Session 1 et 2 Caractérisation des matériaux

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1 Session 1 et 2 Caractérisation des matériaux
Références Chapitre 1 (p 1 – 26, surtout 8-22) Essais de traction – Figure 1.5, 1.7, 1.8, 1.9 et 10.10 Lire chap 9- Propriétés physiques Lire section 7.6 (chocs thermiques)

2 Pour connaître les propriétés d’un matériau, il faut le caractériser.

3 Pourquoi caractériser les matériaux?
1. La caractérisation des matériaux c’est la quantification des propriétés: - Mécanique - Électrique - Thermique, etc. 2. Déterminer les données à utiliser en conception - est-ce qu’une pièce va casser!!! - est-ce qu’une pièce va se déformer !!!

4 Pourquoi caractériser les matériaux?
Mec-200 (étudiant): comprendre les changements des propriétés 4. Vraie vie (ingénieur): comprendre et confirmer les changements des propriétés 5. La caractérisation ne doit pas être unique et ponctuelle mais doit devenir un automatisme dans la vie d’un ingénieur mécanique.

5 Caractérisation des métaux
Il est possible de caractériser les métaux par: La couleur La finition de surface Le poids Le point de fusion La malléabilité La dureté La soudabilité Le coefficient de dilatation La conductibilité électrique et thermique La limite d’élasticité La résistance à la traction, à la compression à la flexion à la torsion au cisaillement aux variations de températures à la corrosion Voici des méthodes qui peuvent être utile pour caractériser ou deviner (notamment dans vos labo) de quel métal il s’agit En rouge les points que l’on va voir aujourd’hui

6 Plan du cours Caractérisation des matériaux
1) Notions de contrainte et de déformation 2) Caractérisation des propriétés mécaniques Traction, Compression, Flexion, Dureté… 3) Caractérisation de la microstructure 4) Autres propriétés (électrique, thermique…) 5) Introduction à la mise en forme / fabrication des métaux On va voir aujourd’hui principalement les propriétés mécaniques de base de matériaux; on verra également les méthodes utilisées pour caractériser la microstructure des métaux. Techniques qui sont utiles pour identifier les matériaux, leur structure, leur dégradation, défauts, ce qu’ils ont subis etc. On parlera aussi d’autres caractéristiques des matériaux que l’on retrouve couramment dans les tableaux de données sur les matériaux : masse volumique, coefficient d’extension thermique, resistivité…

7 Objectifs secondaires - A la fin du cours, vous devriez savoir :
Définir la contrainte nominale et la déformation conventionnelle. Énoncer la loi de Hooke Déterminer le coefficient de Poisson Déterminer à partir d’une courbe σ-ε le module d ’élasticité, la limite élastique, la contrainte ultime et l’allongement Comprendre la différence entre contraintes et déformations d’ingénierie et réelles et savoir quand les utiliser Calculer la ductilité d’un matériau selon le % d’allongement. Nommer et décrire les essais de dureté Calculer la contrainte sécuritaire pour un matériau donné. Connaître la signification des autres caractéristiques mesurables et savoir les retrouver dans des tables

8 1) Notions de contrainte-déformation Rappels
Rappel sur les notions de contraintes et déformations (copier feuille C1-C4)

9 Contraintes lors de la traction
Sur les plans perpendiculaire à l’axe de traction, la contrainte nominale de tension = dF/dS. Par contre sur un plan dont la normale forme un angle  avec l’axe de traction, la force dF se décompose en une force normale dN normale au plan de coupe et une force dT parallèle à celui-ci. On peut alors calculer la cission  (“tau”) correspondant à dT=dF cos , qui s’exerce sur la surface dS’= dS/sin ; donc  =dT/dS’ = dF/dS cos  sin  = nom cos  sin  . Cette cisssion et maximale pour les plans formant un angle de 45degrés avec l’axe de traction. On verra que cette cission joue un rôle important dans la déformation plastique, en engendrant des glissements. On y reviendra la semaine prochaine.

