Science des matériaux

Les différents types de matériaux I- Définition - La science des matériaux (SDM) est celle qui étudie la conception des matériaux -La SDM s’intéresseaux propriétés mécaniques et physiques des matériaux et à leur comportements sous l’actiondes efforts extérieurs

Science des matériaux - Dunod

les professionnels, le terme « Science des Matériaux » évoque désor-mais des notions connues et mieux définies que vingt ans en arrière Dès la première parution du présent Aide-Mémoire en 2004, il eut été fallacieux de prétendre transmettre au lecteur un contenu définitif et

Introduction à la science des matériaux - UCLouvain

fonctionnelles des différentes classes de matériaux ; ' AA1 1 déduire, à partir des propriétés, les grands domaines d'application des classes de matériaux sur base d'une vision globale de la science des matériaux qui transcende les classes, mais qui explique aussi les comportements particuliers observés - - - -

Science et génie des matériaux - Dunod

les professionnels, le terme « Science des Matériaux » évoque désormais des notions connues et mieux définies que vingt ans en arrière Dès la première parution du présent Aide-Mémoire en 2004, il eut été fallacieux de prétendre transmettre au lecteur un contenu définitif et fermé,

Cours : Science des Matériaux - ResearchGate

La science des matériaux a un caractère général et une approche multidisciplinaire qui fait appel aux connaissances du chimiste et du physicien du côté des sciences de base, et à celles de

Science et génie des matériaux (SGM)

› Science et génie des matériaux (SGM) Parcours : Métiers de l’ingénierie des matériaux et des produits Conditions d’accès › Être titulaire d’un baccalauréat général scientifique ou technologique (STI2D, STL), ou équivalent › La sélection se fait sur dossier dans le cadre de la procédure nationale Parcoursup

PROPRIETES MECANIQUES DES MATERIAUX

La 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 constitutifs Plusieurs échelles •Échelle subatomique : noyau et électrons •Échelle atomique : disposition des atomes ou

SCIENCES ET GÉNIE DES MATÉRIAUX

La mention Sciences et Génie des Matériaux a pour objectif de former des cadres supérieurs à double compétence, pouvant s’adapter aux secteurs concernés par la Chimie / les Matériaux et leurs contrôles Les secteurs professionnels sont très variés : Transports, Nucléaire, Métallurgie, Verre, Médical, Génie Civil

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AIDEMÉMOIRE

Science

des matériaux

Michel Dupeux

AIDEMÉMOIRE

Science

des matériaux 3 e

édition

Illustration de couverture:

© wootthisak ... fotolia.com

5 rue Laromiguière, 75005 Paris

www.dunod.com

ISBN 978-2-10-074559-3

Avant-propos

Les petis cors, culbutans de travers,

Parmi leur cheute en bïais vagabonde,

Hurtés ensemble, ont composé le monde,

S'entr'acrochans d'acrochements divers.

Ronsard, Les Amours, sonnet 37

Chez les libraires et dans les bibliothèques universitaires, comme pour les professionnels, le terme " Science des Matériaux » évoque désor- mais des notions connues et mieux définies que vingt ans en arrière. Dès la première parution du présent Aide-Mémoire en 2004, il eut été fallacieux de prétendre transmettre au lecteur un contenu définitif et fermé, surtout pour une science appliquée relativement jeune dans sa formulation synthétique. C'est pourquoi, comme les matériaux, cet ouvrage évolue et continuera certainement à le faire. Certes, il comporte toujours les concepts scientifiques de base, indémodables et indispen- sables ; certes, il s'efforce toujours de présenter uniquement les infor- mations essentielles en mettant l'accent sur leurs aspects pratiques, complétées par une bibliographie abondante. Mais d'une édition à l'autre, son contenu s'enrichit peu

à peu de paragraphes relatifs à des

problématiques plus actuelles comme les nanomatériaux, le recyclage ou les biopolymères. Dans l'aventure que constitue la poursuite de cette publication, je ne manquerai pas d'exprimer ma reconnaissance à tous ceux qui, lecteurs et utilisateurs fidèles, continuent à m'encourager de leurs commentaires ;

3p00V-0VI-AP-9782100588299_LSN.fm Page V Thursday, January 3, 2013 10:26 AM

VIAvant-propos

je n'oublierai pas non plus les générations d'étudiants dont les interro- gations parfois déroutantes amènent toujours à se poser les " bonnes » questions, les plus élémentaires, et à en chercher les réponses sous la formulation la plus convaincante.

