Unité 4. Manipulation des propriétés : Microstructure, Chimie, Architecture Il y a des commentaires pour tous les transparents Les 23 Conférences PowerPoint pour 2013 sont : Sujet Numéro Titre Trouver et afficher des informations Unité 1 Les matériaux et procédés : familles, classes, données Unité 2 Carte Matériaux : créer des graphiques avec les différents matériaux Les propriétés des matériaux Unité 3 Les éléments chimiques : propriétés physico chimiques et similarités Unité 4 Travailler avec les propriétés : la chimie, la microstructure Unité 5 Concevoir des nouveaux matériaux : compléter et étendre les limites des propriétés des matériaux Sélectionner Unité 6 Traduire, Filtrer, se Documenter : une première étape dans la sélection de matériau Unité 7 Hiérarchiser : affiner le choix Unité 8 Conflit dans les critères de sélection : méthodes des compromis et priorités Unité 9 Matériau et forme Unité 10 Sélection de procédés : mise en forme, assemblage et traitement de surface Unité 11 Aspect économique : sélection par le calcul de cout Durabilité Unité 12 Démarche durable : l’outil d’éco-audit Unité 13 Conception durable avancée: Sélection systématique de matériaux Unité 14 Usage bas carbone : Concentration des ressources et usage des matériaux Thèmes spéciaux Unité 15 Architecture et génie civil : matériaux Unité 16 Structures : effets de formes Unité 17 CES EduPack Edition Bio : Matériaux biocompatibles naturels et manufacturés Unité 18 Matériaux en conception industrielle : Pourquoi le consommateur achète un produit? Aprofondissement Unité 19 Bases de données complètes : Niveau 3 Standard, Aérospatial et Polymères Unité 20 Modélisation : les Composites, Les matériaux cellulaires et les panneaux sandwich Unité 21 Création de bases de données : Utilisation de CES Constructor en recherche Unité 22 Recherche : CES Selector et Constructor Unité 23 Campus : Vue d’ensemble de cette base commerciale polymères

Sommaire Objectif : Les étudiants doivent comprendre : L’origine des propriétés des matériaux, et les modifications de ces propriétés par les procédés Nous prendrons exemple de graphiques pour les propriétés de Rigidité et densité Résistance et ténacité Dilatation et conductivité Bibliographie: “Materials: engineering, science, processing and design” 2nd edition by M.F. Ashby, H.R. Shercliff and D. Cebon, Butterworth Heinemann, Oxford 2010, Chapter 19. Callister, Budinski, Askeland and others – recommended reading in CES records CES EduPack 2011 (Grantadesign.com) Unité 3 CES EduPack Elements Database Les graphiques de propriétés sont des outils importants dans la méthodologie de CES pour sélectionner des matériaux en conception. Les ingénieurs ont aussi la possibilité d’approfondir leur compréhension en particulier pour ce qui concerne les modifications des propriétés par les procédés. Comme les propriétés évoluent aussi à travers les procédés, les graphiques vont retracer ces propriétés et leur évolution, laissant apparaitre une sorte de trajectoire des propriétés associée au procédé considéré. Des exemples concernent l’utilisation de ces graphiques dans la conception avec deux propriétés mécaniques et une thermique (Voir Ashby, Shercliff et Cebon – en particulier le chapitre 19 “Exemple : procédés et propriétés”).

Les éléments chimiques – la densité 96 différents éléments chimiques sont d’usage. Comment travailler avec ces élements pour faire des matériaux? Densité 20,000 Echelle 1,000 On a ici la densité des éléments chimiques purs (Base de données CES Edupack) Le graphique montre la densité de 96 éléments. Faisant abstraction des gaz (bas), on voit que l’échelle des densités s’étend de 1 à 20 à peu près. IL y a une tendance à l’augmentation de la densité avec le numéro atomique, ceci étant corrigé pour des groupes d’éléments pour lesquels la densité augmente, atteint un maximum puis redescend.

