[PDF] cours materiau LP ecoconstruction

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Partie 1Introduction

3 Les 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

Elastomères

(caoutchouc, silicones..Polymères

Thermoplastiques

(polystyrene,polyéthylène,PVC

Thermodurcissables

(résines)

Mousses

(polystyrène expansé) Bois soie

Matériaux

Naturels

coton, cuir papier

Matrice céramiqueMatériauxComposites

Matrice métallique

matrice polymère

Verres

bétons

Céramiques,

verres céramiques techniques (alumine, diamant,..

Porcelaine

Aciers

Aluminium

or

Métaux et alliages

bronze fontes

1. Introduction

Classification des matériaux de construction

Les matériaux de constructionsont les matériaux qui ont la propriété de résister contre des forces importantes:

Pierres

Terres cuites

Bois

Béton

Métaux, etc.

Les matériaux de protectionsont les matériaux qui ont la propriété d"enrober et protéger les matériaux de construction principaux:

Enduits

Peintures

Bitumes, etc.

1. Introduction

Les caractéristiques des matériaux• Classement des propriétés des matériaux en 6 catégories

(en fonction des agents auxquels ils sont exposés) :

Mécaniques Electriques

Thermiques Magnétiques

Optiques Chimiques

1. Introduction

• Autres propriétés :

Qualitatives

Résistance aux agressions chimiques

Inflammabilité, résistance aux UV ...?

Booléennes

Procédés de mise en oeuvre

Procédés d"assemblage

Formes disponibles

1. Introduction

Générales:

Densité, prix

Mécaniques:

Module d"Young, limite d"élasticité, résistance, déformation à la rupture, limite d"endurance, ténacité, dureté Vickers, capacité d"amortissement

Thermiques

Température de fusion, chaleur spécifique, conductivité thermique, coefficient de dilatation thermique

Electriques

Résistivité

Optiques

Transparence

Résistance à l"environnement

Inflammabilité, solvants organiques, acides, bases, UV

1. Introduction

•Dureté Mesurée en appuyant une bille ou un cône d"un matériau très dur (diamant, acier trempé) sur la surface du matériau •Limite d"endurance Sollicitation répétée pouvant entraîner l"apparition d"une fissure puis la rupture Amplitude de contrainte maximale pour laquelle la rupture ne se produit pas •Ténacité Mesurée en chargeant une éprouvette en présence d"une fissure

Deux grandeurs : énergie de rupture G

1C et ténacité K 1C aYK C1 ps=

1. Introduction

•Les modules d"élasticité

Pentes des courbes contrainte - déformation

module d"Young E : comportement en traction et compression module de Coulomb G : comportement en cisaillement coefficient de Poisson n: opposé du rapport des déformations transversale et longitudinale F

Rque : matériaux homogènes isotropes

1(2 n+ =EG

1. Introduction

a=4; S=25 cma=4; S=25 cm 22

Ciment Ciment

MoitiMoiti

ééd"d"ééchantillon chantillon

de Mortier de Mortier a=12; b=12,3; h=14 a=12; b=12,3; h=14

Brique Brique

ÉÉchantillons chantillons assemblassembl

éés s

a=10; 15; 20a=10; 15; 20h=40; 60; 80h=40; 60; 80a=2; h=3 a=2; h=3

BBéétonton

Bois Bois

Prisme Prisme

d=15 ; h=30d=15 ; h=30d=h= 5; 7; 10; 15 d=h= 5; 7; 10; 15

BBéétonton

MortierMortierRoche Roche naturelle naturelle

Cylindre Cylindre

15x15x1515x15x157,07x7,07x7,077,07x7,07x7,0710x10x1010x10x1015x15x1515x15x1520x20x20 20x20x20

BBéétonton

MortierMortierRoche Roche naturelle naturelle

Cube Cube

Dimension des Dimension des ééchantillons (cm) chantillons (cm)

MatMat

éériaux riaux

testtest

éés s

Formule de Formule de calcul calcul

SchSch

éémm

a a

Echantillon Echantillon

d=15; l=30d=15; l=30d=16; l=32 d=16; l=32

BBééton ton

Cylindrique Cylindrique

5x5x505x5x5010x10x8010x10x80dd00=1;=1;ll00=5; l=5; l

≥≥10 10

BBéétonton

Armature Armature

CylindriqueCylindriquePrismatique Prismatique Essai de rEssai de r éésistance en traction pure sistance en traction pure

15x15x6015x15x602x2x30 2x2x30

BBéétonton

Bois Bois

Prismatique Prismatique

4x4x164x4x1615x15x15 15x15x15

CimentCimentBrique Brique

Prismatique Prismatique Brique Brique Essai de traction par flexion Essai de traction par flexion Dimension des Dimension des ééchantillons (cm) chantillons (cm)

MatMat

éériaux riaux

testtest

éés s

Formule de Formule de calcul calcul

SchSch

ééma ma

Echantillon Echantillon

Métaux Polymères Céramiques Composites

PEEK PP PTFE

WC ( carbure de tungstène)

Alumine

Verre de silice

CFRP(carbone)

GFRP(verre)

module de Young, GPa Acier

CuivrePlombZinc

Aluminum

Exemple de carte de sélection

(1 seule propriété)

1. Introduction

•Coefficient de dilatation thermique Caractérise la dilatation d"un matériau lors d"une variation de température Un seul coefficient pour les matériaux isotropes •Températures caractéristiques Température de transition vitreuse : transition entre le solide et le liquide visqueux pour les matériaux non cristallins Température de fusion, température de service maximale •Conductivité thermique Vitesse à laquelle la chaleur de propage en régime permanent à travers un solide