Michel DUPEUX

AVERTISSEMENT

Les données figurant dans les tableaux et diagrammes de cet ouvrage n'ont qu'une valeur indicative et ne doivent en aucun cas être utilisées pour des calculs de dimensionnement précis. Les propriétés des matériaux dépendant étroitement de leurs conditions d'élaboration, de tran sformation et d'utilisation, pour un calcul précis on devra exclusivement se baser sur les caractéris- tiques et spécifications fournies et garanties par l'élaborateur du matériau utilisé, ou obtenues à l'aide d'essais spécifiques de l'utili- sation envisagée. p00V-0VI-AP-9782100588299_INSRT-LLM.fm Page VI Wednesday, December 26, 2012 5:34 PM © Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Table des matières

CHAPITRE 1 •GÉNÉRALITÉS : QU'EST-CE QU'UN MATÉRIAU ? 1

1.1 Définition 1

1.2 Propriétés 2

PARTIE 1 : COMPOSITION ET STRUCTURE

2.1 Classification des éléments chimiques 7

2.2 Liaisons chimiques 12

2.3 Classification des matériaux et des propriétés 13

3.1 Solides amorphes 17

3.2 Solides cristallins 21

3.3 Effets de la composition chimique 30

3.4 Défauts cristallins 32

pVII-XII-TDM-9782100588299_INSRT-LLM.fm Page VII Wednesday, December 26, 2012 5:37 PM

VIIITable des matières

3.5 Effets de la température 38

3.6 Principales techniques de caractérisation chimique et structurale 45

4.1 Changements de structure dans un matériau 59

4.2 Diagrammes d"équilibre de phases 62

5.1 Thermodynamique des transformations de phases 77

5.2 Transformations diffusives 79

5.3 Transformations displacives 86

5.4 Applications : notions de base des traitements thermiques 88

PARTIE 2 : PROPRIÉTÉS

6.1 Déformation élastique des solides 93

6.2 Déformation plastique des solides 96

6.3 Comportement mécanique quasi-statique 106

6.4 Ténacité et rupture 124

6.5 Comportement mécanique dynamique 128

6.6 Fractographie 131

7.1 Masses volumiques 137

pVII-XII-TDM-9782100588299_INSRT-LLM.fm Page VIII Wednesday, December 26, 2012 5:37 PM

Table des matièresIX

7.2 Propriétés électriques 139

7.3 Propriétés magnétiques 144

7.4 Propriétés optiques 147

7.5 Propriétés thermiques 151

8.1 Vieillissement 157

8.2 Corrosion 161

8.3 Frottement et usure 171

IMPACT SANITAIRE, RECYCLABILITÉ

173

9.1 Coût en énergie 173

9.2 Risques sanitaires, toxicité 175

9.3 Recyclage 186

PARTIE 3 : PRINCIPAUX MATÉRIAUX USUELS

10.1 Désignation normalisée des métaux et alliages 193

10.2 Fer et alliages ferreux 214

10.3 Aluminium et alliages d"aluminium 232

10.4 Cuivre et alliages cuivreux 237

10.5 Zinc et alliages de zinc 242

10.6 Magnésium et alliages de magnésium 243

pVII-XII-TDM-9782100588299_INSRT-LLM.fm Page IX Wednesday, December 26, 2012 5:37 PM

XTable des matières

10.7 Titane et alliages de titane 245

10.8 Nickel et alliages de nickel 246

10.9 Terres rares248

10.10 Méthodes de mise en oeuvre des métaux et alliages 249

10.11 Guide d"identification des métaux et alliages 250

11.1 Généralités 255

11.2 Principaux polymères thermoplastiques 265

11.3 Principaux polymères thermodurcissables 270

11.4 Principaux élastomères 270

11.5 Biopolymères 274

11.6 Méthodes de mise en oeuvre des matériaux organiques 276

11.7 Guide d"identification des polymères 277

12.1 Généralités 283

12.2 Verres minéraux 289

12.3 Céramiques traditionnelles 292

12.4 Céramiques techniques et cermets 294

12.5 Autres matériaux minéraux 296

pVII-XII-TDM-9782100588299_INSRT-LLM.fm Page X Wednesday, December 26, 2012 5:37 PM