10 2) Caractérisation des propriétés mécaniques
Traction, Compression, Flexion, Dureté… On va voir aujourd’hui principalement les propriétés mécaniques de base de matériaux; on verra également les méthodes utilisées pour caractériser la microstructure des métaux. Techniques qui sont utiles pour identifier les matériaux, leur structure, leur dégradation, défauts, ce qu’ils ont subis etc. On parlera aussi d’autres caractéristiques des matériaux que l’on retrouve couramment dans les tableaux de données sur les matériaux : masse volumique, coefficient d’extension thermique, resistivité…

11 Essai de traction L’essai de traction est l’essai mécanique le plus fréquemment utilisé. C’est un essai normalisé. En Amérique du Nord, l’American Society for Testing and Materials (ASTM) est l’autorité suprème en ce qui a trait aux essais mécanique. Les essais mécaniques doivent au moins satisfaire les exigences des normes émises par cet organisme. La norme qui régit les essais de traction est la ASTM E8. L’éprouvette comprend toujours, entre des repères séparés par une distance lo, une section constante So; Cela permet d’avoir une contrainte uniforme tant que la section demeure constante La forme de l’éprouvette est soit cylindrique (dans ce cas So= …) soit prismatique (So=ab). La géométrie de têtes dépend du mode de fixation utilié mais le raccordement doit toujour être progressif afin de minimiser l’effet de concentration de contrainte.

12 Machine de traction

13 Comportement en traction des matériaux
Métaux et alliages Élastomères verre fonte céramique béton certains thermodurcissables Si vous voyez ces 3 courbes et que je vous donne ces trois noms de matériaux, seriez-vous capable d’identifier à quelle courbe correspond chaque matériau ? caoutchouc, Al2O3, 1060 Courbe 1 : rigide et fragile Courbe 2 : rigide et ductile Flexible, élastique non linéaire A quoi correspond chaque matériau ? Que peut-on dire de Tf de chacun de cas matériau ? Du coefficient de dilatation linéique

14 Courbe de traction Montrer échantillons
Pour un matériau ductile (comme la plupart de métaux) on obtient une courbe force –déplacement. Les équations que l’on vient de voir permettent d’en déduire la courbe contrainte / déformation, comme celle-là. Domaine élastique Domaine de déformation plastique (irréversible). La consolidation du matériau ductile au cours de l’essai de traction se traduit par une augmentation de la contrainte, dans le domaine plastique, lorsque la déformation augmente (alors qu’on pourrait penser qu’une fois que l’on a atteint les contraintes nécessaire au glissement des plans les uns par rapport aux autres, la contrainte n’augmenterait plus). Et ce jusqu’à ce qu’on atteigne Rm On appelle taux de consolidation  (“eta”)=d / d la pente de la courbe dans le domaine plastique.  diminue et devient nul à la valeur maximale de la contrainte nominale appliquée. La courbe de traction passe alors par un maximum au dela duquel la contrainte diminue bien que l’allongement continue de croitre. Quand l’allongement continue au dela de cette zone, un nouveau phénomène apparait : c’est la striction : la déformation n’est plus homogène mais elle est localisée dans la zone de striction. Quand , localement la consolidation du matériau ne peut plu compenser l’augmentation de la contrainte, il y a alor instabilité et striction. Finalement la rupture a lieu dans cette zone de striction, là où la section est la plus faible. Cette courbe nous permet d’obtenir plusieurs caractéristiques mécaniques d’un matériau La limite d’élasticité vraie (Re) et la limite conventionnelle d’élaticité (Re0,2) La résistance à la traction Rm L’allongement à la rupture (A) La striction à la rupture Z La rigidité (module d’young E) Montrer échantillons

15 Elasticité Propriété des matériaux qui reprennent leur forme initiale après que la force qui les déformait ait cessé d’agir. Dans certaines techniques de mise en forme (cintrage ou pliage), il est important de considérer le retour élastique (Springback) afin d ’obtenir une pièce de la forme souhaitée