Flux thermique :

avec lconductivité thermique, f flux de chaleur, x distance entre les surfaces où sont mesurées les températures xTT dxdT 21
l=l=f

1. Introduction

•Diffusivité thermique Donne le flux thermique dans le cas d"un régime transitoire Exprimée en fonction des autres caractéristiques •Usure, oxydation, corrosion usure volumétrique : rapport du volume de matière arraché et de la surface de contact corrosion plus difficile à quantifier →seulement qualitatif données pour des couples de matériaux ou en fonction des milieux pCarl

1. Introduction

4 Approche comparative des matériaux

difficileFacileMoyenneFacile

Facilité d"assemblage

Facile (grde diffusion)Moyenne dépendant de la forme

Très facileDifficile (technique)Facile

Facilité de mise en forme

Faible / très faibleBonne / très bonne

Conduction de l"électricité

FaibleFaible / très faibleMoyenne / faibleBonne / très bonne

Conduction de la chaleur

MoyenneMoyenneBonne / très bonneMoyenne / mauvaise

Tenue aux agressions

chimiques MoyennesMoyennes / faiblesHautes / très hautesMoyenne / hautes

Température d"utilisation

Très tenacePeu tenaces mais grande énergie absorbéeTrès fragileTrès tenace

Tolérance aux défauts et

aux chocs ElevéeMoyenne / faibleTrès élevée (compression)Elevée

Résistance Mécanique

ElevéMoyen / faibleTrès élevéElevé

Module d"Elasticité

Faible (grde diffusion)ElevéFaible / élevéElevé (techniques)Faible / élevé Prix Moyenne / faibleFaible / très faibleMoyenneMoyenne / élevée

1ère

étape : comparaison qualitative

1. Introduction

Données numériques : fourchettes de valeurExemple: aciers module de Young entre 190 et 210 GPa limite d"élasticité entre 250 et 2000 MPa alliages d"aluminium module de Young entre 70 et 80 GPa limite d"élasticité entre 100 et 650 MPa ?On peut tirer des conclusions sur les modules, mais pas sur les limites d"élasticité

1. Introduction

Quelles sont les structures des matériaux ?Quels modèles appliquer ?Ex: explication de la loi d"Young s=Ee

A- Modèle mécanique

Partie 2

Mise en évidence de la relation

structure / propriétés

Modèle électrostatique

+-DAU a= mrDBU=

2. Structure / propriétés

Modèle électrostatique

drdUF=

2. Structure / propriétés

Modèle électrostatique - explication de la dilatation thermique

Potentiel réel

anharmonique Approximation harmonique du poteniel

2. Structure / propriétés

Modèle électrostatique - explication de la dilatation thermique

Potentiel réel

anharmonique Approximation harmonique du poteniel a0" a 0 a00" donc dilatation du matériau

2. Structure / propriétés

Les différentes liaisons

- Liaison covalente - Liaison ionique - Liaison métallique - Liaison mixtes

- Liaison de faible intensitéOn a établi, rapidement, des relations entre certaines propriétés des matériaux (E, a)

et l"énergie de liaison. D"autres propriétés dépendent aussi du type de liaison établie entre les atomes ou les molécules. Ex : fragilité : matériaux covalents et ioniques ductilité : conséquence directe de la liaison métallique.

2. Structure / propriétés

La liaison covalente

2. Structure / propriétés

La liaison covalente

Elle est formée par le partage d"électrons entre les atomes, ce qui signifie que ceux-ci ne gagnent ni ne perdent des électrons. Il en existe deux types:

La liaison covalente non polaire

relie deux atomes dont l"attirance des électronsde la part des 2 atomes est égale.

C"est ce type de liaison qui relie

les atomes dans les molécules d"hydrogène(H2), d"oxygène (O2) et d"azote(N2)

2. Structure / propriétés

La liaison covalente

La liaison covalente polaire implique une attirance inégale des électrons entre des atomes. Ceci peut être dû à une différence de grosseurdes deux atomes comme dans le cas d"une molécule d"eau par exemple. Les électron passent alors plus de temps autourdu noyau de l"atome qui les attire le plus. Ceci entraînel"apparition de charges partiellesau niveau des atomes.

Exemple : molécule d"eau

2. Structure / propriétés

Dans certains cas, deux atomes exercent des attractions tellement inégales sur les électrons périphériques que l"atome le plus électronégatif arrache complètement un électron à l"autre atome. Un atome chargé (ou une molécule chargée) s"appelle un ion. Le terme ion s"emploie également pour désigner des molécules covalentes entières qui porte une charge électrique, comme par exemple: Cl -, Na +. Lorsque la charge est positive l"ion s"appelle cation. Lorsque la charge et négative, l"ion se nomme anion. En raison de leurs charges opposées, les cations et les anions s"attirent l"un l"autre dans ce qui s"appelle une liaison ionique. Les composés ioniques portent le nom de sel. Les sels ne possèdent pas tous un nombre égal de cations et d"anions.

La liaison ionique

La liaison métallique

électronNa

2. Structure / propriétés

Les liaisons de faibles intensité

-Dipôles - liaisons hydrogènes, Van der Walls

2. Structure / propriétés

Plan3.1 Ensemble d"atomes : ordre et désordre

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