Cours Sciences des Matériaux 2010 2011
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Le document présente un cours sur les matériaux et leur structure, abordant des concepts tels que les classes de matériaux, leurs propriétés, et leur utilisation dans diverses applications. Il décrit également la structure atomique, les types de liaisons chimiques, et la construction de structures cristallines. Enfin, il traite des aspects économiques et de la disponibilité des matériaux dans l'industrie.
![Structure des matériaux Solides
Directions cristallographiques
Si l'un des noeuds correspond à l'origine
du réseau, on peut désigner la rangée par
les coordonnées u, v et w du noeud le plus
proche de l'origine appartenant à la droite.
Ces rangées sont notées [u,v,w] et l'ensemble
des rangées se déduisant les unes des autres
par des opérations de symétrie constitue une
famille de rangée et se note <u,v,w>.
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Cours Sciences des Matériaux 2010 2011
- 1. Cours 1ere A. LMD- EM 21h C & 10,5h TD Enseignant: Ali KHALFALLAH Bureau: N18 Email: [email protected] Web: www.issatso.rnu.tn Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse 2010-2011
- 2. Plan du Cours I- Introduction aux matériaux 1. Introduction 2. Les classes des matériaux 3. Propriétés des matériaux 4. Utilisation des matériaux II- Structure des Matériaux 1. Structure de l’atome 2. La liaison Chimique 3. Forces de cohésion interne III- Structure des Matériaux Solides 1. État physique des matériau 2. Arrangement des atomes dans les solides 3. Description de l’état cristallin 4. Détermination de la structure cristalline 5. Structure des principaux matériaux
- 3. Plan du Cours IV- Alliage et diagrammes de phase 1. Introduction 2. Les classes des matériaux 3. Propriétés des matériaux 4. Utilisation des matériaux II- Structure des Matériaux 1. Structure de l’atome 2. La liaison Chimique 3. Forces de cohésion interne III- Structure des Matériaux Solides 1. Structure des Métaux 2. Détermination de la structure cristalline 3. Structure des principaux matériaux
- 4. Plan du Cours Bibliographie : 1) * Titre : Matériaux (Microstructure et mise en oeuvre) * Auteur: Michael Ashby –David R.H. Jones * Référence Bib de l’Issat : 62.037 2) • Titre : Matériaux (Propriétés et applications) • Auteur: Michael Ashby –David R.H. Jones • Réf. À la BIB de l’Issat : 62.036
- 5. Chapitre 1 Introduction aux matériaux
- 6. Introduction aux matériaux 1. Introduction Outils de l’age de la pierre
- 7. Introduction aux matériaux Les Matériaux défini le niveau de développement de notre civilisation La conquête de l’espace Outils de l’age du bronze Mongonneau
- 8. Introduction aux matériaux • Les Matériaux défini le niveau de développement de notre civilisation • Les Matériaux ont un rôle important dans tous les développements technologiques. • L’ingénieur doit savoir et tenir compte des différents propriétés des matériaux pour concevoir et fabriquer de nouveaux produits Les propriétés des matériaux sont liées à: - Nature des liaisons chimiques - Arrangement structural - Microstructure L’utilisation des matériaux dépend aussi : - Disponibilité - Coût - Méthodes de synthèse et de fabrication
- 9. Introduction aux matériaux 2. C’est quoi un matériau ? • Matière est constituée par une particule élémentaire : Ou atome Molécule
- 10. Introduction aux matériaux 2. C’est quoi un matériau ? Dans ce cours nous définissons les matériaux comme les solides utilisés pour la fabrication des objets utiles dans notre vie Les matériaux jouent un rôle indispensable dans le développement de la civilisation humaine
- 11. Introduction aux matériaux 2. C’est quoi un matériau ? Ingénierie: Les métaux sont rarement utilisés à l’état pur, car leur résistance mécanique peut être améliorée en leur ajoutant d’autres éléments (alliages métalliques (Acier=Fe-C))
- 12. Introduction aux matériaux 3. Les classes de Matériaux • Les matériaux sont classés suivants leurs composition et leurs propriétés •Les métaux et leurs alliages • Les polymères et les matières plastiques •Les céramiques et le verres Les matériaux Composites * Un matériau composite est obtenu par la combinaison de deux ou plusieurs matériaux appartenant aux trois premières classes * Un matériau composite associe les propriétés spécifiques de ces constituants
- 13. Introduction aux matériaux 4. Propriétés des matériaux Les matériaux possèdent trois catégories de propriétés: • Les propriétés mécaniques qui reflètent le comportement des matériaux lorsqu’ils sont sollicités par des efforts extérieurs Il est admit que la réalisation de nouveaux objets est limitée par les propriétés des matériaux utilisés et leur disponibilité. • Les propriétés physiques qui représentent le comportement des matériaux sous l’action de la température, des champs électriques ou magnétiques ou de la lumière. Donc, tout progrès technologique est souvent lié au développement de matériaux ayant des propriétés améliorées ou nouvelles. • Les propriétés chimiques qui caractérisent le comportement des matériaux dans un environnement réactif.