16 La rigidité (Module d’élasticité E)
Capacité des matériaux à subir une charge sans une déformation excessive. Plus le métal est rigide, plus il est difficile à former. E est une mesure de la rigidité de matériau. E: = Pente de la courbe σ/ε dans le domaine élastique Les aciers (E=207 GPa) sont 3 fois plus rigides que les alliages d’aluminium (E=70GPa) Rappel : 1 GPA = 103 MPa = 109 N/m2 1 MPA = 1 N/mm2 Un point important à retenir : E est directement relié à l’énergie d’interaction entre les atomes (vous pourrez lire dans le livre l’analogie à un réseau de ressort qui explique à la fois le coefficient de poisson (déformation dans les directions Pour un métal donné, le module d’élasticité (ou module d’Young) ne change pratiquement pas avec la composition et la microstructure (sauf si on arrive a changer changer l’orientation des cristaux, ou si l’on augmente fortement la température) Par contre, pour les polymères, le Module d’élasticité peut varier fortement en fonction du procédé de fabrication, de la température, de historique thermique et de temps d’utilisation.

17 La ductilité Qualité des matériaux à être déformé de façon permanente sans se rompre. La ductilité d ’un matériau se mesure par son allongement à la rupture (A%) ou par la striction à la rupture (Z%) Allongement à la rupture Striction à la rupture Attention A se mesure sur l’éprouvette rompue, en mettant les 2 bouts rompus en contact (une fois le retour élastique effectué, donc A% différent de r S0 (Sf) sections initiale (finale) de l’éprouvette

18 Mécanismes de glissement
On verra plus en détail la structure des métaux mais on sait déjà qu’ils ont une structure cristalline qui permet des glissements des plans d’atome les uns sur les autres. C’est cela qui est responsable de la déformation plastique. Permis par la contrainte de cission que nous venons de voir (dans plans différents de celui de la contrainte nominale bien sur). Par contre, on a vu que certains matériaux (Les céramiques) ont des liaisons trop fortes pour permettre de tels glissements. Pourquoi mettre cela ici ???

19 Détermination de la limite élastique (Yield strength) (Re ou Sy)
Re: limite élastique vraie Re 0.2 :--- conventionnelle La limite élastique correspond au début de la déformation plastique, lorsque le comportement du matéiau s’éloigne de la loi de Hooke. Limite d’élasticité, ou contrainte d’écoulement ou yield strength Re, Sy,e Pas facile à déterminer sur une courbe. Donc on utilise généralement Re0,2 (attention 0,2%, soit si déformation pas en pourcentage)

20 Courbe de traction d’un acier doux
Rm: résistance à la traction Contrainte max. atteinte On remarque ici un comportement particulier près de Re qui correspond à certains métaux (don’t les aciers doux) : La transition entre les domaines élastique et plastique est dicontinue. Dans ce cas, Re et Re0,2 correspondent à la valeur inférieure de la discontinuité Les autres caractéristiques qu’on peut déterminer sur une telle courbe : La résistance à la traction correspond à la contrainte maximale obtenue lors de l’essai de traction (pour matériaux purement fragile Re=Rm). L’allongement à la rupture peut être lu directement sur la courbe de traction ou mesurée sur l’éprouvette rompue, en mettant les 2 bouts rompus en contact. A = (lf-lo) / lo X 100% L’allongement à la rupture est une mesure de la ductilité (nul pour matériaux fragiles) La striction à la rupture Z est la variation de la section à l’endroit oùl’éprouvette s’est rompue : Z = (Sf – So) / So X 100% (donne également une indication de la ductilité du matériau). Enfin, on verra lors d’un autre cours que l’on peut également utiliser cess courbes pour estimer l’énergie de déformation par unité de volume, qui est la somme de l’énergie de déformation élastique (restituable) et plastique (non restituable) Exercice : Courbes au tableau ( fragile vs ductile, mais avec Rm supérieure et leur demander de commenter.

