Cours complet matériaux

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 liaisons atomiques -

Cohésion et propriétés des

solides

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Page 15: Cours complet matériaux

Remplissage des couches électroniques quand Z augmente

L’énergie de liaison des électrons dépend de quatre nombres quantiques:

• n, nombre quantique principal valeur : entiers 1,2,3 niveau ou couche (K, L, M, N, ) taille de l’orbitale • l, nombre quantique angulaire valeur : de 0 à n-1 sous-niveaux s, p, d, f,... forme de l’orbitale • m, nombre quantique magnétique valeur : de –l à +l orientation des orbitales • s, nombre de spin valeur : ½ ou - ½ sens de circulation

2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes.

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Page 16: Cours complet matériaux

Remplissage des couches électroniques quand Z augmente

La règle de Pauli : Deux électrons de même énergie partagent la même orbitale s’ils sont de spin

opposé. La règle de Hundt : Les électrons de même spin occupent des orbitales distinctes de même

énergie.

Campus centre 2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes.

30/01/2014 16 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

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2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes.

Comparaison des niveaux d’énergie quand Z augmente.

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2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes.

Remplissage des couches électroniques des 30 premiers éléments.

K L M N

s

(2 él.)

s

(2 él.)

p

(6 él.)

s

(2 él.)

p

(6 él.)

d

(10 él.)

s

(2 él.)

1s2

H, He

1s2 2s2

Li, Be

1s2 2s2 2p6

B, C, N, O, F, Ne

1s2 2s2 2p6 3s2

Na, Mg

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

Al, Si, P, S, Cl, Ar

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 remplissage anormal 4s2 K, Ca

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10

Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn

4s2

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Conséquences : • Les éléments de la série de transition ont des électrons périphériques peu liés.

• Rayons atomiques faibles. Grande conduction thermique et électrique.

• Oxydation facile (la corrosion aussi).

• Pas d’interaction avec les photons (réflecteurs de la lumière).

• Formation d’une liaison de type particulier (métallique) à l’état solide.

• Tendance à la compacité maximale.

• Cristallisation intense, dans des systèmes simples.

• Les métaux sont très nombreux (84% des éléments).

2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes.

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2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes. Le tableau périodique des éléments.

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Science des matériaux

2-2/ Les liaisons chimiques.

1-/ La liaison covalente.

Exemple du chlore:

Liaison covalente homopolaire

Exemple du méthane

Hybridation sp3 des orbitales du carbone.

Formation de 4 liaisons symétriques

30/01/2014 21 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

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Page 22: Cours complet matériaux

Science des matériaux

Exemple du carbone diamant

Liaison covalente homopolaire.

Macromolécule par hybridation sp3.

4 liaisons équivalentes très fortes.

Exemple du carbone graphite

Hybridation sp2.

3 liaisons fortes à 120°.

1 liaison faible p.

2-2/ Les liaisons chimiques.

1-/ La liaison covalente.

30/01/2014 22 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

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Page 23: Cours complet matériaux

Science des matériaux

Exemple de NaCl :

Structure du Néon Structure de l’Argon

2-2/ Les liaisons chimiques.

2-/ La liaison ionique.

30/01/2014 23 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

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Page 24: Cours complet matériaux

Science des matériaux

2-2/ Les liaisons chimiques.

3-/ La liaison métallique.

Exemple du magnésium :

Rassemblement très dense d’ions Mg2+.

Formation d’une orbitale unique:

Mise en commun des électrons périphériques.

30/01/2014 24 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

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Page 25: Cours complet matériaux

Exemple de l’eau : Exemple d’un polyamide linéaire (Nylon 6-6)

2-2/ Les liaisons chimiques.

4-/ Les liaisons faibles ou secondaires (attraction dipolaire).

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Page 26: Cours complet matériaux

2-2/ Les liaisons chimiques.

Comparaison des propriétés selon la nature des liaisons.

