3Les grandes classes de matériaux Classification des matériaux Nature des liaisons  Trois grandes classes de matériaux solides : métaux, céramiques, polymères.

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1 3Les grandes classes de matériaux Classification des matériaux Nature des liaisons  Trois grandes classes de matériaux solides : métaux, céramiques, polymères Matériaux naturels Matériaux composites 1. Introduction

2 Elastomères (caoutchouc, silicones.. Polymères, Thermoplastiques (polystyrene,polyéthylène,PVC Thermodurcissables (résines) Mousses (polystyrène expansé) Bois soie Matériaux Naturels coton, cuir papier Matrice céramique Matériaux Composites Matrice métallique matrice polymère Verres bétons Céramiques, verres céramiques techniques (alumine, diamant,.. Porcelaine Aciers Aluminium or Métaux et alliages bronze fontes ……... 1. Introduction

3 Les quelques dates rappelées ci-dessous montrent que l’évolution des techniques est étroitement liée à la découverte et à la production de masse de nouveaux matériaux : le rail de chemin de fer est produit en masse par le convertisseur Bessemer, les circuits intégrés font appel aux monocristaux, le béton que nous connaissons aujourd’hui n’existerait pas sans le ciment Portland, etc. Toutes les familles de matériaux sont concernées par une concurrence de plus en plus vive (qu’on pense à la concurrence entre béton, bois, verre et métal dans le bâtiment) et une diversification croissante (il existe à ce jour plus de 3000 nuances d’aciers, dont la moitié n’existait pas il y a cinq ans). -8000 Briques en boue et argile ; apparition de la poterie : vaisselle en céramique (Proche-Orient) -8000 Martelage du cuivre natif en Asie : débuts de la métallurgie -5000 Mortier pour joints de briques en bitume ; travail de la laine (textile) -4000 Bronze fondu (Orient) (vers -3500 en Egypte et -1800 en Europe) -3500 Premières utilisations du plomb (conduites) -3000 Objets en verre (-2500 : perfectionnement par les Egyptiens) -2500 Débuts de la sidérurgie (Orient) (>1100°C) -1700 Première apparition de l’acier (Hittites) -1000 Mortier de chaux et chaux hydraulique -300 Aciers dits « de Damas » obtenus par fusion -250 Parchemin (Pergame) -100 Papier (Chine) ; soufflage du verre (Phéniciens) ; béton (Romains) 5e s. Transformation du fer en acier (Celtes) 7e s. Premières porcelaines en Chine (cuisson : 1200 à 1300°C) 14e s. Haut-fourneau et première fonte liquide 15e s. « Cristallo » : verre très transparent (Venise) 1590 Verre flint au plomb, pour optique (microscopes, télescopes) 18e s. Premières porcelaines dures en Europe (gisements de kaolin) 1709 Première coulée de fonte au coke (Darby) 1738 Production du zinc métallique par distillation 1784 Four de puddlage (Cort) : décarburation de la fonte par brassage 1824 Ciment Portland (J. Aspin) 1839 Vulcanisation du caoutchouc (C. Goodyear) 1848 Béton armé (première poutre en 1867 par Monier) 1855 Conversion de la fonte en acier par procédé Bessemer : production en masse de l’acier 1856 Premier colorant de synthèse : l’aniline (Perkin) 1870 Première matière plastique artificielle : le celluloïd (Hyatt) 1883 Première cellule solaire au sélénium (C. Fritts) 1886 Commercialisation de l’aluminium par le procédé Héroult/Hall 1899 Première matière plastique de synthèse : la galalithe (W. Krische et A. Spitteler) 1905 Aciers inoxydables : début de la production industrielle et de la classification 1909 Métallurgie des poudres 1909 Bakélite : premier thermodurcissable de synthèse (L. Baekeland) 1911 Découverte de la supraconductivité dans le mercure à 4K (H.K. Onnes) 1916 Monocristaux de métaux (J. Czochralski) 1924 Pyrex (Corning) 1927 Plexiglas (O. Röhm) 24 Matériaux pour l’ingénieur 1929 Béton précontraint 1931 Caoutchouc synthétique (néoprène) (J. Nieuwland) 1937 Nylon (W. Carothers) et PVC 1947 Fonte à graphite sphéroïdal 1947 Invention du transistor au germanium (Bell : J. Bardeen, W.H. Brattain, W.B. Shockley) 1947 Céramiques piézoélectriques : aiguilles de phonographe en titanate de baryum v. 1950 Multiplication des polymères synthétiques, composites 1951 La microscopie à champ ionique montre des atomes pour la première fois 1952 Verre flotté (Pilkington) : production de vitrages en continu 1953 Polyéthylène à haute densité (catalyse Ziegler) 1954 Première vitrocéramique (découverte accidentelle, Stookey) 1958 Premier circuit intégré (Texas instruments : J.S. Kilby) v. 1960 Début des fibres optiques 1968 Affichage par cristaux liquides (RCA) v. 1980 Béton hautes performances (exemple : ponts à très grande portée) 1985 Fullerènes (C60) 1991 Nanostructures 2000 Béton ultra-hautes performances