21 Coefficient de Poisson 
Il y a des déformations élastiques dans les directions où il n’y a pas de forces appliquées εz = ΔLz /L0z (allongement) εx = -ΔLx /L0x (raccourcissement) εy = -ΔLy /L0y (raccourcissement) En traction pure, il y a allongement axial et rétrécissement latéral, relié par le coefficient de Poisson : Il faut le prendre en compte dans les cotes (rétrécissement d’une poutre sous l’effet d’une charge de traction)  = - x/z = - y/z (εz=-εx/ν = σz/E)

22 Coefficient de Poisson
Alliages Coefficient de Poisson Acier 0,3 Aluminium 0,33 Cuivre 0,34 Magnesium 0,29 Nickel 0,31 Titane Polymères 0,5 ν ≈ 0,3 métaux ν ≈ 0,5 polymères

23 Autres mesures de la rigidité
E: module d ’Young. G: module de cisaillement en torsion (Module de Coulomb) (τ= G γ) K: module de compressibilité volumique n: coefficient de Poisson (Gpa) p Outre le module d’Young par essai de traction, on peut également déterminer la rigidité par le module de cisaillement en torsion (module de Coulomb) ou le module de compressibilité volumique (K) K : constance de proportionnalité entre changement relatif de volume lorsqu’un matériau est soumis à une pression hydrostatique P. Le module de coulomb est lui la constante de propertionnalité entre une contrainte de cission et une déformation de cisaillement (voir feuille E1) Il existe des relations entre les 3 modules et le coefficient de poisson (valable pour un matériau isotrope). Donc la connaissance d’un module et du coefficient de poisson permet de calculer les 2 autres.

24 Énergie de déformation
Déformation e Contrainte s Déformation e Contrainte s de déformation permanente Énergie élastique eP eél Dans le domaine élastique

25 s=Ee sEe Essai de traction Types de comportement mécanique Fragile
Ductile Viscoélastique Déformation élastique Déformation élastique Déformation plastique Petite synthèse. Nous avons vu que les tests de traction permettent de déterminer le type de comportement mécanique du matériau… On va voir maintenant que les déformations et contraintes calculées jusqu’à maintenant sont des contraintes et déformations conventionnelle (ou d’ingénierie) et qu’elles ne correspondent pas vraiment à la réalité. Concept de rigidité s=Ee Uniforme Non-Uniforme sEe Loi de Hooke

26 Contraintes et déformations réelles versus d’ingénierie

27 Déformations réelles Déformation réelle Conversions
En travail des métaux par déformation plastique, les déformations sont très élevées. Pour mieux mesurer les déformations en jeu, on utilise les déformations réelles définies comme suit: Déformation réelle Conversions Basses def. : e = e Pour e < 20% Feuilles (laisser tomber F1 et F2) F3 à copier au tableau (modifier F3 pour que cela soit plus clair) Insister sur ce point important e: déformation calculée ou d’ing. Source: Auto Steel Partnerhip web

28 Autres essais mécaniques utiles

29 Essai de compression Déformation de l’échantillon durant la compression Ne permet pas d’atteindre la rupture des matériaux ductiles Souvent utilisé pour déterminer la résistance à la rupture des matériaux fragiles Problème de déformation de l’échantillon au cours de la compression. De plus, ne permet pas d’atteindre la rupture des matériaux ductiles. Surtout utilisé pour déterminer Rm des matériaux fragiles (pas besoin d’éprouvette de géométrie complexe comme traction

30 Essai de flexion Ne permet pas d ’atteindre la rupture des matériaux ductiles mais détermination de E (par mesure de la flèche) →Très utilisé en contrôle qualité Détermination de la contrainte à la rupture des matériaux fragiles. Avantages : simple et l’échantillon nécessite peu d’usinage Utilisé beaucoup en contrôle qualité (pas besoin d’éprouvette de géométrie complexe)

