Master Nanosciences et Nanotechnologies
Contenu : Les méthodes d'élaboration de matériaux les plus courantes seront présentées dans cette UE Les matériaux considérés seront métalliques, organiques, inorganiques ou hybrides Ils pourront être ordonnés, désordonnés, poreux, polyphasés, nanostructurés ou fonctionnalisés, avec
MATÉRIAUX AÉRONAUTIQUES
les parties tièdes (T< 700 °C) et les parties chaudes : composites à matrice organique (CMO) ou céramique (CMC), intermétalliques, alliages à haute température de fusion, intermétalliques réfractaires, etc • Les “Matériaux pour structures aéronautiques : évolutions et enjeux de demain”
Industrialisation des Métaux Amorphes pour la microtechnique
La ase (sientifique) de l’innovation = les matériaux VULKAM industrialise une nouvelle classe de matériaux métalliques: Les Alliages Métalliques Amorphes = AMA Matériaux minéraux Matériaux organiques Matériaux métalliques céramiques verres Naturels et plastiques Structure cristalline Structure amorphe Structure cristalline Structure
Une industrie durable Les déchets ont de l’avenir
mal, les matières organiques doivent être correctement décomposées (mini-misation de la teneur en carbone des résidus solides) alors que les pièces métalliques récupérées doivent être de bonne qualité pour leur recyclage 4 La pyrolyse peut servir à dégrader thermiquement les déchets à base de résine en récupérant les
CI 2 De quoi est constitué l’objet technique Niveau 6ème
Les matériaux usuels peuvent être regroupés en 3 familles : - les matériaux métalliques issus de minerais extrais de la Terre (fer, fonte, acier, cuivre, aluminium, ) - les matériaux organiques issus de matières créées par des organismes vivants (bois, matières plastiques, caoutchouc )
PROPRIETES MECANIQUES DES MATERIAUX
Pour les fortes duretés, pénétrateur = diamant conique (essai C) Pour les faibles duretés, pénétrateur = bille (essais B et F) F0 F0+F 1 F0 e Trois étapes d’application de la force Essai Rockwell B F0 = 10 N F1 = 150 N On mesure e (profondeur de l’empreinte) On en déduit la dureté Rockwell
Etudes des matériaux UE 13 CATEGORIE : SECTION : OPTION
- Caractériser les arrangements principaux observés dans les métaux - Etudier et classifier les alliages les plus courants - Distinguer les imperfections rencontrées dans les matériaux métalliques - Construire et étudier les diagrammes de phases des systèmes binaires isomorphes et eutectiques - Caractériser le système fer-carbone
NOTICE PRODUIT Sikaflex® PRO-11 FC
Les caractéristiques du Sikaflex® PRO-11 FC en font le produit idéal pour les collages souples, en particulier ceux soumis aux chocs ou aux vibrations et pour le calfeutrement de joints en intérieur et en extérieur dans le bâtiment Collages d’éléments du second œuvre : bandes de solin, tuiles en béton ou en terre cuite, bavettes sur
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PROPRIETES
MECANIQUES DES
MATERIAUX
Chapitre 1 : GénéralitésChapitre 2 : Propriétés élastiquesChapitre 3 : Propriétés plastiquesChapitre 4 : Modification des propriétésChapitre 5 : Instruments de caractérisation la microstructureContenu de l"enseignement : Cours magistraux : 5hTD : 10hTP : 16 hIntervenants : Sandrine Beauquis (cours, TD, TP)
: Cécile Joulaud (TD, TP) : Marc Lomello (TD, TP): Guillaume Poulet (TD, TP)Sources bibliographiques : Science et génie des matériaux/Auteurs: Callister WD/ Ed : Dunod
Des matériaux/Auteurs : Baïlon JP et Dorlot JM/ Ed : Montréal, Presse internationale polytechnique
Chapitre 1
GÉNÉRALITÉS
Quelques définitionsLa science des matériaux est l"étude des relations qui existent entre leur structure et leurs propriétés générales La structure d"un matériau correspond à la façon dont s"agencent ses éléments constitutifsPlusieurs échelles•Échelle subatomique : noyau et électrons•Échelle atomique : disposition des atomes ou molécules les
uns par rapport aux autres•Échelle microscopique : groupes d"atomes •Échelle macroscopique : éléments de structure visibles à l"oeil nuQu" entend-on par propriétés d"un matériau?Tous les matériaux interagissent avec des agents extérieurs
lorsqu"ils sont utilisésPar exemple :
•Un matériau sur lequel s"exerce une force subit une déformation •Une surface métallique polie réfléchit la lumière...6 grandes catégories de propriétés
•Mécaniques •Électriques •Thermiques •Magnétiques •Optiques •ChimiquesPropriétés physiques : concernent le
comportement des matériaux soumis a l"action de la température, des champs électriques ou magnétiques ou de la lumière : pdm2pdm1Comportement dans on environnement réactif