Propriétés : Tf = température de fusion e = élevé E = module d’élasticité en tension m = moyen a = coefficient de dilatation linéaire f = faible r = résistivité électrique 0 = # nulle D = ductilité

Liaison Exemple Propriétés

Tf E a r D

Covalente C électrons partagés e e f m/e 0/f

Ionique NaCl électrons attirés m/e e f e 0

Métallique Cu électrons délocalisés m/e m m f e

Liaisons faibles H2O attraction dipolaire f f e e m

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2-2/ Les liaisons chimiques.

Le caractère mixte des liaisons dans les solides réels.

Covalente C,Si,AsGa..

FaibleH2O, N2, CH4

IoniqueMgO, NaCl...

Métallique Cu,Pb..

Diamant

Graphite

SiO2

Mg2Si

W

Sn

Fe

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Page 28: Cours complet matériaux

2-3/ Energie de cohésion - Force de liaison.

Courbes de Lennard-Jones :

Variation de l’énergie potentielle d’une liaison avec la distance entre atomes.

U a

attraction électrostatique

U r

répulsion des orbitales

Energie résultante

longueur d'équilibre

de la liaison

U

U l

distance d

Energie d’attraction noyau/électrons

Ua = -A / dm (A>0) m de 1 à 5 selon la liaison

Energie de répulsion des orbitales

Ur = B / dn (B>0) n de 6 à 11 selon la liaison

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Page 29: Cours complet matériaux

d0

U distance d

force de liaison

F

Force théorique de cohésion

distance d 0

rigidité de la liaison

répulsion

attraction

2-3/ Energie de cohésion - Force de liaison.

Variation de la force théorique de liaison avec la distance entre atomes.

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Page 30: Cours complet matériaux

2-3/ Energie de cohésion - Force de liaison.

Application des courbes de Lennard-Jones : la dilatation des solides

évolution de la distance moyenne

entre les atomes quand Uth augmente

U

Uth

distance dUl

longueur moyenne de liaison

pour l'énergie de vibration Uth

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Page 31: Cours complet matériaux

2-3/ Energie de cohésion - Force de liaison.

Comparaison des courbes de Lennard-Jones selon le type des liaisons

U

distance d

Liaison iono-covalente

Liaison secondaire

Liaison métallique

U 3

U 2

U 1

d2 d3d1

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Page 32: Cours complet matériaux

2-4/ Les trois classes de 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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Page 33: Cours complet matériaux

2-4/ Les trois classes de matériaux.

Métaux et alliages Exemples :

Polymères Exemples:

Céramiques (matériaux minéraux) : Exemples:

Composites Exemples:

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Page 34: Cours complet matériaux

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34 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

2-5/Les propriétés des matériaux

Propriétés physiques

et mécaniques

•solides atomiques de grande densité

•cohésion par liaisons métalliques

•températures de fusion moyennes

•tous cristallisés dans des systèmes simples

•très bons conducteurs électriques et thermiques

•rigidité moyenne à élevée

•déformables plastiquement et tenaces

•opaques à la lumière

Propriétés chimiques •sensibles à l’oxydation

Caractéristiques

économiques

•abondance et prix très variables

•nombreux fabricants

•recyclage possible

•toxicité possible

Mise en œuvre •très nombreux procédés bien connus

• Les métaux et alliages métalliques

Page 35: Cours complet matériaux

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35 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

2-5/Les propriétés des matériaux

• Les céramiques

Propriétés physiques

et mécaniques

•combinaisons métal et élément léger : O, B, C et N.

•solides moléculaires de densité moyenne

•cohésion par liaisons iono-covalentes

•températures de fusion très élevées

•amorphes ou cristallisés

•grande dureté

•rigidité élevée

•fragiles

•tenue mécanique élevée à chaud

Propriétés chimiques •inertes jusqu’aux hautes températures

Caractéristiques

économiques

•céramiques traditionnelles et céramiques techniques

•abondance et prix très variables

•nombreux fabricants

•recyclage difficile

Mise en œuvre •procédés anciens et simples

•ou très sophistiqués

•assemblage difficile

Page 36: Cours complet matériaux

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36 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