31 Essai de flexion Flexion à 3 points Flexion à 4 points
F: charge appliquée au centre L: longueur entre les appuis h : hauteur de l’éprouvette b : largeur de l’éprouvette Flexion à 4 points Feuille de démonstration à noter au tableau Leur dire que peut être utile pour lab fatigue car flexion rotative utilisée pour déterminer la résistance en fatigue

32 La dureté (Hardness) La dureté est la mesure de la résistance d’un matériau à la pénétration. La pénétration met en jeu: les déformations élastique et plastique. Le frottement entre le pénétrateur et le matériau. La géométrie du pénétrateur. la charge appliquée. Ne donne donc pas une propriété intrinsèque du matériau mais permet d’évaluer la résistance mécanique du matériau (évolution suite à un traitement, comparaison entre des matériaux…)

33 Le tableau suivant résume les caractéristiques des principales méthodes de mesure de la dureté utilisée Dureté Brinell, dureté Vickers, et les dureté Rockwell C et B. Valeur données sans dimension mais dureté Vickers et brinell sont homogènes à des contraintes Rockwell B et C sont très proches et varie par géométrie du poincon et charge appliquée. Les échelles RB et RC s’overlappe un peu mais se complètent (HRB pour matériaux plus mous, HRC pour les plus durs : a revoir) On parle ainsi de matériaux mous ou durs. Cela n’a pas àvoir avec la rigidité mais surtout avec la résistance mécanique et résistance élastique

34 Dureté superficielle Knoop
pénétrateur en cône de diamant; P faible (25 g à 5kg) t Vue latérale P Vue de dessus l l/b =7.1 b/t = 4.0 b HK = 14.2 P/l2 Diamant 8,000 Nitrure de bore cubique (BN) 5,000 Carbure de bore (B4C) 3,500 Carbure tungstène (WC) 2,700 Alumine Al2O3 2,100 Quartz (SiO2) 1,000 Pour la dureté superficielle (traitement de surface …), on utilise couramment l’essai Knoop Chargement faible (dureté superficielle)

35 Essais de dureté très utilisés
Simples: pas d’éprouvette Appareillage moins cher. Non destructif. La résistance à la traction peut être déduite des résultats des essais de dureté. Mais ce n’est pas une caractéristique fondamentale du matériau au même titre que E, Rm…

36 Conversion de dureté Rm (Mpa) = 3.5 HB
Il existe des corrélations empiriques entre la dureté et la résistance àla traction. Cette figure en présente une établie pour les aciers au carbone et les aciers faiblement alliés; ce sont d’ailleurs à peu près les seuls alliages pour lesquels on a pu établir une telle corrélation. Mais donne une idée quand même.

37 Autres essais Mécanique Mise en forme
Ténacité: Résistance à la propagation des fissures ou énergie de déformation requise pour la rupture. Résilience: Comportement au choc Fluage: Comportement à haute température sous charge constante Fatigue: Comportement sous charges variables Mise en forme Formabilité : Aptitude à la mise en forme par déformation plastique Soudabilité: Aptitude au soudage Usinabilité: Aptitude à l’usinage

38 Essai Charpy (résilience)

39 Essai Ténacité KIC

40 Essai Fatigue

41 Essai Fluage Si T=0.5Tf M M M t=0 sec t=0 sec t=n sec

42 Variabilité des propriétés des matériaux et facteurs de sécurité
x+s x-s 68 % a= 32% Les propriétés mesurées (E, Re, Rm, a, r etc) ne sont pas des grandeurs exactes ! Causes d’erreurs: méthode d’essai, variation des procédés de fabrication des éprouvettes, erreur de l’opérateur et erreur d’étalonnage, variabilité dans le lot de matériaux testés. La valeur typique est la moyenne des données: X La dispersion ou l’écart-type est s

43 Facteur de sécurité : N Pourquoi? Contrainte sécuritaire: N = 1.2 à 4
Le calcul des charges et contraintes est approximatif. Les mesures des propriétés mécanique des matériaux industriels sont dispersés. Contrainte sécuritaire: N = 1.2 à 4 Si N est très élevée, la pièce sera surdimensionnée N = fonction (prix, expérience, fiabilité des pièces, conséquences (mortelles, matérielles, financières) qu’entrainerait la rupture