- 14. Introduction aux matériaux 4. Propriétés des matériaux -Métaux et alliages • Ils sont solides à la température ambiante. • Ils sont relativement dense. • Ils sont généralement de très bon conducteurs de le l’électricité • Ils sont généralement de très bon conducteurs de la chaleur. • Ils sont souvent durs, rigides et déformables plastiquement. • Leurs températures de fusion sont généralement élevées.
- 15. Introduction aux matériaux 4. Propriétés des matériaux -Polymères et matières plastiques * Ils sont des matériaux organiques (C,H,O,N,P,S) constitués par des chaînes moléculaire très longues d’atomes de C sur lesquels sont fixés des groupements d’atomes comportant de H, Cl, S, N … * Isolants électriques * Isolants thermiques. * Faible densité * Facilement déformables * Leurs températures de fusion sont très faible comparées à celles des métaux.
- 16. Introduction aux matériaux 4. Propriétés des matériaux -Céramiques et verres * Les céramiques sont des matériaux où leur structure atomique est la combinaison d’éléments métalliques (Si, Al, Ti, …) et non métalliques dont le plus souvent est l’oxygène. * Généralement les céramiques sont des oxydes (silice SiO2, l’alumine Al2O3, …) . * Les céramiques sont des matériaux réfractaires (résistance thermique élevée). * Ils sont généralement des matériaux très durs (abrasifs) * Ils sont très fragiles (cassant au choc), ce qui limite leur emploi pour des applications où les chocs mécaniques et thermiques sont élevés. * La plupart des céramiques sont en général des isolants électriques et thermiques.
- 17. Introduction aux matériaux 4. Utilisation des matériaux Il est important de bien choisir les matériaux les mieux adaptés pour une application donnée. Ce choix doit être basé sur plusieurs facteurs : * Propriétés et caractéristiques des matériaux * Fonctions principales des objets et leurs types de sollicitations * Facilité de la fabrication et de la transformation des matériaux * Comportement du matériaux envers l’environnement * Le prix de revient
- 18. Introduction aux matériaux 4. Utilisation des matériaux Exemple d’utilisation des matériaux céramiques Les contraintes thermiques subies par la navette durant la rentrée atmosphérique : en blanc les parties les plus chaudes 1260°C
- 19. Introduction aux matériaux 4. Utilisation des matériaux Exemple d’utilisation des matériaux céramiques 1260°C Tuiles en céramiques