Les éléments chimiques – la rigidité Module 1 1,000 Echelle Pour ce qui concerne la rigidité des éléments chimiques solides purs, l’intervalle le plus grand va de 1 à 1000. La tendance observée sur la densité se retrouve ici. Par comparaison à ces éléments purs, ou se situent les matériaux structuraux d’usage quotidien pour ces propriétés ? Graphique construit avec la base de données Edupack elements

Explications sur la densité et la rigidité Densité : Masse atomique et organisation des atomes Rigidité : Liens interatomiques et organisation des atomes Le point de départ pour l’explication des différences de rigidité ou de densité est le modèle des sphères dures. Chaque sphère dure représente un atome et est positionnée régulièrement par rapport aux autres sphères immédiates pour un cristal, au contraire de l’amorphe. La densité ne tient qu’à la masse atomique et au nombre d’atomes dans un volume donné. La rigidité est expliquée par les liens entre atomes en les représentant par des ressorts qui imposent une distance d’équilibre entre atomes. Ceci est suffisant pour comprendre le comportement des métaux et alliages : une zone resserrée de la table des éléments et des propriétés de rigidité et densité assez resserrées. Pour les autres matériaux, les propriétés tiennent d’une combinaison entre les caractères chimiques, l’organisation des matériaux à différentes échelles d’observation.

Matériaux industriels : rigidité - densité 20,000 1,000 1 Pourquoi ces différences? La surface colorée du coin supérieur droit correspond à l’intervalle des propriétés des éléments chimiques purs. Les matériaux cristallins appartiennent au même domaine, mais les céramiques sont plus rigides que les métaux, les composites y sont moins denses. Les polymères, élastomères et mousses descendent à des densités et des rigidités bien plus faibles. Ce graphique peut être utilisé pour introduire la science des matériaux, on y met en relation rigidité et densité. Des familles de matériaux rassemblent des configurations identiques en terme de liaisons chimiques, d’organisation des atomes … Les notes scientifiques associées à chaque propriété donnent des détails. Les références bibliographiques associées à ces notes permettent de retrouver les chapitres des livres de sciences des matériaux. Des copies de ces graphiques peuvent être librement utilisées en cours, ou téléchargées du site www.Grantadesign.com. Le CES Edupack permet de mettre en relation toutes les propriétés ou des fonctions de celles-ci.

Modification des propriétés : rigidité - densité Chimie, microstructure et architecture Matériaux cristallins : Chimie – liaison métallique et liaison iono covalentes Petites bulles ou groupes aux propriétés insensibles à la microstructure Composites : Architecture – Composants, Disposition Polymères et Elastomères : Chimie – Chaines carbonées avec liaisons hydrogène. Microstructure – Réticulation et cristallinité Mousses : Architecture –géométrie de la cellule A quoi sont dues ces différences ? Les concepteurs peuvent utiliser directement ces données, mais en creusant un peu la physique associée, on peut aussi avoir une idée des modifications possibles de ces propriétés. Le graphique permet de discuter de la modification éventuelle de ces propriétés. Ainsi connaissant les propriétés individuelles de deux composants, on peut imaginer et prévoir les propriétés d’un composite fabriqué sur la base de ces deux composants. Ainsi den est il d’une mousse associant un gaz et un solide. 7

Contrôle de la rigidité par les liaisons chimiques et la microstructure Liaison et organisation atomique Matériaux inorganiques Oxydes, nitrures, carbures, intermetalliques Microstructures des polymères Matériaux organiques Thermoplastiques, thermodurs et élastomères

Modification des propriétés : rigidité - densité Chimie, microstructure Matériaux cristallins : Chimie – liaison métallique et liaison iono covalentes Petites bulles ou groupes aux propriétés insensibles à la microstructure Polymères et Elastomères : Chimie – Chaines carbonées avec liaisons hydrogène. Microstructure – Réticulation et cristallinité 9 9