2-5/Les propriétés des matériaux

• Les polymères organiques

Propriétés

physiques

et mécaniques

•chaînes carbonées contenant des éléments non-métalliques

•solides moléculaires de faible densité

•cohésion par liaisons faibles et covalentes

•températures de fusion faibles

•isolants thermiques et électriques

•amorphes ou partiellement cristallisés

•dilatation thermique importante

•faible résistance mécanique

•rigidité faible à très faible

•tenue mécanique très sensible à la température

Propriétés

chimiques

•réactivité chimique très variable, souvent très faible dans les

conditions ambiantes

•sensibles au vieillissement et à la lumière

Caractéristiques

économiques

•abondance liée à la pétrochimie

•prix très variables

•nombreux fabricants

•recyclage peu efficace ou impossible

Mise en œuvre •différente suivant les thermoplastiques

•ou les thermodurcissables

•procédés faciles très nombreux

•faible coût

Page 37: Cours complet matériaux

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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2-5/Les propriétés des matériaux

Page 38: Cours complet matériaux

• 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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38 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

2-5/Les propriétés des matériaux

Page 39: Cours complet matériaux

• 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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39 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

2-5/Les propriétés des matériaux

Page 40: Cours complet matériaux

• Tirer sur une éprouvette

• Enregistrer la force et l’allongement de l’éprouvette.

• Analyse de l’assai:

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40 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

2-5/Les propriétés des matériaux

Page 41: Cours complet matériaux

• 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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41 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

2-5/Les propriétés des matériaux

Page 42: Cours complet matériaux

Essai de traction

• Courbe de traction:

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Rm

Re 0.2

Re

Domaine Plastique Domaine Elastique

Déformation

Co

ntr

ain

te (

MP

a)

Point de rupture

O

A

B

C D

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42 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 43: Cours complet matériaux

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 :

43 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 44: Cours complet matériaux

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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44 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 45: Cours complet matériaux

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.

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Matériaux E(Gpa)

Diamant 1000

Céramique 550

Méteaux 70-420

Béton 20

Elastomère 0.003

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45 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 46: Cours complet matériaux

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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Page 47: Cours complet matériaux

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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47 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 48: Cours complet matériaux

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

48 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 49: Cours complet matériaux

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 et du diamètre de l'empreinte d :

.

49 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 50: Cours complet matériaux

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.

50 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 51: Cours complet matériaux

Essai de flexion choc CHARPY

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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.

51 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 52: Cours complet matériaux

Chapitre 3:

Propriétés mécaniques

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52 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 53: Cours complet matériaux

Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

en Mpa (N/mm2).

Allongements relatifs : Elasticité linéaire (loi de Hooke) si : sz = E .ez

3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.

A-/ Déformation élastique en tension/compression uniaxiale.

F

xy

z

x'y'

z'

F

AAF

z

y

x

s

s

s

0

0

z

zze

y

yye

x

xxe

z

y

x

'

'

'

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30/01/2014 53

Page 54: Cours complet matériaux

Grandeurs caractéristiques : Le module d’élasticité en tension (module d’Young), en MPa ou GPa. Le coefficient de Poisson (si le matériau est isotrope).

La variation relative du volume sous charge :

z

y

z

x

e

e

e

e

z

z

eE

s

)21('

zeV

VV

30/01/2014 54 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.

A-/ Déformation élastique en tension/compression uniaxiale.

Campus centre

Page 55: Cours complet matériaux

F

a

xy

z

F

q

A

Application dans la direction x de la

contrainte de cisaillement : en Mpa (N/mm2).

Déformation relative:

Elasticité linéaire si :

G = module de cisaillement (ou de Coulomb)

AF

x

zatg

Gx

30/01/2014 55 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.

B-/ Déformation élastique en cisaillement

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Page 56: Cours complet matériaux

Application d’une pression uniforme p

Déformation = variation relative du volume :

Elasticité linéaire si :

K = module de compressibilité

V

VV

'

Kp

p

30/01/2014 56 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.