- 20. Introduction aux matériaux 4. Utilisation des matériaux les différents domaines d'utilisation des matières premières minérales •La ville -bâtiment -monument historique - école - mobilier urbain - passage •L'habitat -Logement -Sanitaire - chauffage •Les infrastructures -chemin de fer - autoroute route -enrochement -Assainissement •Les moyens de communication -ordinateur -téléphone -Route •Les loisirs -jardin - monument historique - journaux -livres -Feux d'artifices • L'automobile -automobile -plaquette de frein -autoroute -Pneu • Le luxe -bijouterie Au cours d'une vie de 70ans, un européen consomme: - 561 tonnes de sables et graviers - 109 tonnes de pétrole - 14 tonnes de fer - 13 tonnes de sel - 12 tonnes d'argiles réfractaires - 1,6 t d'aluminium - 680 kg de cuivre - 360 kg de plomb - 343 kg de zinc
- 21. Introduction aux matériaux 5. Données économiques Productions mondiales en 2002 Métaux et alliages 1 milliard T/an 90% acier POLYMERES 100 Millions T/an http://www.mineralinfo.org/ CERAMIQUES Béton: 15 Milliards T/an 2,5 T/habitant Ciment: 1,5 Millard T/an Évolution de la production mondiale d'acier, Évolution de la production mondiale de en millions de tonnes quelques métaux, en millions de tonnes Al Cu Zn
- 22. Introduction aux matériaux 5. Données économiques Prix au kg Métaux et alliages Acier = 0,7 US$/kg POLYMERES Al = 2 US$/Kg Polyéthylène = 0,5 US$/Kg CERAMIQUES Béton= 0,03 US$/kg
- 23. Introduction aux matériaux 6. Ressources Abondance moyenne des éléments dans la croûte (% mass.) OO SSii AAll FFee CCaa NNaa KK MMgg TTii CC 4477,,33 2299,,11 88,,11 44,,66 33,,33 22,,55 33,,33 11,,77 00,,44 00,,0022 ÉÉlléémmeenntt AAgg AAuu CCuu ZZnn PPbb NNii FFee AAll Date D’épuisement 22002211 22002255 22003399 22002255 22003300 22004488 22008877 22113399 Source: http://terresacree.org/ressources.htm Réserves Minières
- 24. Questions ?
- 25. Chapitre 2 Structure des matériaux
- 26. Structure des matériaux • L’atome est la particule élémentaire qui porte les propriétés de la matière Atome 1. Structure de l’atome * Constituants de l’atome: • Protons (+) -Un noyau • neutrons (0) - Électrons (-) •Dans l’atome le nombre de protons = aux nombre d’électrons La charge électrique de l’atome * Les protons et les neutrons sont les nucléons :ils ont pratiquement la masse de l’atome * La masse du proton = 2000 x la masse de l’éléectron * La charge de l’électron (charge élémentaire) = 1,6.10-19 C Une mole = Nombre d’Avogadro d’atomes = 6,023.1023 Une mole de proton a une masse de 1 gramme est neutre
- 27. Structure des matériaux 2. La liaison chimique Les atomes s’unis pour former des entités plus stables appelés molécules Il existe quatre types de liaison : La liaison chimique est un concept qui permet d’expliquer la cohésion de la matière et par la suite une influence sur les propriétés des matériaux. * La liaison ionique * La liaison covalente * La liaison métallique * La liaison secondaire La liaison chimique est le résultat de l’union des couches électroniques externes des atomes qui constitue la molécule.