Contrôle de la rigidité par l’organisation des composants Composites : “bicomposants solide/solide” Bord sup: Eu Bord inf: El Composite carbone Composite verre

Contrôle de la rigidité par l’organisation des composants Mousses : “bicomposants solide/air ” Mousse céramique Mousse métallique

Modification des propriétés : rigidité - densité Architecture/structure Composites : Architecture – Composants, Disposition Mousses : Architecture –géométrie de la cellule 12 12

Qu’avons-nous appris? Rigidité et densité sont des propriétés déterminées à l’échelle atomique Modifiées via les liaisons chimiques l’organisation / la structure Aspect chimique – composants avec des énergies de formations + / - grandes Oxydes, nitrures, carbures, intermetalliques Liaisons hydrogène et Van der Walls dans le polymères Aspect structural – ingénierie mécanique à l’échelle mm et micron Structures se pliant : mousses Structures rigides : composites

Modification des propriétés : rigidité - densité Chimie, microstructure et architecture Matériaux cristallins : Chimie – liaison métallique et liaison iono covalentes Petites bulles ou groupes aux propriétés insensibles à la microstructure Composites : Architecture – Composants, Disposition Polymères et Elastomères : Chimie – Chaines carbonées avec liaisons hydrogène. Microstructure – Réticulation et cristallinité Mousses : Architecture –géométrie de la cellule 14

Approfondissement : la résistance mécanique Métaux : Mécanisme de durcissement – épinglage de dislocations Durcissement par déformation (Microstructure) Durcissement par solution solide (Chimie) Durcissement par précipitation (Microstructure)

Contrôle des propriétés par voies chimique et microstructurale Métaux : durcissement par précipitation Exemples : Alliage aluminium traités thermiquement (Vieillissement) Aciers (Trempe et revenu) 16

Contrôle des propriétés par voies chimique et microstructurale Alliages d’Aluminum : durcissement par solution, précipitation, déformation Al -Cu 2024 Al -Si S413

Contrôle des propriétés par voie chimique : aciers Aciers : Résistance, ténacité et teneur en carbone Ferrite + perlite

Contrôle des propriétés par voie microstructurale : aciers Aciers : Modification de la microstructure à teneur carbone constante Normalisé (ferrite + perlite) Brut de trempe (martensite)

Contrôle des propriétés par voies chimique et microstructurale : aciers Aciers : en bref

Contrôle des propriétés par voies chimique, microstructurale et structurale : polymères Polymère (PP) : graphique ténacité / rigidité : effet de composition

Contrôle des propriétés par voies chimique et microstructurale : alliages de cuivre Alliages de cuivre : effet de composition et modification par les procédés Cuivre - beryllium (C17510) Durcissement par précipitation : La meilleure résistance Solution solide : Le meilleur effet sur la résistivité Laiton 70-30 (C26000)

Qu’avons-nous appris? La résistance et la ténacité dépendent de la structure à toute échelle Modification via la chime la microstructure l’architecture La voie chimique – durcissement par solution solide Laitons, bronzes et aciers inox La voie microstructurale – traitements thermo-mécaniques Aciers trempe et revenu Aluminium trempe et vieillissement Déformation, allongement, laminage, étirage…. La voie structurale – ingénierie mécanique (mm et micron) Structures se pliant : mousses Structures rigides : composites

Propriétés thermiques : dilatation et conductivité Polymères : faible conductivité et forte dilatation Métaux et céramiques : forte conductivité et faible dilatation

Explication sur la dilatation et la conductivité thermique La dispersion des électrons et des phonons limite la conductivité Conductivité thermique Le modèle des ressorts à comportement non linéaire explique la dilatation

Contrôle des propriétés par voies chimique, microstructurale et structurale Polymères : La structure amorphe disperse les phonons. Mousses : La structure : le gaz dans les cellules donne la faible conductivité Alliages métalliques : Chimie: les liaisons associent dilatation et conductivité Invar : Chimie : les liaisons donnent un effet magnétique

