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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
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Elastomères(caoutchouc, silicones..
Polymères,Thermoplastiques
(polystyrene,polyéthylène,PVCThermodurcissables
(résines)Mousses
(polystyrène expansé)
Boissoie
Matériaux Naturelscoton, cuir
papier
Matrice céramique
MatériauxComposites
Matrice métalliquematrice polymère
Verresbétons
Céramiques,verres
céramiques techniques(alumine, diamant,..
Porcelaine
AciersAluminium
or
Métaux et alliagesbronzefontes……...
1. Introduction
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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 ya 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 liquide15e 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 distillation1784 Four de puddlage (Cort) : décarburation de la fonte par brassage1824 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’acier1856 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/Hall1899 Première matière plastique de synthèse : la galalithe (W. Krische et A. Spitteler)1905 Aciers inoxydables : début de la production industrielle et de la classification1909 Métallurgie des poudres1909 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’ingénieur1929 Béton précontraint1931 Caoutchouc synthétique (néoprène) (J. Nieuwland)1937 Nylon (W. Carothers) et PVC1947 Fonte à graphite sphéroïdal1947 Invention du transistor au germanium (Bell : J. Bardeen, W.H. Brattain, W.B. Shockley)1947 Céramiques piézoélectriques : aiguilles de phonographe en titanate de baryumv. 1950 Multiplication des polymères synthétiques, composites1951 La microscopie à champ ionique montre des atomes pour la première fois1952 Verre flotté (Pilkington) : production de vitrages en continu1953 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 optiques1968 Affichage par cristaux liquides (RCA)v. 1980 Béton hautes performances (exemple : ponts à très grande portée)1985 Fullerènes (C60)1991 Nanostructures2000 Béton ultra-hautes performances
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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
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Elaboration fontes et aciers
coulée
élaboration
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Élaboration Aluminium
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Élaboration du ZincDeux 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
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Élaboration du CuivreÀ 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.
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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
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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
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1 Propriétés mécaniques des matériaux
1.1 Qualités 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
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• 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
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• 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)
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1.2 Caractéristiques mécaniques des matériaux
• Modules d'élasticité
EG
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)
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• Résistance à la rupture
Charge 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=Fmax
S0
e=Fe
S0
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• 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)
- K1C facteur d'intensité de contrainte critique (unité : )
A%=
0
%=S
S0
mMPa
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- 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)
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• Résistance aux chocs ou résilience
- Energie absorbée lors de la rupture par choc en traction ou en flexion
(unité : J/cm2)
- 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)107106105104103
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• 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)
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• Seuil de non propagation en corrosion sous contrainte
- K1SCC = limite inférieure de K1C obtenue en milieu corrosif
- Valeur maximale de K1C 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
K1C
log(t)
K1SCC
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• Coefficient de frottement et vitesse d'usure
- Caractérisation de deux matériaux et de l'environnement (air, graisse…)
- Coefficient de frottement f
f =Pt
Pn
Pn
Pn
Pt
Pt
- vitesse d'usure proportionnelle à
(1) action normale de contact Pn
(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
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2 Essais mécaniques
Objectif : définir les principaux essais mécaniques
- définition du principe
- description des appareillages
- analyse des résultats, critique
- paramètres à prendre en compte
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2.1 Essai 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
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• 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
EprouvetteMors de serrage
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• Résultat : courbe de traction
- Courbe représentant l'effort F exercé en fonction de l'allongement ou de
la déformation
- Courbe contrainte – déformation
F
O
AB
OA : élastique linéaire (réversible)
AB : plastique (irréversible, non linéaire)
Déformation vraie : réelle = ln (1+)
Contrainte vraie : réelle = (1+)
O
vraie
conventionnelle
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• 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 =k0
S0
%=S
S0
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2.2 Essai 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)
=Mtx
IX
r
G =k0
IX
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2.3 Essais 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
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- 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°)
d2
HM =d2
4FHB =
2F
D (D - D2-d2 )
(surface apparente) (surface calotte sphérique)
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ab c
e = a-c
F0 F0 + F1 F0
HRC = 100 -e
0,002HRB (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
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2.4 Essais 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
Charpy Izod
Energie mesurée relative au type d'essai employé
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• 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
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• 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 Entaille
Rupture fragile Rupture ductile
KV
Température
Fragile Ductile
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2.4 Essais 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 alternées Contraintes répétées Contraintes ondulées
t
tt
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• Caractéristiques obtenues
- Diagramme de Wöhler
log(N)107106105104103
- 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
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2.5 Essais de ténacité
- Essais sur éprouvettes entaillées pour déterminer K1C
- 2 géométries : traction compacte (CT) ou flexion
- B : épaisseur, W : largeur, Y : fonction de la longueur d'entaille
K=PY
BW 1/2
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2.5 Essais 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
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t
0
t
t
0
t
Mise en charge
Courbes réellesCourbes théoriques
temps
Fluage primaire
Fluage secondaireFluage tertiaire
tR
Rupture
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• 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)
ε=C 0 σC1 t
C 2e−C
3T
Temps
Temps
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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