- 28. Structure des matériaux 2. La liaison chimique 2.1 Liaison ionique
- 29. Structure des matériaux 2. La liaison chimique 2.2 Liaison Covalente Un doublet d’électrons appartient désormais en commun aux deux atomes. un ou plusieurs doublets sont partagé. Le terme exact est liaison covalente Exemple : La liaison covalente de la molécule d’H2
- 30. Structure des matériaux 2. La liaison chimique 2.3 Liaison métallique •Dans les métaux les électrons de valence sont très peu nombreux. * Les élec. De val. Sont très peu liés au noyau (électrons libres) =délocalisés et répartis dans l’ensemble du métal Formation d’une structure d’ions positifs noyés Dans un gaz d’électrons Ce type de liaison favorise la création de structure Cristallines simple de grandes symétrie et très compactes
- 31. Structure des matériaux 2. La liaison chimique 2.4 Liaison secondaire * Les liaisons secondaires sont des liaisons faibles •Les liaisons faibles résultent surtout d’interactions électrostatiques entre dipôles électriques •Les liaisons secondaires ont une influence déterminante sur les propriétés physiques et mécaniques des polymères organiques
- 32. Structure des matériaux 2. La liaison chimique Liaison hydrogène
- 33. Structure des matériaux 2. La liaison chimique 2.5 Conséquence des différentes liaisons
- 34. Structure des matériaux 3. La force de cohésion 2.5 Forces et énergie de liaison
- 35. Structure des matériaux 3. La force de cohésion Attraction:
- 36. Structure des matériaux 2. La liaison chimique Répulsion
- 37. Structure des matériaux 2. La liaison chimique Bilan des forces Force de liaison= La dérivée de l’énergie F=dU/dr
- 38. Structure des matériaux 2. La liaison chimique
- 39. Structure des matériaux • La raideur S0 de la liaison au voisinage de la position d’équilibre r=r0 est: 0 d U 2 2 æ = ÷ø 0 S dF 0 ö ÷ ÷ø ç çè r r r r dr dr = = = ö • La force de liaison est alors au voisinage de l’équilibre ( ) 0 0 F = S r - r La raideur S0 est la façon dont les atomes sont groupés dans les solides, permettent de comprendre le module d’élasticité des matériaux. Le module d’élasticité ou d’Young : E E =S 0 r 0
- 40. Structure des matériaux TTyyppee ddee lliiaaiissoonn MMaattéérriiaauu ÉÉnneerrggiiee ddee lliiaaiissoonn ((kkJJ//mmooll)) PPooiinntt ddee ffuussiioonn ((°°CC)) MMoodduullee dd’’YYoouunngg EE((GGPPaa)) IIoonniiqquuee NNaaCCll MMggOO 664400 11000000 880011 22880000 3322,,77 221100 CCoovvaalleennttee SSii CC((ddiiaammaanntt)) 445500 771133 11441100 44002277 111122 11110000 MMééttaalllliiqquuee AAll FFee WW 332244 440066 884499 666600 11553388 33441100 6699 221100 440000 VVaann ddeerr WWaaaallss PPoollyyéétthhyyllèènnee PPVVCC 00,,11 111155 113300 00,,22 22,,44 Énergie de liaison et température de fusion de divers matériaux
- 41. Questions ?
- 42. Chapitre 3 Structure des matériaux SOLIDES
- 43. Structure des matériaux Solides 1. Cristal Un cristal parfait est caractérisé par un arrangement régulier et périodique des atomes dans l’espace. Les matériaux métallique ont une structure polycristalline, formée d’une d'une multitude de petits cristaux (grains) de taille et d'orientation variées et séparés par des joints de grains. Chaque grain constitue un monocristal. Les matériaux cristallisent sous une forme monocristalline ou polycristalline Un polycristal d’acier I- Structure des solides cristallins
- 44. Structure des matériaux Solides 2. Description de l’état cristallin 2.1 Structure cristalline Généralement, l’arrangement des atomes (ou structure) dans les solides cristallins est décrit par: • un réseau cristallin défini par un ensemble de noeuds, • un motif élémentaire, qui constitue l’élément de base dont la répétition suivant Le réseau engendre le cristal. La structure cristalline est engendrée par translation dans l’espace du motif qui Vient occuper les noeuds du réseau spatial.
- 45. Structure des matériaux Solides Le cristal est engendré par la juxtaposition des mailles parallélépipédiques Identiques de côtés a,b et c. La maille contient le motif d’atomes qui se répète. La maille élémentaire est le parallélépipède défini par les trois vecteurs primitifs a, b et c appelés également paramètres du réseau ou paramètres de la maille. Notons que les angles entre les vecteurs a, b et c peuvent être quelconques. La position d'un noeud quelconque du réseau est donnée par le vecteur r = ua + vb + wc (avec u, v et w nombres entiers) qui représente également une translation du réseau.
- 46. Structure des matériaux Solides 2.2 Réseaux et systèmes cristallins Tous les réseaux cristallins peuvent être décrits à partir de 7 mailles élémentaires qui définissent 7 systèmes cristallins. Selon que la maille élémentaire est simple ou multiple, et à partir de ces 7 systèmes cristallins, on définit les 14 réseaux de Bravais.