Propriétés mécaniquesElles concernent la déformation d"un matériau soumis à une force •La résistance : caractérise la contrainte maximale que peut supporter un matériau avant de se rompre •La dureté : résistance d"un matériau à la pénétration •La ductilité : capacité du matériau à se déformer de manière irréversible avant de rompre •La rigidité : fonction de l"intensité des liaisons entre atomes ou molécules (module d"Young) •La ténacité : capacité d"un matériau à emmagasiner de l"énergie avant sa ruptureLes principales sont : Quand un corps est soumis à l"action de forces extérieures des contraintes internes s"établissentRelations entre
contraintes et déformations À ces contraintes sont associées des déformations1.1.1- CONTRAINTES NORMALES : Traction simple
Corps cylindrique soumis à deux forces
F1 et F2 (Figure 1)1.1- EXEMPLES DE CONTRAINTES
Selon le plan (m) ^axe de traction, la
surface S est soumise à une série de forces dF (Figure 2) F1 F2 m S colinéaires normales à la section de même valeur F1=F2=F opposéesFigure 1
dFSSdF = F
Figure 2
La surface S est soumise à une contrainte normale de traction contrainte perpendiculaireà la surface S∫∫==
S dSFdSdFss )1( SF= sPour une traction simple,
sest la même sur toute la surface S contrainte normale de traction (1) devient1.1.2- CONTRAINTES TANGENTIELLES : torsion simple
contrainte élémentaire t constante sur S )2(dydxdT= t contrainte parallèle à la surface S ST= t contrainte tangentielle de cisaillement ou cissionCCouple de torsion C
exercé sur le cylindreFigure 3 dT dT xyzdxdyForce élémentaire dT sur le volume dx dy dz SFigure 4
1.2.1- DEFORMATION DE TRACTION
Considérons un élément de matière cubique : Figure 5Le coefficient de Poisson n
relie les deux déformations : nnnn= -eeee ^^^^/ eeee1.2- DEFORMATIONS
Après application de la contrainte s,
le cube est déformé selon les 3 directions : •allongement du // traction e //= du / L déformation longitudinale •accourcissement dv^traction e ^= dv / L déformation latéraleL cube de coté LFigure 5 s s dV/2du/21.2.2- DEFORMATION DE CISAILLEMENT
Après application de la contrainte
t(Figure 6) tttttttt LSi les déformations sont faibles
dwqqqq le cube est déformé en cisaillement g g ggg= dw/ L= tanqqqqg= q angle de cisaillementEn première approximationFigure 61.2.3 - DILATATION
DDDD=DDDDV / V
Lorsque les déformations entraînent un changement de volume du corps qui subit l"action des forces extérieuresOn définit la dilatation:
Remarque sur les unités
force (F ou T)N (Newton)
surface SContrainte
s = force / surfaceDéformation
e = variation de longueur / longueur (DL/L) m 2N.m -2 ou Pa (Pascal) sans dimension le plus simple et le plus courant1.3.1- ESSAIS MECANIQUE
A. Essai de traction1.3- COMPORTEMENT MECANIQUE
FF L0S0Axe de traction
Tête
de fixationFigure 7 : éprouvettes de traction
Il consiste à placer une éprouvette du matériau à étudier entre les mâchoires d"une machine de traction qui tire sur le matériau jusqu"à sa rupture. On enregistre la force et l"allongement, que l"on peut convertir en contrainte déformation.Machine d"essai de
traction utilisée en TP matériauxEprouvettes de traction
Ce type d "essai est normalisé par des réglementations nationales ou internationales : géométrie des éprouvettes machine d"essai et leur étalonnage techniques expérimentales mises en oeuvre, le dépouillement des résultats et leur présentation un exemple de normalisation : norme AFNOR NF 03-160 ( pour tôles et bandes d"acier ) Lc L 0dLc longueur calibrée Lc
= L 0+ 2déprouvette épaisseur largeurLongueur
entre repèresLongueur calibrée (mm) (mm) (mm) (mm)1 0,5 à 3,0
exclus20 80 1202 0,5 à 2,0 inclus12,5 50 75 tête d "amarrageFigure 8 : éprouvette de traction calibrée
hB. Essai de compressionUtilisé pour déterminer les contraintes de rupture des matériaux fragiles (béton, céramique..)Si h/d >3
flambage Éprouvette cylindrique soumise à deux forces axiales opposéesFigure 9 : essais de compression
Si frottements entre faces
d "appui de l "éprouvette et plateaux de la machine, déformation hétérogèneDéformation
en barilletEssai de compression
FF/ 2 F/ 2
Il présente la même utilité que les essais de compression, il est peu utilisé pour les matériaux ductilesC. Essai de flexionFigure 10 : essai de flexion
Ex : matériau ductile (Figure 11)1.3.2- COURBE CONTRAINTE-DEFORMATION ?domaine élastique (déformation réversible) domaine plastique (déformation irréversible)s R m enContrainte nominale :
sn= F /S 0Déformation nominale : en= DL /L