4 Classification des matériaux de construction. Les matériaux de construction sont les matériaux qui ont la propriété de résister contre des forces importantes: Pierres Terres cuites Bois Béton Métaux, etc. Les matériaux de protection sont les matériaux qui ont la propriété d'enrober et protéger les matériaux de construction principaux: Enduits Peintures Bitumes, etc. 1. Introduction

5 Elaboration fontes et aciers coulée élaboration

6 Élaboration Aluminium

7 Élaboration du Zinc Deux groupes de minerais sont exploités : les minerais oxydés, type calamine (carbonate et silicate de zinc), et surtout les minerais sulfurés, type blende (sulfure de zinc mêlé de sulfure de plomb). L'enrichissement du minerai s'effectue généralement par flottation. Avant traitement métallurgique, on procède à un grillage pour amener les concentrés à l'état d'oxyde. Les deux procédés d'élaboration sont la voie sèche (voie thermique) et la voie humide par électrolyse (ou hydrométallurgie), aujourd'hui prépondérante. L'extraction par voie thermique est fondée sur la réduction de l'oxyde de zinc par le carbone ou l'oxyde de carbone à haute température (environ 1 000 °C), le métal passant à l'état de vapeur, que l'on condense. Un raffinage par liquation au four ou/et par distillation fractionnée est ensuite nécessaire pour obtenir le métal pur. L'extraction par voie humide se fait par électrolyse d'une solution de sulfate de zinc obtenue par lixiviation, décantation et filtration ; elle donne un métal de grande pureté

8 Élaboration du Cuivre À l'état natif, le cuivre se trouve principalement sous forme de sulfure (chalcopyrite CuFeS2). Les minerais contiennent assez peu de cuivre (moins de 5 %) mais contiennent d'autres métaux, en particulier du fer et des métaux précieux (argent, or, platine), parfois du nickel et du cobalt, qui en sont également extraits.

9 Les caractéristiques des matériaux Classement des propriétés des matériaux en 6 catégories (en fonction des agents auxquels ils sont exposés) : MécaniquesElectriques ThermiquesMagnétiques OptiquesChimiques 1. Introduction

10 Caractérisation mécanique Caractéristiques mécaniques des matériaux doivent être définissables sans ambiguïté en fonction des qualités ou des capacités attendues Pas indépendantes des conditions de mesure Présentation des grandeurs mesurables Essais permettant de les obtenir

11 1Propriétés mécaniques des matériaux 1.1Qualités mécaniques attendues Rigidité : déformation réversible faible par rapport au chargement appliqué (≠ souplesse) Résistance aux efforts : (a) rupture : aptitude à ne pas se rompre sous l'effet d'un chargement (b) plastification : aptitude à ne pas se déformer de manière irréversible sous l'effet d'un chargement Ductilité : capacité à se déformer avant de rompre Résilience : capacité à emmagasiner de l'énergie au cours d'une déformation élastique

12 Ténacité : capacité à absorber de l'énergie au cours d'une évolution irréversible (plastification, rupture) Résistance à la fatigue : capacité à supporter des sollicitations mécaniques cycliques plus ou moins régulières, alternées, répétées… Résistance aux chocs : capacité à absorber de l'énergie lors d'une rupture par choc Dureté : résistance à l'enfoncement d'un pénétrateur (liée à la résistance à la plastification) Résistance au fluage : aptitude à durer sous l'effet d'une charge imposée à température élevée

13 Résistance à la propagation de fissures : sensibilité à l'effet d'entaille Amortissement : incapacité à restituer au cours de la relaxation des sollicitations qui lui sont appliquées toute l'énergie emmagasinée lors de la mise en charge Résistance à l'usure : résistance à l'enlèvement de matière par frottement (couple de matériaux) Corrosion sous contrainte : couplage de deux sollicitations (chimique et mécanique)