- 47. Structure des matériaux Solides
- 48. Structure des matériaux Solides Historique Auguste Bravais (1811 - 1863) Auguste Bravais (1811 - 1863),fut un physicien français, réputé notamment pour ses travaux en cristallographie spécialement: les réseaux de Bravais En 1848,Auguste Bravais rend une étude purement mathématique sur la classification des cristaux. Il décrit l'ensemble des structures possédant des symétries d'orientation compatibles avec la triple périodicité des cristaux dans les trois directions de l'espace. Il trouve ainsi 32 classes de symétrie réparties en 14 types de réseaux (réseaux de Bravais) que l'on peut regrouper en 7 systèmes définissant la forme de la maille élémentaire
- 49. Structure des matériaux Solides 2.3 Directions et plans cristallographiques Directions cristallographiques On appelle direction cristallographique (ou rangée réticulaire ) toute droite passant par deux noeuds du réseau. Les noeuds sont repérés par leurs coordonnées dans le système défini par les vecteurs primitifs a, b et c, comme cela est décrit sur le schéma suivant.
- 50. Structure des matériaux Solides Directions cristallographiques Si l'un des noeuds correspond à l'origine du réseau, on peut désigner la rangée par les coordonnées u, v et w du noeud le plus proche de l'origine appartenant à la droite. Ces rangées sont notées [u,v,w] et l'ensemble des rangées se déduisant les unes des autres par des opérations de symétrie constitue une famille de rangée et se note <u,v,w>. http://nte.enstimac.fr/SciMat/co/SM_uc1-4-2.html
- 51. Structure des matériaux Solides Plans cristallographiques On appelle un plan cristallographique ou plan réticulaire est tout plan passant par trois noeuds du réseau. Pour indexer les plans réticulaires, on utilise les indices de Miller Dans un cristal qui a pour maille a,b et c, considérons un plan réticulaire quelconque Le plan coupe les axes de référence de la maille en trois points (X,Y,Z) dont les coordonnées sont respectivement égales à Xa, Yb, et Zc. Les indices de Miller h,k et l s’obtiennent en prenant les inverse de X, Y et Z et en les multipliant par n (entier) de manière à ce que h, k et l soient entiers et le plus petit possible : Le plan réticulaire est noté : (h,k,l) Les indices de Miller sont identique pour une famille de plans parallèles h = n ; = ; = l n Z k n Y X
- 52. Structure des matériaux Solides Les plans d'une famille (h,k,l) sont équidistants. Cette équidistance ou distance interéticulaire notée dhkl. Pour le système cubique, on démontre que (a paramètre de maille) : d a hkl + + h2 k 2 l2 =
- 53. Structure des matériaux Solides 2.4 Structure compacte des métaux Les atomes des métaux adoptent l’arrangement le plus symétrique et compacte La plupart des métaux purs cristallisent dans le système cubique ; par exemple CFC (cubique à faces centrées) pour Cu, Ag, Al, Au, Ni, Pt, Pb, Feγ ; CC (cubique centré) pour Feα, Mn, Cr, V, Mo, Ta, Tiβ ; mais aussi dans le système hexagonal (hexagonal compact HC); par exemple Tiα, Mg, Zr, Cd, Zn, Be. Structure cristalline du carbone: (a) diamant: CFC. (b) graphite (HC)
- 54. Structure des matériaux Solides Structure cubique à faces centrées (CFC) (Cu, Ag, Al, Au, Ni, Pt, Pb, Feγ ) La structure CFC est constituée de 4 atomes par maille, six sur les faces du cubes appartenant chacun à deux mailles et huit aux sommets du cube appartenant à huit mailles chacun. 6´ 1 + ´ = + = 3 1 4 8 1 8 2 On assimile les atomes à des sphères dures