44 3) Caractérisation de la microstructure
On va voir aujourd’hui principalement les propriétés mécaniques de base de matériaux; on verra également les méthodes utilisées pour caractériser la microstructure des métaux. Techniques qui sont utiles pour identifier les matériaux, leur structure, leur dégradation, défauts, ce qu’ils ont subis etc. On parlera aussi d’autres caractéristiques des matériaux que l’on retrouve couramment dans les tableaux de données sur les matériaux : masse volumique, coefficient d’extension thermique, resistivité…

45 Microstructure Les propriétés mécaniques (Re, Rm, A%) dépendent de la constitution du matériau: Composition chimique, Microstructure : organisation des phases (taille, forme, distribution) Appareils = microscopes optique : 10 < grossissement < 1000; Résolution = r = 0.2 mm électronique à balayage: 10 < grossissement< 105; r = 1 mm à 5 nm à transmission: 1000 < grossissement< 106, r = 0.2 nanomètres

46 Microscope optique Une meilleure observation nécessite une préparation de surface: Polissage Attaque chimique

47 Microscope électronique à balayage (MEB)
Préparation des échantillons: Aucune si échantillon conducteur Métallisation (couche d’or ou de carbone de 10 à 20 nm) si l’échantillon et non conducteur Les surfaces de rupture peuvent être examinées sans préparation si l’échantillon est conducteur. Analyse chimique si le MEB est couplé à un spectromètre. Analyse de relief possible.

48 Microscope à transmission
Principe similaire à celui d’un microscope optique sauf que la lumière est un faisceau d’électrons accélérés Résolution: 0.2 nm Grossissement : X Échantillons minces pour être transparent aux faisceau d’électrons : 0.2 mm pour Al 0.1 mm pour les aciers Préparation des échantillons délicate

49 Pouvoir de résolution = petite distance entre 2 points de l’échantillon qui peut être observée nettement

50 Microstructure Fe-C a pro-eutectoide Perlite (a + Fe3C)
0.8 % C ; 100% perlite; lamelles alternées de ferrite et de cémentite 0.2 % C ; 25 % perlite; 75% ferrite pro-eutectoïde

51 Microstructure Fe-C a pro-eutectoide Fe3C pro-eutectoide Perlite
a + Fe3C 1.0 % C ; 97 % perlite; 3 % de cémentite le long des joints de grains g 0.6 % C ; 75 % perlite; 25 % de ferrite pro-eutectoïde

52 MEB vs optique Micro. MEB optique Dureté: Bainite (42-58RC)
ferrite (15-41RC) Martensite (+de 58RC) Dureté:

53 Les fontes vues au microscope
Lamelle de graphite Matrice ferritique ou perlitique

54 4. Propriétés physiques des matériaux
Références Chapitre 9

55 On peut vouloir utiliser un matériau pour ses propriétés fonctionnelles autres que ses propriétés mécaniques!

56 Principales propriétés physiques
(Mécanique) Thermique Électrique Magnétique

57 Conductivité thermique (k)
La conductivité thermique (k) est la propriété des matériaux à transmettre la chaleur lors du transfert de chaleur par conduction. Elle représente la quantité de chaleur transférée par unité de surface et par une unité de temps (W/m2) sous un gradient de température. Éléments k (W/m.K) Fe 80 Cu 400

58 Conductivité thermique (k)
CHAUD Q: puissance; L: longueur; A = surface; dT: différence de température FROID Toute la puissance Q est transférée à l'échantillon Condition adiabatique

59 Capacité thermique (Cp)
Pour un apport de chaleur, la température du matériau augmente La capacité thermique (Cp) d'un matériau est la variation de l'énergie interne (DE) en fonction de la température (T) qui est généralement mesurée par la variation de l'enthalpie (DH) en fonction de la température (T).