0 E R e ?striction puis rupture (déformation irrémédiable)Domaine élastique
contrainte est proportionnelle à la déformation (loi de Hooke) ®constante de proportionnalité E (module d"Young) courbe contrainte-déformation d"un matériau ductile,E, Re,Re
0.2, R
m Re 0,2s en(%)E0 0,2 0,4
ReRmZone de déformation plastique
Domaine
élastique
Module d "Young E
ssssn= E eeeenRésistance à la traction R
mcontrainte maximale atteintedurant l"essai de tractionLimite d"élasticitéRe= limite entre zones élastique et plastique E caractéristique intrinsèque du matériau
®limite d"élasticité conventionnelle Re
0.2 (contrainte correspondant à 0,2 % de déformation)Résistance à la traction R
m en(%)Domaine
plastique s0 2 R m AAllongement A
Exploitation de la courbe
ssss----eeee contrainte maximale atteinte durant l "essai de traction allongement à la ruptureA = (L
f- L 0)/L0 = DL / L
0Striction z
variation de section à l"endroit où la rupture s"est produite z = (S0 - Sf ) / S
0Contraintes et d
éformations vraies
Grandeurs rapportées aux dimensions instantanéesContrainte vraie ssss SFσ=oùSest la section à l"instant considéré Au cours d "une déformation plastique, le volume se conserveS0L0 = S L
Déformation vraie
eeee Pour une déformation élémentaire de = dl/l, evraie s "écrit: ==e 0 0 ll ll l l lndOn peut relier grandeurs nominales (rapporté
es aux dimensions initiales) et grandeurs vraies00lll-
ne e= ln (1+ en) )1()1(SFSFσ
0nnn ese+=+==1.3.3- CLASSIFICATION DES MATERIAUX•verre•céramique•béton•polymères
thermodurcissables DL F A=0 fragile •métaux •alliages •polymères thermoplastiques•caoutchouc•élastomères..Pas de domaine plastiqueDéformation plastique
permanenteDéformation élastiquenon proportionnelle àla chargeTrois comportements possibles (Figure 12)
DL ductile F DL non linéaire FLa dureté quantifie la
résistance d"un matériau à la pénétration sous une certaine chargeF (valeur sans dimension)1.3.4- ESSAIS DE DURETEElle est fonction de : déformations élastiques et plastiques forces de frottements sur la surface du matériau géométrie du pénétrateur force appliquée •essai Brinell (Figure 13) La dureté Brinell (HB) est un nombre proportionnel àF / SF (~ 500 à
3000 N )
hd bille de diamètreDMesure du diamètre
de l"empreinted S est l"aire de l"empreinte considérée comme une calotte sphérique de diamètre d •essai Rockwell (Figure 14) Pour les fortes duretés, pénétrateur = diamant conique (essai C) Pour les faibles duretés, pénétrateur = bille (essais B et F) F0 F0+F 1 F0 eTrois étapes
d"application de la forceEssai Rockwell B
F0= 10 N
F1= 150 N
On mesure e
(profondeur de l"empreinte)On en déduit la
dureté Rockwell •essai Vickers (Figure 15) : essai réalisé en TP diamant de forme pyramidaleà base carrée
(angle entre les faces opposées : 136°)On mesure la moyenne d
des deux diagonales de l"empreinte F (~ 5 à100 N )
forme de l"empreinte d1 d2On en déduit la dureté Vickers :
Hv= 1,854 F/ d
2Photo d"une
Empreinte Vickers
1.3.5- AUTRES CARACTERISTIQUES•DuctilitéPropriété grâce à laquelle un matériau peut se déformer de
façon permanente avant de se rompre (aptitude des matériaux à la déformation plastique). C "est un atout important pour la mise en forme des matériaux. D= fL dL).L(FW 0 F DDDDLAire W
Lf•TénacitéLa ténacité : capacité d"un matériau à emmagasiner de l"énergie avant sa rupture. Elle caractérise la résistance
du matériau à la propagation brutale de fissuresL"aire sous la courbe de traction F(DL)représente l"énergie
nécessaire pour rompre l"éprouvetteChapitre 2
PROPRIÉTÉS
ÉLASTIQUES
2.1- LES CONSTANTES D"ÉLASTICITÉ
La déformation élastique est réversible
Si on relâche la contrainte, l"éprouvette reprend ses dimensions initiales Les déformations sont extrêmement petites (< 0,001) En première approximation, les longueurs et les surfaces restent constantes ®on ne distingue plus valeurs vraies et nominales2.1.1 - Définitions
DANS LE DOMAINE ELASTIQUEPour une traction s s s s = E eeeeE : module d "Young
e eee: déformation longitudinalePour un cisaillement
t = G gG : module de cisaillement ou de Coulomb
g : déformation en cisaillementPour une compression
hydrostatiqueP = -K
DK : module de compressibilité
D: réduction de volume causée
par la pression P2.1.2 - Relations entre constantes élastiques
)ν23(1EKet)2(1EG-=+=
avec -12.1.3 - Mesure du module d"Young
Effectuer un essai de traction et mesurer la pente du domaineélastique
simple mais peu précis Mesurer la première fréquence propre de vibration d"une tige d" un matériau, maintenue à ses extrémités 423343d fMLπ16EM4LEdπ3