- 55. Structure des matériaux Solides Calcul du paramètre de maille et compacité R = a 2 4R = a 2 4 a R CFC 2 2 ( ) = Densité Compacité n M ´ r = ´ N a3 0,74 = = p p 3 2 6 4 4 3 3 = » ´ ´ ´ a R C V matière V maille n= 4 atomes /maille
- 56. Structure des matériaux Solides Structure Hexagonal Compact (HC) (Tiα, Mg, Zr, Cd, Zn, Be.) La structure HC est définie par un motif élémentaire de deux atomes, l'un à l'origine et l'autre en (2/3,1/3,1/2). Elle est constituée de six atomes par maille, * trois à l'intérieur de l'hexagone, * deux sur les bases communs chacun à deux mailles et * douze sur les sommets communs chacun à six mailles Compacité C = pa =1,633 2 c 3 3 et c C = 0,742 a
- 57. Structure des matériaux Solides Structure cubique centrés (CC) (Feα, Mn, Cr, V, Mo, Ta, Tiβ) Les atomes se touchent sur la diagonale du cube 4R = a 3 4 R = a 3 = 4 3 a R cc 3 Compacité n=2 atomes/maille 0,68 = = p p 3 3 8 2 4 3 3 = » ´ ´ ´ a R C V matière V maille
- 58. Structure des matériaux Solides Les sites interstitiels Dans les réseaux cristallins, les espaces vides situés entre les atomes sphériques constituent les sites interstitiels. Dans certains alliages, ces sites servent de logement pour des atomes de petit diamètre. Il existe deux types de sites interstitiels : • aa)) lleess ssiitteess ooccttaaééddrriiqquueess ::sont formés par six sphères disposées suivant les sommets d’un octaèdre. bb)) lleess ssiitteess ttééttrraaééddrriiqquueess :: sont formés par empilement compact de quatre sphères dont les centres constituent les sommets d’un tétraèdre CC..FF..CC CC..CC
- 59. Structure des matériaux Solides Position, nombre et rayons des sites interstitiels CC..FF..CC La maille élémentaire CFC comporte un ssiittee ooccttaaééddrriiqquuee au centre de la maille, donc interne à la maille (compte pour 1). Elle comporte aussi un site au centre de chaque arête, partagé par 4 mailles, ce qui fait au total 12 x 1/4 = 3 sites. La maille élémentaire cfc comporte donc 4 sites octaédriques par maille. R R a oc + = 2 ö æ et R = a 2 R a a oc 0,146 4 1 2 2 2 = ÷ ÷ø ç çè = - Situés dans le tétraèdre formé par un atome de coin et les 3 atomes centraux des faces se coupant à ce même coin. Chaque coin est lié à un site tétraédrique, qui sont tous internes à la maille, ce qui fait 8 sites tétraédriques. R R a 3 T + = et 4 R = a 2 ( ) 3 2 4 R =a - T 4
- 60. Structure des matériaux Solides C.C sites octaédriques • centre des faces : 6 faces conjointes à 2 mailles : 6/2 = 3 sites par maille • milieu des arêtes : 12 arêtes conjointes à 4 maille : 12/4 = 3 sites par maille Soit au total 6 sites octaédriques par maille sites tétraédriques Situés aux 1/4 et 3/4 des médiatrices des arêtes : 4 sites par face conjointe à 2 mailles : 6 × 4/2 = 12 sites par maille Soit au total 12 sites tétraédriques par maille
- 61. Structure des matériaux Solides II- Structure des solides non cristallins (amorphes) Les solides non cristallins se caractérisent par l’absence d’un arrangement régulier (les solides amorphes) Représentation schématique bi-dimensionnelle de la silice (SiO2) cristalline Représentation schématique bi-dimensionnelle de la silice (SiO2) vitreuse ou amorphe
- 62. Questions ?
- 63. Propriétés mécaniques des métaux Chapitre 4 Propriétés mécaniques des métaux
- 64. Structure des matériaux Solides Pourquoi étudier les propriétés mécaniques des métaux ? Comprendre comment se mesurent les divers propriétés mécaniques et ce que celles-ci représentent. Connaître les propriétés (résistance, dureté, ductilité,..) pour savoir la limite de leur utilisation (pas trop déformé, pas de rupture)
- 65. Structure des matériaux Solides
- 66. Structure des matériaux Solides