Table des matièresXI

13.1 Généralités 299

13.2 Matériaux composites 300

13.3 Multimatériaux 319

13.4 Traitements de surface et revêtements 320

13.5 Matériaux cellulaires 326

13.6 Nanomatériaux 328

14.1 Propriétés d"usage 336

14.2 Adéquation matériau-fonction 336

14.3 Adéquation matériau-procédé 340

14.4 Sélection multicritères 344

ANNEXES 349

BIBLIOGRAPHIE 353

INDEX GÉNÉRAL359

INDEX DES MATÉRIAUX373

pVII-XII-TDM-9782100588299_INSRT-LLM.fm Page XI Wednesday, December 26, 2012 5:37 PM pVII-XII-TDM-9782100588299_INSRT-LLM.fm Page XII Wednesday, December 26, 2012 5:37 PM © Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Chapitre 1

Généralités :

qu"est-ce qu"un matériau ? Les objets qui nous entourent, que nous manipulons quotidiennement, sont tous constitués d'une matière choisie pour sa bonne adaptation à la fonction de l'objet en question et au procédé utilisé pour conférer à l'objet la forme souhaitée. La notion de matériau est donc rigoureuse- ment indissociable de l'intérêt que peut présenter la substance en ques- tion pour l'obtention d'un objet fini (figure 1.1).

1.1 DÉFINITION

De manière symbolique et résumée, un matériau est une matière dont on fait un matériel. Figure 1.1Interactions présidant à la réalisation d'un objet fini.

Conception

Objet fini

Production

GéométrieMatériau

P001-358-9782100588299_INSRT-LLM.fm Page 1 Wednesday, December 26, 2012 4:42 PM De manière plus précise et plus complète :

1.2 PROPRIÉTÉS

Les propriétés d'usage des matériaux ont essentiellement deux origines : -leur composition chimique (nature des espèces atomiques qui les constituent); -leur microstructure (organisation des atomes constitutifs). La caractéristique la plus évidente de la matière non vivante qui nous entoure est son état physique: solide, liquide ou gazeux. Ces différents états physiques proviennent essentiellement des effets de la température sur la microstructure, perceptibles à travers les variations de la viscosité de la matière, c'est-à-dire sa résistance à l'écoulement (figure 1.2). La température de la matière mesure essentiellement le degré d'agitation et de désordre (ou entropie) des atomes qui la constituent. Lorsqu'elle s'élève, les atomes vibrent autour de leur position moyenne à la fréquence de Debye D (cf. Annexe), occupant ainsi un espace plus important (d'où la dilatation thermique) et se déplaçant plus facilement (d'où la diffusion et la mobilité atomique). Ce n'est qu'au zéro absolu de l'échelle Kelvin qu'ils seraient rigoureusement immobiles.

- À température élevée, la matière est à l'état gazeux, état caractérisé

par une distance importante entre atomes ou molécules disposés alors en désordre. Un gaz est donc compressible et très fluide. Sa viscosité est de l'ordre de 10 - 5 poiseuilles (Pl) ou Pa · s (cf. Annexe " Constantes physiques et unités de mesure »). - À température plus basse, les forces d'attraction interatomiques ou intermoléculaires deviennent non négligeables devant l'agitation thermique et peuvent provoquer le passage à l'état liquide. Les atomes ou molécules sont alors en désordre, mais à courte distance. Un un matériau est la forme marchande d'une matière première choisie en raison de propriétés d'usage spécifiques et mise en oeuvre par des techniques appropriées pour l'obt ention d'un objet de géométrie donnée à fonction préméditée. P001-358-9782100588299_INSRT-LLM.fm Page 2 Wednesday, December 26, 2012 4:42 PM