Qu’avons-nous appris? Modification de la dilatation et de la conductivité par la chimie et la strcuture Solution solide des inox La voie chimique – introduit la notion de dispersion atomique – introduit les transformations entre atomes effet magnétique, chaleur latente Mousses : gaz = barrière La voie structurale – conductivité : il existe des barrières – dilatation, évolue +/- selon les couples de matéraiux Actionneur bimétalliques Instrument à compensation thermique

Alors? Etude des matériaux par la conception: - On peut utiliser les graphiques de propriétés comme support à la sélection - Utiliser la conception pour appréhender la modification des propriétés par le procédé Les propriétés par les procédés: - Met l’accent sur la modification des propriétés par les procédés - Idée centrale: “Composition + Procédé  Microstructure + Propriétés” Graphique des propriétés: - Illustration graphique des modifications par les procédés - Idée qu’on peut étendre : métaux, polymères, mousses, composites...

Sommaire des leçons disponibles Le diaporama de cette leçon est disponible sur le site web des Ressources d’enseignement C’est dans ce cadre que se trouvent les notes explicatives. Chaque diapo d’une leçon comporte des notes explicatives. Vous pouvez les consulter en ouvrant le diaporama en mode [“Normal”], ou en cliquant sur l’icône correspondante dans la barre d’outils inférieure. 29

Il y a plus de 200 ressources disponibles Incluant : Auteur Il y a plus de 200 ressources disponibles Incluant : 77 diaporamas des Exercices avec leur solution des séquences enregistrées sur le web. des Posters des Rapports d’analyse des Manuels de Solutions des études de cas interactifs Mike Ashby University of Cambridge, Granta Design Ltd. www.grantadesign.com www.eng.cam.ac.uk Reproduction Ces ressources sont soumises aux droits d'auteur de Mike Ashby. Vous pouvez reproduire ces ressources pour les utiliser avec des étudiants, pourvu que vous ayez acheté les droits d'accès aux ressources d'Enseignement de Granta Design. Assurez-vous, s'il vous plaît, que Mike Ashby et Granta Design sont cités sur toutes vos reproductions. Vous ne pouvez utiliser ces ressources pour des buts commerciaux. Précision / Pertinence Traduction Nous remercions encore Alain Bataille du Lycée pour avoir traduit cette ressource. Les personnes souhaitant entrer en contact avec M. Chouard au sujet de cette traduction peuvent le contacter à l’adresse suivante : jean-noel.chouard@wanadoo.fr Nous faisons tout pour que ces ressources soient d'une grande qualité. Si vous avez des suggestions pour des améliorations, contactez-nous s'il vous plaît par courrier électronique à : teachingresources@grantadesign.com Granta Design est toujours interessé par les retours d’information sur les bons résultats obtenus avec diverses ressources. Si vous employez avec succès des cours que vous pensez utiles à proposer sur notre site web, s’il vous plait, prenez contact par mail à l’adresse : teachingresources@grantadesign.com Nous continuons de coordonner un symposium annuel sur les matériaux. Vous pouvez consulter les documents correspondants à l’adresse : http://www.grantadesign.com/symposium/index.htm © M. F. Ashby, 2011 Le site Web "Ressources d'Enseignement" vise à aider l'enseignement des matériaux, et les cours correspondants en Conception, Ingénierie et Science. Les ressources sont fournies dans des formats divers et sont destinées principalement à la formation des étudiants. Ce cours fait partie d'un ensemble créé par Mike Ashby pour aider à présenter aux étudiants, les matériaux, les procédés et une sélection rationnelle. Le site Web contient aussi d'autres ressources apportées par plus de 800 universités et lycées du monde entier, employant CES EduPack de Granta Design. Ce site Web contient deux catégories de ressources, qui, soit exigent l'emploi de CES EduPack, soit ne l'exigent pas. www.grantadesign.com/education/resources