60 Capacité thermique (Cp)
La capacité thermique (Cp) est donc la possibilité qu'a un matériau d'absorber (ou restituer) de l'énergie par échange thermique au cours d'une transformation lorsque sa température varie. Plus le Cp ↑, plus DH ↑ au cours d'une transformation où il y a une variation de la température du matériau. Éléments Cp (J/mol.K) Fe 22 Cu 25 ** Le Cu absorbe plus d'énergie que le Fe lors de la transformation

61 Dilatation thermique Matériau se dilate si réchauffé T ΔT>0
Matériau se contracte si refroidi T ΔT<0 Coefficient de dilatation linéique α ( /°C) Lf = Lo(1+ α ΔT) Matériau Al Cu Fe Acier 1025 Al2O3 SiO2 polymère Alliages Fe-Ni (INVAR) α (10-6 /°C) 23,6 17 11,8 12 7,6 0,4 >50 1.6 61

62 Problèmes potentiels liés à la dilatation thermique
Contraintes thermique En cas de chauffage, si le matériau est libre de s’allonger : ε= L/Lo = Lo( 1 + αΔT)- Lo = αΔT S’il est bloqué (encastré), pas de dilatation possible et développement de contraintes dans le matériau En cas de chauffage non uniforme (local)→ choc thermique Initiation Propagation de fissure On définit : résistance au choc thermique RCT≈ Rm/ αE Lo Si l’application nécessite une grande stabilité thermique, on choisit des alliages ayant de très faible coefficient de dilatation linéique (10-6 / °C) Chauffage non uniforme peut avoir lieu par exemple lors d’une trempe ou le cœur et la surface du matériau ne sont pas à la même température (l’un se contracte tandis que l’autre reste constant : extérieur de la pièce soumis en tension et cœur en contraction) : risque de fissuration En général, ce sont les céramiques frasgiles qui sont le plus sensibles aux chocs thermiques (car énergie ne peut pas être dissipée sous forme de déformation plastique) Pour plus d’info, voir section 7.6

63 Conductivité et résistivité électrique
(s et r) La conductibilité électrique (s) est la propriété des matériaux à laisser les charges électriques se déplacer librement (permettre le passage du courant électrique) (Siemens/m)(S/m) La résistivité électrique (r) d'un matériau représente sa capacité à s'opposer à la circulation du courant électrique.(Ω.m) Loi d’Ohm : V = R I R =ρ L/S Capacité du matériau à transmettre un courant électrique lorsqu’il est soumis à l’influence d’un champ électrique E (E=V/L est la différence de potentiel par unité de longueur La loi d’ohm établit la relation entre V et I (V = différence de potentiel en Volt et I courant en Ampères ; R : resistance du matériau dans lequel le courant poasse (V/A ou Ω Ohm) R = ρ L/S où L est la longueur et S la section du matériau traversé par le courant, ce qui permet d’en tirer une propriété importance du matériau, la résistivité du matériau ρ (Ω.m), qui est indépendante de la géométrie de la pièce. V = volt I = ampère S = cm2 L = cm (Des matériaux, section et 9.2.4)

64 Quelques valeurs de ρ Matériaux Résistivité (Ω.m) 10+14
Aciers ordinaires et alliés 1,6 - 2, Inox 6 - 8, Fontes Alliages aluminium 2,9 – 5, Alliages de cuivre 1,7 – 37, Béton 10 +9 Diamant 10+14 Nitrure de silicium > 10+12 Alumine > polymères > 10 +8 Plus ρ est grand, moins le matériaux conduit l’électricité Tres grosses différences entre les matériaux (10-7 à 10+14) Métaux: conducteurs 64

65 résistivité électrique (r)
Signification de la résistivité électrique (r) P= RI2 =(ρ L/S) I2 Éléments r (10-7 W.m) Fe 10 Cu 2 Al 3 Ni-20Cr 110 Fe-35Ni-18Cr 100 Quantité de chaleur dégagée (perte d’énergie) r faible : bon conducteur électrique: (Si ρ= 0 , P = 0, pas de perte par effet Joule :supraconducteur (conducteur parfait ): r : Élément chauffant: ** Le Cu est un bon conducteur électrique (fil électrique !!!) par rapport à l'alliage Ni-20Cr (élément chauffant !!!)