1.2Propriétés3

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit. liquide est donc fluide et peu compressible. Sa viscosité est de l'ordre de 10 - 3 ou - 4 Pl. - À température encore plus basse, les forces d'attraction inter- atomiques devenant encore plus prépondérantes, la matière peut passer à l'état solide cristallisé, augmentant ainsi en général sa compacité. Les atomes sont alors ordonnés et à courte distance. Un solide cristallin est donc très peu fluide et très peu compressible. Sa viscosité est de l'ordre de 10 17 Pl. - Si l'abaissement de température s'effectue rapidement par rapport à la mobilité atomique, les atomes n'ont pas la possibilité de s'ordonner avant que l'arrêt de la diffusion ne les immobilise. Le liquide se fige alors en solide amorphe ou vitreux, les atomes y sont en désordre à courte distance. La viscosité d'un solide vitreux varie continûment avec la température depuis celle d'un liquide jusqu'à celle d'un solide, la limite liquide/solide s'établissant à une viscosité d'environ 10 15 Pl.

Figure 1.2Changements d"état

de la matière en fonction de la température.

Viscosité(Pa · s)

10 16 10 24
10 8 1 10 - 8 T

Fusion

solidificationT

Vaporisation

condensationTempérature (K)État gazeux

État liquideÉtat solide

vitreuxÉtat solide cristallin P001-358-9782100588299_INSRT-LLM.fm Page 3 Wednesday, December 26, 2012 4:42 PM La pression joue également un rôle dans les changements d'état de la matière (figure 1.3) : une augmentation de pression tend à élever les températures de changement d'état, car son action stabilise les états condensés (solide, liquide), par rapport à l'état dispersé (gazeux). Cet effet est perceptible sur la plupart des matériaux (à l'exception notable de la glace, forme solide de l'eau). Les matériaux étant destinés à la réalisation d'objets capables de résister aux manipulations et au moins aux sollicitations de leur propre poids, la suite de cet ouvrage est essentiellement consacrée aux matériaux solides, amorphes ou cristallins. Nous étudierons notamment comment ces matériaux se comportent lorsque les pièces qu'ils constituent sont sollicitées en service (figure 1.4).

Figure 1.3Variation des états physiques

en fonction de la pression et de la température.

Pression

Température

Gaz

Liquide

État

sur-critique

Solide

SublimationVaporisation

Point critiqueFusion

Point triple

Figure 1.4Types de sollicitations subies par un matériau en service. Temps

Particules

et rayonnements

électromagnétiquesSollicitations chimiques

Sollicitations mécaniques

Température

P001-358-9782100588299_INSRT-LLM.fm Page 4 Wednesday, December 26, 2012 4:42 PM

PARTIE 1

COMPOSITION

ET STRUCTURE

P001-358-9782100588299_INSRT-LLM.fm Page 5 Wednesday, December 26, 2012 4:42 PM P001-358-9782100588299_INSRT-LLM.fm Page 6 Wednesday, December 26, 2012 4:42 PM © Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Chapitre 2

Composition chimique

des matériaux

2.1 CLASSIFICATION DES ÉLÉMENTS

CHIMIQUES

Les atomes des éléments chimiques diffèrent par leur structure à l'échelle subatomique, c'est-à-dire le nombre et la nature des particules élémen- taires qui les constituent : - noyau : protons et éventuellement neutrons; - cortège électronique gravitant autour du noyau : électrons en nombre égal aux protons dans un atome à l'équilibre. Les protons sont chargés positivement et les électrons négative- ment, de charges élémentaires égales en valeurs absolues, de sorte que

Figure 2.1Exemple de l'atome de lithium.

_ _ _- 3 électrons - 3 protons numéro atomique (nombre de protons) Z=3

Noyau :

- 3 protons - 4 neutrons masse atomique (nombre de protons et de neutrons) A =7 P001-358-9782100588299_INSRT-LLM.fm Page 7 Wednesday, December 26, 2012 4:42 PM l'atome est électriquement neutre à l'état d'équilibre (figure 2.1). La masse de l'électron est négligeable devant celle du proton ou du neutron (tableau 2.1). Les orbites des électrons occupent dans un atome des couches succes- sives, correspondant à des niveaux d'énergie discrets, qui deviennent des bandes dans les solides regroupant plusieurs atomes. Ces niveaux ne peuvent contenir qu'un nombre limité d'électrons : deux pour le premier, huit pour les niveaux suivants (du moins lorsqu'ils se trouvent en position externe), et ils sont séparés par des bandes interdites. On appelle énergie de Fermi de l'atome considéré la limite supérieure du remplissage des états d'énergie électroniques à l'équilibre thermodyna- mique et au zéro absolu.