C-/ Déformation élastique en compression uniforme

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Page 57: Cours complet matériaux

Relations entre les constantes élastiques. L’élasticité linéaire est décrite par 4 constantes : E, , G et K. Ces constantes sont reliées par les relations : )1(2

)21(3

GE

KE

30/01/2014 57 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.

Campus centre

Page 58: Cours complet matériaux

30/01/2014 58 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 59: Cours complet matériaux

Energie élastique.

énergie élastiquee1

s1

A

F

0L

Le

1

0

2

2.

e

e

EedeU s

Ue = énergie élastique stockée sous l’effet de la contrainte s1 :

30/01/2014 59 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.

C-/ Déformation élastique en compression uniforme

Campus centre

Page 60: Cours complet matériaux

Energie élastique et énergie plastique. Re est la limite d’élasticité. Au-delà, comportement plastique

énergie élastique

énergie plastique

e2

s2

Re

30/01/2014 60 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.

C-/ Déformation élastique en compression uniforme

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Page 61: Cours complet matériaux

Viscoélasticité des polymères.

Allongement e

Contrainte

Hystérésis élastique lors du cyclage d’une fonte grise.

Courbe de déformation élastique d’un élastomère.

30/01/2014 61 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides. d/ Autres aspects de l’élasticité des solides.

Campus centre

Page 62: Cours complet matériaux

A- L’essai de traction.

30/01/2014 62 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre

Page 63: Cours complet matériaux

A- L’essai de traction. Courbe nominale de traction d’un matériau déformable plastiquement

30/01/2014 63 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre

Page 64: Cours complet matériaux

A- L’essai de traction. Grandeurs mesurées sur la courbe de traction d’un matériau déformable plastiquement

Résistance Limite d’élasticité

en MPa

Re ou R0.2

Résistance à la traction

en MPa

Rm

Plasticité

ou ductilité

Allongement rémanent à la rupture

en %

A%

Coefficient de striction

en %

0

0

% .100S

SSS

rupt

30/01/2014 64 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre

Page 65: Cours complet matériaux

30/01/2014 65 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre

Page 66: Cours complet matériaux

A- L’essai de traction.

Courbe de traction d’un acier recuit

(crochet de traction)

F/S0

e = D L/L0

seuild'écoulement

rupture

module tangent

module sécant

Courbe de traction d’un polymère déformable

(T > Tg)

30/01/2014 66 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre

Page 67: Cours complet matériaux

A- L’essai de traction. La courbe rationnelle de traction : changement de coordonnées

Allongement e ou e

ruptureCourbe nominales N = F/S0

Courbe rationnelles vraie = F/S

Rm

)1(0

eS

F

S

Fvraie

s

)1()(0

0eLn

L

LLn

l

dlL

L

Contrainte vraie :

Allongement rationnel :

Comparaison

des courbes nominale et rationnelle de traction

30/01/2014 67 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre

Page 68: Cours complet matériaux

A- Les essais de dureté. Le système de dureté VICKERS

d

P

Matériau

Vue en plan

0 20 100 350 700 1500 4000

polymères

métaux purs

alliages

céramiques traditionelles

céramiques techniques

diamant, BN

aciers spéciaux

limite d'usinabilité

500

2.1854d

PH

PV

Valeur de la dureté :

P en daN

d en mm

HV en 10MPa

30/01/2014 68 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre

Page 69: Cours complet matériaux

A- La mesure de la ténacité.

Effet d’une fissure : la concentration des contraintes

2a

a

r x

s0

s0

smax

r

Coefficient de concentration

de contrainte Kt:

rs

s aKt 21

0

max

Le facteur d’intensité de contrainte critique (mode I)

CCI EGaKC

ps

a = longueur de fissure, sC = contrainte critique, GC = énergie de création de fissure en J/m2

30/01/2014 69 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre

Page 70: Cours complet matériaux

30/01/2014 70 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 71: Cours complet matériaux

A- La mesure de la résilience (rupture par choc).

Permet de comparer des ténacités.