66 Résistivité électrique (r)

67 Isolant électrique (diélectrique)
Les isolants électriques sont des matériaux dont la résistivité est extrêmement élevée. On compte parmi ces matériaux les céramiques et de nombreux plastiques. Par exemple, un câble électrique (matériau métallique) est souvent protégé d'un revêtement diélectrique (plastique).

68 Supraconductivité (section 9.2.4)
La supraconductivité est l'absence de résistance électrique (conducteur parfait). Elle se manifeste à des températures très basses. On cherche à mettre au point des matériaux supraconducteurs à des T plus proches de Tambiante Éléments Tsupra [K] Al 1 Pb 7 YBa2Cu2O7 93 (azote liq.)

69 Piézoélectricité La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l'action d'une force externe ou de se déformer lorsqu'on leur applique un champ électrique. La déformation élastique du piézoélectrique induit des charges positives et négatives sur les faces opposées du cristal. Effet direct: (capteur de pression)

70 Piézoélectricité Effet indirect: (actuateur)

71 MEC-200 – Technologie des matériaux
2-71 Cours #2 MEC-200 – Technologie des matériaux Propriétés magnétiques Propriétés attribuables au mouvement orbital des électrons Le moment magnétique intrinsèque du matériau est la résultante des moments locaux produits par les électrons Un champs extérieur peut engendrer une variation du champs intrinsèque Les propriétés magnétiques des métaux sont caractérisés par les variables : μr, la perméabilité magnétique relative Br, l’induction rémanente (en Tesla) Hc, le champs coercitif (en A/m)

72 MEC-200 – Technologie des matériaux
2-72 Cours #2 MEC-200 – Technologie des matériaux Propriétés magnétiques Il existe 3 principales classes de matériaux : les diamagnétiques (μr ≤ 1) les paramagnétiques (μr ≥ 1) les ferromagnétiques (μr >> 1)

73 Masse volumique ρ ou densité
ρ= m/V (g/cm3) Matériaux ρ (g/cm3) Alliages aluminium 2,7-2,8 cuivre 8,75-8,94 Aciers 7,8-8 fonte 7,1-7,3 titane 4,5 magnesium 1,7-1,8 Beton 2,4 diamant 3,51 polymères 0,9-2,17 Caractéristique du matériau Dépend de l’architecture cristalline et de la masse molaire (volume de la maille élémentaire et nombre d’atomes/maille) ρ = n M / (Vm. Na) Quels sont les alliages légers que vous connaissez ? Al bien sûr (3 fois plus léger que l’acier, mais environ 3 fois moins résistant comme on le verra), mais Mg encore plus (mais pB de corrosion) Les alliages plus lourds ? Aciers et fonte, cuivre Titane intermédiaires; quand meme leger pour une résistance bien supérieure =Caractéristique du matériau Masse volumique très utile pour déterminer en quel alliages on est en présence (utile pour TP 1 notamment) On verra au prochain cours que cette masse volumique dDépend de l’architecture atomique et de la masse molaire (volume de la maille élémentaire et nombre d’atomes/maille) Détailler l’équation (Na = nombre d’Avogadro; M+ masse molaire, n= nombre atome par maille élémentaire ; Vm:volume de la maille (Vm= a3=f(R atomique) 73

74 Qu’avons-nous appris? À définir les contraintes et les déformations
À interpréter la courbe de traction À déduire les propriétés mécaniques d’un matériau: module de Young, limite d’écoulement, résistance mécanique, ductilité etc.. A différentier contraintes d’ingénierie et réelles et à savoir quand les utiliser Les propriétés des matériaux ne sont pas des valeurs exactes penser à utiliser un coefficient de sécurité (N) Méthodes d’analyse microstructurale des métaux Quelques paramètres des propriétés thermique et électrique