14 1.2Caractéristiques mécaniques des matériaux Modules d'élasticité   EGEG Module de Young E Pente de la courbe contrainte - déformation dans le domaine élastique en traction pure ou en flexion (unité : Pa) Module de Coulomb G Pente de la courbe cisaillement - glissement dans le domaine élastique en torsion pure (unité : Pa)

15 Résistance à la rupture C harge maximale applicable à une section d'éprouvette sollicitée en traction pure sans rupture (unité : Pa) Limite d'élasticité Charge maximale applicable à une section d'éprouvette sollicitée en traction pure sans entraîner de déformation plastique (unité : Pa) R=R= F max S0S0 e=e= FeFe S0S0

16 Allongement et striction - Allongement relatif de l'éprouvette de longueur initiale 0 après rupture - Striction : variation relative de la section après rupture Ténacité - Résistance à la rupture d'un matériau en présence d'une fissure (ou résistance à la propagation de fissure) - K 1C facteur d'intensité de contrainte critique (unité : ) A%=  0  %= SS S0S0 mMPa

17 - Amplitude des contraintes à la pointe de la fissure - I indique le mode de sollicitation tendant à ouvrir l'entaille Mode I (ouverture) Mode II (glissement droit) Mode III (glissement vis)

18 Résistance aux chocs ou résilience - Energie absorbée lors de la rupture par choc en traction ou en flexion (unité : J/cm 2 ) - Dépend des conditions de choc (plusieurs types d'essais) - KCV, KV, KCU Limite d'endurance conventionnelle - Contrainte maximale pour laquelle le matériau peut endurer une infinité de cycles sans rompre (unité : Pa)  log(N) 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3

19 Résistance au fluage - Contrainte qui à une température donnée entraîne une vitesse de déformation de 0,001% par heure - Contrainte  1000,  10000 … entraînant à une température donnée la rupture après une durée de 1000h, 10000h… Dureté - Plusieurs échelles de dureté : Vickers, Rockwell, Brinell… - Force appliquée sur le pénétrateur / surface de l'empreinte - Profondeur de pénétration de l'indenteur - Considérée comme une grandeur repérable (sans unité)

20 Seuil de non propagation en corrosion sous contrainte - K 1SCC = limite inférieure de K 1C obtenue en milieu corrosif - Valeur maximale de K 1C pour laquelle une fissure ne se propage pas quel que soit le temps de maintien en milieu corrosif Capacité d'amortissement - Frottement interne au matériau - énergie dissipée par le matériau au cours de sollicitations cycliques K 1C log(t) K 1SCC

21 Coefficient de frottement et vitesse d'usure - Caractérisation de deux matériaux et de l'environnement (air, graisse…) - Coefficient de frottement f f = PtPt PnPn PnPn PnPn PtPt PtPt - vitesse d'usure proportionnelle à (1) action normale de contact P n (2) probabilité de détacher un fragment de matériau par usure (3) inverse de la dureté du matériau - Quantité de matière enlevée par unité de distance de frottement

22 2Essais mécaniques Objectif : définir les principaux essais mécaniques - définition du principe - description des appareillages - analyse des résultats, critique - paramètres à prendre en compte

23 2.1Essai de traction Principe de l'essai - Appliquer un effort de tension croissant suivant l'axe de l'éprouvette - Choix d'imposer un effort ou une déformation avec une vitesse constante Eprouvettes - Forme déterminée par le système de fixation - Contrainte et déformation uniformes sur une longueur significative - Pas de rupture dans les zones d'application des efforts 0

24 Dispositif - Alignement de l'éprouvette avec l'axe de traction - Capteurs d'efforts dynamométriques ou à jauges - Allongements : déplacement des mors, extensomètre ou jauges Traverse supérieure mobile Capteur de force Eprouvette Mors de serrage

25 Résultat : courbe de traction - Courbe représentant l'effort F exercé en fonction de l'allongement  ou de la déformation  - Courbe contrainte – déformation F  O A B OA : élastique linéaire (réversible) AB : plastique (irréversible, non linéaire) Déformation vraie :  réelle = ln (1+  ) Contrainte vraie :  réelle =  (1+  )   O vraie conventionnelle