100

50

0

Cristallinité=% surface fragile

Résilience

TempératureT50

Rupture fragile

Rupture ductileRupture

mixte

Mouton-pendule de CHARPY et échantillon Variation de la résilience d’un acier

avec la température

30/01/2014 71 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre

Page 72: Cours complet matériaux

Chapitre 4:

Equilibre de phases et thermodynamique des solides

30/01/2014 72

Campus centre

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Page 73: Cours complet matériaux

Rappel

• L’énergie interne d’un solide est évaluée par son enthalpie libre de Gibbs:

• G = H – TS

• H : énergie des liaisons + énergie de vibration

• S : entropie de configuration (ordre interne) + entropie de vibration

• Normalement, la phase qui existe est celle qui présente le G minimum

• Nombreux cas de phases métastables

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

73

Campus centre

Page 74: Cours complet matériaux

Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Phase : solide homogène caractérisé par son arrangement atomique et ses propriétés. La nature des phases dépend de la composition, de la température et de la pression.

Nature des phases solides.

Solutions solides terminales. Solutions intermédiaires étendues. Composés chimiquement définis , de formule AmBn, (n et m entiers).

Diagramme de phases. Représentation de la nature des phases dans le plan température/composition.

Rappel Campus centre

30/01/2014 74

Page 75: Cours complet matériaux

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4-1/ Phases et Diagrammes de phases

Règle de la variance de Gibbs :

v = n - f + 2

(car 2 variables thermodynamiques: T et p)

n = nombre de composants du mélange

f = nombre de phases

Pour = 1 atm.: v = n - f + 1

Campus centre

30/01/2014 75

Page 76: Cours complet matériaux

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4-1/ Phases et Diagrammes de phases

Mélanges binaires :

n = 2 v = 3 – f

Cas d’une phase unique : v = 2 - représentation par une surface

Cas d’un mélange de 2 phases : v = 1 - à T donnée, compositions liées

Cas d’un mélange de 3 phases : v = 0 - point particulier sur le diagramme

Campus centre

30/01/2014 76

Page 77: Cours complet matériaux

• La matière change d'état selon la pression et la température.

• Par exemple, l'eau pure sous pression atmosphérique est sous forme de glace en dessous de 0 °C et sous forme de vapeur au dessus de 100 °C ; le phénomène est un peu plus complexe puisque l'eau peut s'évaporer à température ambiante, mais on n'a jamais d'eau liquide au dessus de 100 °C.

30/01/2014 77

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4-1/ Phases et Diagrammes de phases

Page 78: Cours complet matériaux

30/01/2014 78

Campus centre

• Les substances se présentent sous trois états physiques

distincts : la phase gazeuse, la phase liquide et la phase solide.

• Les trois phases se distinguent par l’espacement et la

mobilité des molécules.

Substance pure gazeuse

Substance pure solide

Mélange homogène gazeux

Mélange homogène liquide

Substance pure liquide

Mélange hétérogène solide

4-1/ Phases et Diagrammes de phases

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Page 79: Cours complet matériaux

• On s’intéresse aux changements solide-liquide, mais aussi les transformations à l'état solide, toujours sous pression atmosphérique.

• Nous ne prendrons en compte que la température et la composition chimique de la matière.

• Diagramme de phases: c’est un diagramme d’équilibre.

• les variations de température sont infinies et lentes.

30/01/2014 79

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4-1/ Phases et Diagrammes de phases

Page 80: Cours complet matériaux

30/01/2014 80

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Exemple: eau et sel

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4-1/ Phases et Diagrammes de phases

Page 81: Cours complet matériaux

Les transitions entre les phases

30/01/2014 81

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Page 82: Cours complet matériaux

Les transitions entre les phases

30/01/2014 82

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L'état d'équilibre d'un corps pur est déterminé par le triplet (p, V, T) ou encore un point dans l'espace; l'ensemble des états d'équilibre forme alors une surface.