Tableau 2.1MASSES ET CHARGES

ÉLECTRIQUES DES PARTICULES ÉLÉMENTAIRES.

Tableau de classification périodique des éléments chimiques ou tableau de Mendéléiev. (Tableaux 2.2 et 2.3). Les lignes ou périodes sont les niveaux successifs des couches électroniques. Les colonnes ou groupes sont le nombre d'électrons dans la couche externe.

À partir du

deuxième élément de la quatrième période (calcium), les couches électroniques internes peuvent recevoir plus de huit électrons; des éléments supplémentaires s'intercalent donc avant le passage au groupe suivant. Les propriétés chimiques d'un élément proviennent essentiellement de ses électrons, et en particulier de ceux de la couche externe, appelés électrons de valence; ces propriétés sont donc liées au groupe (colonne du tableau de classification périodique) auquel il appartient.

ParticuleMasse (au repos)Charge électrique

Électron 9,110 · 10

- 31 kg- 1,602 · 10 - 19 Cquotesdbs_dbs9.pdfusesText_15

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Michel Dupeux

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Michel DUPEUX

AVERTISSEMENT

Table des matières

1.1 Définition 1

1.2 Propriétés 2

PARTIE 1 : COMPOSITION ET STRUCTURE

2.1 Classification des éléments chimiques 7

2.2 Liaisons chimiques 12

2.3 Classification des matériaux et des propriétés 13

3.1 Solides amorphes 17

3.2 Solides cristallins 21

3.3 Effets de la composition chimique 30

3.4 Défauts cristallins 32

VIIITable des matières

3.5 Effets de la température 38

3.6 Principales techniques de caractérisation chimique et structurale 45

4.1 Changements de structure dans un matériau 59

4.2 Diagrammes d"équilibre de phases 62

5.1 Thermodynamique des transformations de phases 77

5.2 Transformations diffusives 79

5.3 Transformations displacives 86

5.4 Applications : notions de base des traitements thermiques 88

PARTIE 2 : PROPRIÉTÉS

6.1 Déformation élastique des solides 93

6.2 Déformation plastique des solides 96

6.3 Comportement mécanique quasi-statique 106

6.4 Ténacité et rupture 124

6.5 Comportement mécanique dynamique 128

6.6 Fractographie 131

7.1 Masses volumiques 137

Table des matièresIX

7.2 Propriétés électriques 139

7.3 Propriétés magnétiques 144

7.4 Propriétés optiques 147

7.5 Propriétés thermiques 151

8.1 Vieillissement 157

8.2 Corrosion 161

8.3 Frottement et usure 171

IMPACT SANITAIRE, RECYCLABILITÉ

9.1 Coût en énergie 173

9.2 Risques sanitaires, toxicité 175

9.3 Recyclage 186

PARTIE 3 : PRINCIPAUX MATÉRIAUX USUELS

10.1 Désignation normalisée des métaux et alliages 193

10.2 Fer et alliages ferreux 214

10.3 Aluminium et alliages d"aluminium 232

10.4 Cuivre et alliages cuivreux 237

10.5 Zinc et alliages de zinc 242

10.6 Magnésium et alliages de magnésium 243

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10.7 Titane et alliages de titane 245

10.8 Nickel et alliages de nickel 246

10.9 Terres rares248

10.10 Méthodes de mise en oeuvre des métaux et alliages 249

10.11 Guide d"identification des métaux et alliages 250

11.1 Généralités 255

11.2 Principaux polymères thermoplastiques 265

11.3 Principaux polymères thermodurcissables 270

11.4 Principaux élastomères 270

11.5 Biopolymères 274