26 Caractéristiques mécaniques conventionnelles obtenues - limite d'élasticité : généralement la limite conventionnelle à 0,2 ou 0,02 % - résistance à la traction - allongement à la rupture - coefficient de striction - module d'Young - coefficient de Poisson Paramètres influençant les résultats température, raideur de la machine, vitesse de déformation E = k 0 S0S0  %= SS S0S0

27 2.2Essai de torsion Principe de l'essai - Appliquer un moment de torsion et mesurer l'angle de rotation d'une extrémité à l'autre de la barre Intérêt de l'essai - Sollicitation non uniforme sur la section - Permet obtenir le module de Coulomb (cisaillement)  = M tx IXIX r G = k 0 IXIX

28 2.3Essais de dureté Principe de l'essai - Plusieurs types : Indentation, rayure, rebondissement… - Pénétrateur enfoncé dans le matériau sous l'effet d'une force constante - Mesure de la taille de l'empreinte ou de sa profondeur - Peu destructifs  employés dans l'industrie - Liée à la limite d'élasticité et résistance en traction Essai Meyer – Essai Brinell - Pénétrateur : bille polie (acier trempé ou carbure de tungstène) - Mesure du diamètre de l'empreinte

29 - Expressions de la dureté : Essai Vickers - Même principe que Brinell et Meyer avec pénétrateur pyramidal (136°) - Nécessite un très bon état de surface HV = 2×0,102 F sin (68°) d2d2 HM = d2d2 4F HB = 2F  D (D - D 2 -d 2 ) (surface apparente)(surface calotte sphérique)

30 a b c e = a-c F0F0 F 0 + F 1 F0F0 HRC = 100 - e 0,002 HRB (ou F) = 130 - e 0,002 Essai Rockwell - Mesure de l'enfoncement rémanent du pénétrateur après une surcharge (profondeur de l'empreinte) - Plusieurs types de pénétrateur : cône diamant ou bille d'acier

31 2.4Essais de choc Principe de l'essai - Rompre par un choc une éprouvette entaillée - Mesure de l'énergie nécessaire à cette rupture / section au droit de l'entaille CharpyIzod Energie mesurée relative au type d'essai employé

32 Dispositif expérimental - Dispositif classique : mouton pendule - Mesure de la différence entre l'angle au départ et à l'arrivée Position de départ Percuteur Éprouvette Cadran appuis

33 Caractéristiques obtenues - Estimation de la résistance aux chocs : énergie / unité de surface - Observation des faciès de rupture → comportement du matériau - Paramètre important : température → Observation de la transition fragile / ductile Entaille Rupture fragileRupture ductile KVKV Température FragileDuctile

34 2.4Essais de fatigue Principe de l'essai - Solliciter un échantillon avec des cycles d'efforts répétés - Application à la traction, compression, torsion, flexion, fissuration - Pas de forme générale d'éprouvette étant donné la variété d'essais Contraintes alternéesContraintes répétéesContraintes ondulées t t t 

35 Caractéristiques obtenues - Diagramme de Wöhler  log(N) 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 - Limite d'endurance : plus grande contrainte pour laquelle la durée de vie est infinie - Aspect statistique : pour N donné, valeur de  correspondant à une probabilité de survie (ou de rupture) de 0,5 - Influence de la fréquence, et de l'environnement

36 2.5Essais de ténacité - Essais sur éprouvettes entaillées pour déterminer K 1C - 2 géométries : traction compacte (CT) ou flexion - B : épaisseur, W : largeur, Y : fonction de la longueur d'entaille

37 2.5Essais de fluage Principe de l'essai - Fluage : déformation plastique évoluant avec le temps, dans un matériau soumis à une contrainte constante (rupture possible) - Application d'un effort constant, mesure de l'allongement Machines et éprouvettes - Essais à haute température → sélection des appareils de mesure

38  t 00  t  t  00 t Mise en charge Courbes réellesCourbes théoriques  temps Fluage primaire Fluage secondaire Fluage tertiaire tRtR Rupture

39 Caractéristiques obtenues - Durée de vie pour une contrainte donnée, ou contrainte pour une durée de vie de 1000 h, 10000 h… - Loi de comportement Exemple : Loi Puissance Essai de relaxation - Souvent associé au fluage - Déformation constante imposée, mesure de la contrainte (fonction du temps)  Temps 

40 Conclusions Grande variété de propriétés → nombreux essais possibles Difficulté de mettre en pratique les conditions théoriques Nécessité des normes d'essais Importance des paramètres extérieurs