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Page 83: Cours complet matériaux

Diagramme de phase d’un corps pur

30/01/2014 83

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Température (°C)

Pression (kPa)

Point triple

Point critique

Solide Liquide Gaz

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Page 84: Cours complet matériaux

Diagramme de phase d’un corps pur

30/01/2014 84

Campus centre

Température (°C)

Pression (kPa)

100

200

300

400

-100 0 100 200 300

Liquide

Solide Gaz

Etat physique:

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Page 85: Cours complet matériaux

Diagramme de phase d’un corps pur

30/01/2014 85

Campus centre

Température (°C)

Pression (kPa)

100

200

300

400

-100 0 100 200 300

Liquide

Solide Gaz

Température de changement de phase:

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Page 86: Cours complet matériaux

Diagramme de phase d’un mélange binaire

30/01/2014 86

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• Il existe une multitude de cas possibles, mais nous n'en verrons que les trois principaux :

• Diagramme à fuseau unique, dit « à miscibilité complète » ; • Diagramme à eutectique unique ; • Diagramme à eutectique et à eutectoïde.

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Page 87: Cours complet matériaux

Diagrammes à miscibilité complète

30/01/2014 87

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Page 88: Cours complet matériaux

Diagramme à miscibilité partielle

30/01/2014 88

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Page 89: Cours complet matériaux

Diagramme à miscibilité partielle

30/01/2014 89

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Page 90: Cours complet matériaux

Construction d’un diagramme de phases

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

90

Campus centre

Alliage de composition AB Métal pur

Lorsqu’un métal pur en fusion est refroidi, sous pression constante, le changement de phase s’effectue toujours à une température fixe : le point de fusion

Pour réaliser un alliage, des proportions définies de constituants différents sont fondues et mélangées, puis l’ensemble est refroidi.

Page 91: Cours complet matériaux

Construction d’un diagramme de phases

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

91

Campus centre

Pour construire le diagramme de phase d’un alliage binaire A-B, il suffit d’enregistrer les courbes de refroidissement pour chaque concentration de B dans A en partant de A, métal pur jusqu’à B, métal pur.

Page 92: Cours complet matériaux

Construction d’un diagramme de phases

• Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

92

Campus centre

La courbe de refroidissement du cuivre avec un palier à 1084°C et la courbe de refroidissement du nickel avec un palier à 1453°C. Entre ces deux extrêmes, les alliages à différentes concentrations présentent un intervalle de solidification non isotherme. De 0% de nickel à 100% de nickel, les points d’inflexion supérieurs qui correspondent au début de la solidification forment une courbe appelée liquidus, les points d’inflexion inférieurs qui correspondent à la solidification totale forment une courbe appelée solidus.

Page 93: Cours complet matériaux

Construction d’un diagramme de phases

Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide 1°Composition des phases

30/01/2014 93

Campus centre

La composition massique global de l’alliage AB ? Composition de l’alliage AB : Température > liquidus liquidus>Température >Solidus Température < Ssolidus

AB

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Page 94: Cours complet matériaux

Construction d’un diagramme de phases

• Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide 2°proportion en masse de chaque phase:

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

94

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Soit : fs la proportion d’alliage solide fl la proportion de l’alliage liquide Cs la composition de la phase solide Cl la composition de la phase liquide

Principe de conservation des masses Règle de bras levier ou des segments inversés:

fs + fl = 1

Page 95: Cours complet matériaux

Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

4-1/ Phases et Diagrammes de phases

Règle des segments inverses.

Fraction massique de la phase 1 =

Avec

phase 1

phase 2

composition en B

A pur B pur

1 + 2

T

X2 X1X

alliage

21

21

XX

XXfPhase

121 ff

Campus centre

30/01/2014 95

Page 96: Cours complet matériaux

AB

Application 1

30/01/2014 96 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 97: Cours complet matériaux

Application 1

• Remplir le tableau suivant sachant que la composition de l’alliage est de l’alliage AB.

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

97

Température Cs Cl fs fl

>1267°

1267°

1250°

1230°

1218°

<1218°

Page 98: Cours complet matériaux

Application 2 • Soit le tableau de solidus et liquidus du Ge-Si:

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

98

Composition en %m de Si Température Solidus Température liquidus

0 938 938

10 1005 1147

20 1065 1226

30 1123 1278

40 1178 1315

50 1232 1346

60 1282 1367

70 1326 1385

80 1359 1397

90 1390 1408

100 1414 1414

Page 99: Cours complet matériaux

Application 2

• Faire le diagramme d’équilibre

• Identifier chaque région

• On mélange 8.43g de Si et 14.52g de Ge – Déterminer la fraction massique globale du Si

– Déterminer la nature et la composition massique de chaque phase à 1200°C

– Déterminer les masses des phases en présence à 1200°C

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

99

Page 100: Cours complet matériaux

Construction d’un diagramme de phases

• Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l’état solide

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

100

Campus centre

Diagrammes avec point eutectique Eutectique (v=0 ) en E: liquide « solide (A) + solide (B)

Eutectique simple Eutectique avec solution solide partielle

Page 101: Cours complet matériaux

Construction d’un diagramme de phases

• Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l’état solide

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

101

Campus centre

Péritectique (v=0 ) en P: solide AB —› liquide (L) + solide (B)

Page 102: Cours complet matériaux

Construction d’un diagramme de phases

• Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l’état solide

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

102

Campus centre

Page 103: Cours complet matériaux

Construction d’un diagramme de phases

• Diagrammes avec point eutectoïde • Le mécanisme de la transformation eutectoïde est très

ressemblant à la transformation eutectique, mais au cours de cette transformation, c’est une phase solide qui se transforme simultanément en deux nouvelles phases solides (Le diagramme de phases Fer-Carbone est présenté en

annexe). y ↔ α + ß

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

103

Campus centre

Page 104: Cours complet matériaux

Construction d’un diagramme de phases

• Diagrammes avec point péritectique • Dans une transformation péritectique, une phase

liquide et une phase solide se transforment en une seule phase solide de composition définie. Le point péritectique (point P, figure 13) est invariant, à température fixe avec un équilibre entre les trois phases. α + L ↔ ß

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

104

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Page 105: Cours complet matériaux

Cas de mélange à trois phases :

1-/ Diagramme à eutectique

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

105

phase 1

phase 2

composition en B

A pur B pur

phase 2 + phase 3

T

X2 X3XE

alliage eutectique

phase 3

TE

TfA

TfB

E

M N

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Page 106: Cours complet matériaux

Cas de mélange à trois phases :

2-/ Diagramme à péritectique.

30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

106

phase 1

phase 2

composition en B

A pur B pur

phase 2+phase 3

T

X2 X1XP

composition péritectique

phase 3

TP

TfA

E

M N

phase 1+phase 3

phase 1+phase 2

L

P

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Page 107: Cours complet matériaux

Formation de la microstructure : Exemple de la cristallisation d’une solution solide terminale.

phase solide

composition en B

T

XE

TfAphase liquide

2

3

4

5

1

Aspect micrographique schématique

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30/01/2014 107 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 108: Cours complet matériaux

Formation de la microstructure : Exemple de la cristallisation d’un eutectique lamellaire.

P2

P3 Direction de croissance

du constituant eutectique

Mouvements de

diffusion des

atomes A et B

Grains d’eutectique Cu/P

Microstructure finale:

• deux phases : P2 et P3

• un constituant : l’eutectique

phase liquide

composition en B

A pur B pur

T

X2 X3XE

alliage eutectique

TE

TfA

TfB

E

M N

P3

P2

P1

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30/01/2014 108 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi

Page 109: Cours complet matériaux

Formation de la microstructure : Exemple de la cristallisation d’un alliage proche d’un eutectique.

Dendrites primaires

de phase a Eutectique

Phase b secondaire

composition en B

A pur B pur

T

X2 X3X

TE

TfA

TfB

E

M N

XE

a

b

Liq.

Microstructure finale:

• deux phases : a et b

• trois constituants : ap , eutectique et bs

Campus centre

30/01/2014 109 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi