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Plan
Introduction Rappels structure de la matière défauts dans les matériaux et propriétés Diagramme binaire solide liquide
I -Les différentes classes de matériaux- les matériaux métalliques- les matériaux semi-conducteurs- les céramiques- les polymères- les matériaux composites
II - Critères de choix d ’un matériaux et caractérisationIII - Quelques exemples de matériaux récents « high-tech »
- boîtes de bière et aube de turbine…- un alliage étonnant : l’INVAR- la métallurgie des poudres- les supraconducteurs- les nanomatériaux- les polymères conducteurs- les vitres « intelligentes »
3
La science des matériaux ?
- nouvelle discipline dans l ’enseignement…- la plus ancienne science de l ’humanité...
-2.400.000 : silex -5.000 : poterie -3000 : bronze -1500 : fer….
En pleine évolution...
- nouveaux alliages- céramiques haute technologie- matériaux composites- nouveaux textiles- nouveaux bétons...
Bibliographie : M.F. Ashby, D.R.H. Jones - Matériaux tome 1 - propriétés et applications tome 2 - microstructure et mise en œuvre Dunod - 1991
Verre :- carton (lait, jus de fruits..)- plastique (PVC) (huile, eau..)- métal (bière, soda..)
Verre électrochrome
Évolution dans les performances et dans les utilisations
4
Perception de la science des matériaux…
souvent celle du XIXème siècle…
science clefdu XXIème siècle !
environ la moitié des matériaux utilisés aujourd’hui n’existait pas il y a 20 ans
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Science desmatériaux
chimie
corrosion
thermodynamique
Techniquesd ’analyse
Microscopie électroniquemicroanalyseSIMSanalyse de surface etc...
Statistique
Fiabilité...
mécanique
Mécaniquede la rupture
Dynamique desdislocations
Plasticité, élasticité..
La science des matériaux fait appel à de nombreuses sciences ou techniques…
Simulation numériqueet modélisation
Ab-initiodynamique moléculaireMonte CarloEléments finis…
Une bonne connaissance des matériaux et de leurs caractéristiques peut avoir une importance capitale
Physiquedu solide
Mécanique quantiquemagnétismecristallographie
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28 Janvier 1986 - 11h38 – lancement de Challenger
L’origine :défaillance d’un jointpolymère d’étanchéité d’un des boosters àpoudre
La cause :durant la nuit la température est descendue jusqu’à-13°C au niveau des boosters.Au moment du lancement, elle n’était encore que de-2°C au niveau des joints… et donc inférieure à la température de transition du polymère… d’où une perte de sa résilience et de sa souplesse…
Malgré l’avis des techniciens de Morton Thiokol,fabriquant des joints, d’attendre que la températuresoit supérieure à +12°C, la NASA ordonne le départ !
bilan pour un simple joint de quelques $ : 7 morts, des millions de $ et un arrêt de 3 ans…
Explosion de la navette
73 secondes après la mise à feu…
7
Les matériaux métalliques
Aciersalliages d ’Al, de Ti, de Ni
de Zn, de Zr etc….
Les céramiques- céramiques- verres- poteries- ciments et bétons- roches...
Les semi-conducteurs
Si, Ge, AsGa, InP...
Les polymères
- naturels- artificiels- synthétiques thermoplastiques thermodurcissables élastomères
Les matériauxcomposites
céramique-polymèrecéramique-métalcéramique-céramique
Nanomatériaux ?
fullerènesnanotubesnanostructures…
bio-matériaux
Les différentes classes
de matériaux
est-ce vraimentune classe ?
8
-1.000 0-10.000-100.000-1.000.000
paléolithique inférieurm ésolithique
néolithique paléolithique supérieur
paléolithique m oyen
-80.000 -35.000 -8.000 -4.000 -1.800
feulangage
biface éclats élevageculture
pierre polieoutillage
Europe
Moyen Orient
(Irak)Au, Cu bijoux (Au)
(Egypte)
bronze (Cu/Sn)(Ur, -3.500)
-1.700, -1.500Fer
(Hittites)
-800 Inde
-500Chine
Danube Europecentrale
(-700) Gaule(-500)
Angleterre(-300)
age du fer
l'age des m étaux
hom o sapiens-sapiens
neandertalienshom o erectus
hom o habilis(cro-m agnon)
poteriepierre
Petite histoire des matériaux...
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0
0
-10000
-10000
-5000
-5000
1000
1000
1500
1500
1800
1800
1900
1900
1940
1940
1960
1960
1980
1980
1990
1990
2000
2000
2010
2010
2020
2020
m étaux
polymèresélastomères
composites
céramiques verres
Or Cuivrebronze
fer
acier
acier allié
alliages légers
super alliages
alliages de Ti, Zr ...
fonte
métaux amorphesalliages Al-Li
austéno-ferritiques
nouveaux super alliagesbois
peaux
fibres
colles
caoutchouc
bakelitenylon
PEPMMA
PC PS PPacryliques
epoxy
polyesters
polymères haute température
haute résistance
torchis papier
kevlar
com posite m atrice m étallique
compositescéramiques
pierre
poterieverre
ciment
réfractaires
cimentportland
cermets pyrocéram iques
céram iqueshaute technologie
sialon, PSZ...
silex
Michael F. AshbyMRS Bulletin - Juillet 1993
Histoire des m atériaux
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O 47,34%
Si 27,74%
Al 7,85%
Fe 4,5%
Ca 3,47%
Na 2,46%
K 2,46%
Mg 2,24%
Composition de la croûte terrestre
météorites :- chondrites (manteau) silicates avec 3 à 7% Fe
- lithosidérites (2%) 50% Fe-Ni - 50% silicates
- sidérites (5%) 92% Fe - 7% Ni (noyau)
enveloppe externe (liquide)
m anteau (silico-alum inates) 2900km
croûte (50km )
graine centrale (solide)noyau (Fe-5à7% Ni)
1000 2000 3000 4000 5000 6000 km
composition dela croûte terrestre(en masse)
Matériaux et éléments chimiques : origine et teneur
11
Échelles de temps et d’espace en physique
12
Rappel sur la structure de la matière à l’état condensé
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exemple des matériaux métalliques
échelle macroscopique
(>mm)
Fer : structure polycristalline
100 µm
échelle mésoscopique(10 – 100µm) 10 Å (1 nm)
monocristal de Fer(maille cubique centré)
échelle microscopique(0,1 – 10 µm)
atome de fer
1 Å (0,1 nm)
noyauélectrons
(26)
échelle nanoscopiqueou atomique (<10nm)
14
atome
1 Å (10-10m)
1 µm (micro) : 10-6 m1 nm (nano) :10-9 m1 pm (pico) : 10-12 m1 fm (femto) : 10-15 m
1 F (Fermi)=1 fm1 am (atto) : 10-18 m
10 fm (10-15m)
noyau Fe :- 56 nucléons (A)- 26 protons (Z)- 30 neutrons
noyau
structureélectronique
électrons de valence
électrons de coeur
1s
2s
2p
3s
4s
3p
3d}
}
} L
M-N
K
é ner
gie
vide0
7113 eV
846,3 eV
720,8 eV707,5 eV
92,9 eV
54,0 eV
53,9 eV
<10 eV
6262622 3433221 dspspss
structure électronique du Fe
15
16
17
18
19
Electronégativité
20
En résumé
21
Structure électronique et liaison chimique
1s
2s
2p
3s
4s
3p
3d}
}
} L
M-N
K
éner
gie
v ide0
7113 eV
846,3 eV
720,8 eV707,5 eV
92,9 eV
54,0 eV53,9 eV
<10 eV
Structure électronique d’un atome isolé(atome de fer, 26 électrons)
structure quantifiée : distribution par orbitalesélectroniques selon le principe d ’exclusionde Pauli (2 électrons au maximum par orbitale)
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
Atome isolé
liaisons fortes
covalente
métallique
ionique
liaisons faibles
électrostatique
Van der Waals
hydrogène
matériau(ensemble lié d’atomes)
liaison chimique
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23
Liaison covalente
24
Liaison ionique
25
Liaison métallique
26
Liaisons faibles
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28
Dans les matériaux cristallins, les orbitales liées aux électrons de valence se subdivisentet forment des bandes de niveaux (bande de valence et bandes de conduction)
E F
E F
E FE FE g
énergiesélectroniques
conducteur isolant semi-conducteur intrinsèque
semi-conducteur dopé, type n
0
1) Dans un métal, la bande de conduction est en partie remplie, ce qui permet aux électrons dese déplacer facilement sur des niveaux libres inoccupés
2) Dans un isolant, la bande de valence et pleine, la bande de conduction vide mais ces 2 bandes sont séparées par une large bande interdite (5 à 10 eV)
3) Dans un semi-conducteur, la structure de bande est celle d’un isolant, mais la largeur de la bande interdite est beaucoup plus étroite (0,5 à 2 eV)
La présence d’impuretés facilitent le transfert des électrons de la bande de valence vers la bande de conduction
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Architecture atomique
Ordre à courte distance
Architecture atomique
Ensemble d’atomes: ordre et désordre
L ’architecture atomique, c’est la disposition des atomes dans l’espace et les relations
géométriques qui en découlent.
En ce sens, les gaz représentent le désordre complet puisque la position d’un atome par rapport à un autre est tout à fait arbitraire. En mouvement continuel.
À l’opposé, les solides cristallins démontrent un ordre parfait puisque la position d’un atome par rapport à un autre est bien définie.
* Les atomes ne sont pas en contact et occupent tout l’espace disponible (compressible)
* Expansible (occupe tout le volume proposé)
* PV = nRT
* Les atomes sont toujours en mouvement (aucun ordre)
Les gaz
* Atomes sont en contact (incompressible)
* Ordre à courte distance
* Arrangement irrégulier (au hasard) dans l’espace
* Conséquence isotropie- les propriétés des corps isotropes sont les mêmes quelque soit la direction selon laquelle on les mesure.
Liquide ou solide amorphe
* Liquide
* Les groupe d’atomes sont toujours en mouvement
* Viscosité du liquide dépend, entre autre, de la taille et de la forme des groupe d’atomes
* Symétrie
* Ordre à longue distance
* Arrangement régulier dans l’espace
* Conséquence anisotropie
Solide cristallin
* Etat cristallin
* Quand on refroidit un liquide, le mouvement des atomes est suffisant pour que chacun se positionne dans le système cristallin. En devenant cristallin, la plupart des liquides diminue de volume (compacité optimale) Exception : la glace
* Toutefois, si on refroidit rapidement (trempe), on « fige » les atomes en place...
L’état amorphe
* Les matériaux amorphes présentent des propriétés différentes des matériaux cristallins.
* Ils peuvent être plus réactifs :
- structure instable (figée à des conditions de température + élevée)
- structure plus « ouverte » laissant passer les éléments étrangers
Etat cristallin
Notions de cristallographie Systèmes et réseaux cristallins
* Maille primitive
7 systèmes cristallins
nœuds supplémentaires
au centre des bases (BC)
au centre des faces (FC)
au centre de la maille (C)
+
= 14 réseaux de Bravais
Réseaux de Bravais
Métaux : cas étudiés
cubique centré (c.c.)
cubique à faces centrées (c.f.c.)
hexagonal compact (h.c.)
* Indexation des directions - [u v w] : entiers sans
dénominateurcommun -
vecteur r=ua+vb+wc
* Nœud (x; y ;z)
Repérage des directions et des plans
Représenter dans le système cubique les rangées [100]; [110] et [111] et les plans (100); (110) et (111)
* Indexation des plans - Indices de Miller (h,k,l) inverses des intersections du plan avec les trois axes du cristal, en fonction des longueurs a, b et c. - détermination des indices : 1- déterminer les points
d’intersection (l’origine des 3 axes ne doit pas être dans le plan)
2- prendre les inverses 3- réduire les 3 fractions au plus
petit commun dénominateur 4- prendre les numérateurs
- famille de plans : (hkl)
Densité des nœuds et compacité
* Densité de noeuds(a) exemple de calcul sur une rangée : maille c.f.c.
direction [100]
[100]
x
y
z a
[100]
x
z
a
d a a
2
12 1
* Densité de noeuds(b) exemple de calcul sur une surface : maille c.f.c.
plan (100)
d a a
4
14
12
2 2
(100)x
y
z a
y
z a
(100)
* Compacité- volume des atomes p/r au volume de la maille- exemple : Cu (c.f.c.)
r
a
Calculer la compacité dans le cas du cuivre
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46
Solide ionique
47
Solution solide
48
Site interstitiel
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
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Les propriétés chimiquesdes matériaux
Propriétés des matériauxA - Miscibilité totaleB - Miscibilité partielleC - Diagrammes complexes
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Définitions* Les matériaux utilisés sont rarement des corps purs
- ex.: alliages, acier, etc.
* Composant - corps chimiquement pur (Tf définie)- ex.: élément simple (Fe, Cu, Al, C, etc.) composés de proportions fixes (NaCl. Al2O3, etc.)
* Phase- régions homogènes d’un corps caractérisée par une structure et un arrangement atomique identique
- ex.: H2O à 0°C; H2O + huile
* Constituant - phases mélangées mais non confondues- ex.: l’eutectique
71
* Diagramme d’équilibre - sert à représenter les domaines de stabilité des phases en fonction de plusieurs variables :
>>> la température>>> la composition (% massique)>>> la pression obtenue par des changements lents
Diagramme de phase typique pour un seul composant
Permet de représenter les domaines de stabilité des phases et les conditions d’équilibre entre plusieurs phases
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Pour ce qui est des phases liquides et solides, la pression n’a que peu d’influence et peut être négligée, ce qui permet d’étudier sous un diagramme 2D l’effet de la température et de la composition.
Diagramme d’un système binaire
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A. Miscibilité totaleSystème binaire
Miscibilité = formation d’un mélange parfaitement homogène. Donc une miscibilité totale à l’état solide signifie que, lorsque le système est solidifié, il ne reste qu’une seule phase en présence.
À une température donnée, la composition des phases en équilibre est donnée par les intersections de l’isotherme avec le liquidus et le solidus. Donc à i, pour un alliage ayant une composition C0, la phase solide a une composition CS tandis que la phase liquide a une composition CL
L’intervalle de solidification est donné
par
L - S
74
* Solidification d’un corps pur - elle s’effectue à température constante
ex.: Cu 1083°C Ni 1453°C
Tem
péra
ture
Temps
L
SL + S
* Solidification d’un mélange - elle s’effectue sur un intervalle de température ex.: Mélange 50% Cu 50% Ni entre 1320°C et 1230°C
Tem
péra
ture
Temps
L
S
L + S
75
Tem
péra
ture
Composition
?
C0 CLCS
Liquide
Solide
L + S
fSfL (proportion
de liquide)
ftot = fL + fS = 1
lLlST
Suivant la loi de la conservation de la masse et la règle des bras de levier (valide pour les domaines biphasés des diagrammes binaires), il est possible de calculer les proportions relatives de chacune des phases.
- analogie avec une balance
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Pour garder l’équilibre,
F = 0 fL + fS = 1
M = 0 fL lL = fS lS
ou, lS = CO - CS lL = CL - CO
fC C
C CSL O
L S
fC C
C CLO S
L S
Fraction solide
Fraction liquide
Nous obtenons donc par substitution:
77
Exemple - alliage 40% Cu - 60% Ni à 1300°C
CS CLCO
fC C
C C
f f
SL O
L S
L S
53 40
53 350 72
1 0 28
,
,
78
Donc, en résumé, le diagramme d’équilibre donne une représentation graphique du domaine de stabilité des phases.
Dans un domaine biphasé, il donne...
(a) les phases en présence (L, S)
(b) la composition de chacune des phases en équilibre à une température donnée
(c) la proportion des phases en présence dans le cas d’un alliage de composition C0
79
Règle générale, pour que deux composants soient entièrement miscibles à l’état solide, quatre conditions doivent être remplies:
(a) différences de diamètres atomiques inférieures à 15%
(b) mêmes structures cristallines
(c) valences égales
(d) électronégativités semblables
80
B. Miscibilité partielleSi les règles de miscibilité ne sont pas entièrement satisfaites, on aura une miscibilité partielle ou encore la formation de composés intermédiaires. Transformations eutectiques
Diagramme plomb - étain
- à l’état liquide miscibilité complète
- à l’état solide, solubilité maximale à 183°C
Sn dans Pb : 18% Sn Pb dans Sn : 2,5% Pb
81
Point eutectique (E)
à ce point, trois phases sont en équilibre à 183°C; degré de liberté nul 1 phase liquide (62% Sn)
2 phases solides : (18% Sn) (97,5% Sn)
Point eutectique
82
Eutectique (CE = 62 % Sn) Hypoeutectique (18 % Sn < C < 62 % Sn) Hypereutectique (62 % Sn < C < 97,5)
Solidification d’alliages de différentes compositions (a) composition eutectique C = CE = 62% Sn
CE = 62% Sn
constituant eutectique : solide biphasé,agrégat des phases et de composition moyenne CE
: noir : blanc
L à 183°C
83
(b) composition hors eutectique
si C < CE : hypoeutectiquesi C > CE : hypereutectique
ex.: alliage hypoeutectique 30% Sn
microstructure225°C
184°C
L
20°C
: noir : blanc
C = 30% Sn
84
(b) composition hors eutectique (suite)
Résumé et microstructure
85
(c) composition d’un alliage monophasé
ex.: Sn < 18%
C = 10% Sn
à la température ambiante :solide biphasé,phase (phase principale)phase précipitée
limite de solubilité de Sn dans Pb
entre 130°C et 400°C, miscibilité complète
microstructure
300°C
200°C
L
20°C
86
Exemple: alliage Ag-Cu
87
88
C. Diagrammes complexesPhases intermédiaires
Diagramme plomb – bismuth- phase intermédiaire - point péritectique :
transformation d’une phase solide et d’une phase liquide en une nouvelle phase solide unique (L+)
Point péritectique
Point eutectique
89
Diagramme cuivre - magnésium - phases intermédiaires et - 3 diagrammes distincts, chacun présentant
une transformation eutectique
90
Diagramme fer-carbone
Aciers et fontes%C < 2% aciers%C > 2% fontes
Phases : ferrite (c.c.) : austénite
(c.f.c.) : ferrite (c.c.) Fe3C : cémentite
eutectique
eutectoïde
91
Ferrite (phase - solution solide de C (max 0,02%)
dans le fer de structure cubique centrée
Austénite (phase - solution solide de C (max 2,1%) dans le fer de structure cubique à faces centrée
Cémentite - carbure de fer Fe3C (max 6,68% C)
Perlite - mélange «eutectoïde» de lamelles de ferrite et de cémentite créé par la décomposition de l’austénite (0,8% C)
Transformations allotropiques
Transformations eutectiques L + Fe3C
Transformations péritectique L +
Transformations eutectoïde + Fe3C
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Propriétés mécaniques des matériaux
• Contrainte
• Déformation
• Loi de hooke
93
Endommagement et rupture des matériaux
Définition des type de contraintes appliquées :
traction-compression
flexion plane
flexion rotative
torsion
cisaillement
sollicitationssimples
autres caractéristiques :- ténacité (résistance au déchirement)- résilience (résistance au choc)
94
containte
déformation
Edébut de la striction
rupture
déformation plastique après rupture
déformation de 0,2%
résistance à la traction R m
lim ite d'élasticité R 0
lim ite d'élasticité conventionnelle R 0,2
définition des principalescaractéristiques mécaniques
Domaine plastique :déformation irréversible
déplacement dedislocations dans le réseau cristallin
module d’élasticité(module de Young)
Domaine élastique :déformation réversible
= /E
déplacement réduit des atomesautour de leur site cristallographique
Loi de Hooke
95
10 -4
10 -3
10 -2
0,1
1
10
100
1000
polymères expansés
caoutchouc
PVC
bois ( )nylon
béton
bois (//)
AlAu
fonteinoxFe
Al2O3
diamant
module de Young
10 4
10 3
1
10
0,1
100
polymères
caoutchouc
PVC
bois
nylon
bétonAl Au
fonteinox
Fe
Al2O3SiCdiamant
résistance àla rupture
0
GPaMPaEchelles des valeurs
(module de Youngrésistance à la rupture)pour divers matériaux
96
Origine de la déformation plastique et du durcissement
La déformation plastique est due à la création et au déplacement de défauts cristallographiques :les dislocations…
dislocation « coin »
dislocation « vis »
Sous l’action d’une contrainte, le cristal se déforme ; tant que lacontrainte reste en dessous d’un certain niveau, cette déformation reste réversible (déformation élastique), les liaisons atomiquesrestant intactes…Au delà d’une certaine valeur (limite élastique), des liaisons se rompentlocalement et une dislocation apparaît.Le défaut se propage ensuite dans le cristal jusqu’à l’émergence, laissantune déformation permanente (déformation plastique).
97
Il est en effet plus simple de créer une petite déformation et de la propagerque de déplacer l’ensemble des atomes simultanément..(Cf déplacement de la chenille ou d’un tapis)…
Tout obstacle qui s’oppose au déplacement de la dislocationentraîne une augmentation de la limite élastique, il y a« durcissement »…Ce durcissement pouvant conduire à la rupture s’il devient tropimportant
98
Pour un matériau donné, la limite élastique dépend de la facilité avec laquelle les dislocationspeuvent se déplacer ou au contraire être bloquées…des atomes en substitution ou en insertion, des précipités, des inclusions, d’autres dislocations…sont autant d’obstacles au déplacement d’une dislocation
limiteélastique
(MPa)
10
100
1000
10000
fer pur monocristallin (aucun défaut)
acier doux (C<0,02%)
acier doux (C<0,02%) à grains fins
fer pur polycristallin et écroui
acier (C<0,5%)
acier (C<0,5%) durci (martensite)
99
sollicitations simples
quelques types de ruptures simples dans les métaux
rupture par clivage(rupture selon certains plans cristallographiques)
métaux, minéraux
rupture fragile(rupture au niveau des joints de grains)
rupture ductile(rupture au niveau d’inclusions)
inclusions
cavités
cupules
100
sollicitations complexesfatigue
Sollicitations répétées sous contrainte faible (inférieure à la contrainte de rupture)- Amorçage local possible d’une fissure ( surintensité de contrainte)- propagation de la fissure à chaque application de la contrainte- consolidation du matériau à chaque arrêt- reprise de la propagation avec décalage (« stries »)- rupture rapide dès que la surface restant ne permet plus de résister…
amorce
propagationlenterupture
concerne tous les types de matériaux…
101
exemple de rupture de fatigue
fuselage d’un Boeing 737 (1988)
des ruptures similaires eurent lieu sur lespremiers jet (Comet), les fissures de fatigueayant pris naissance au niveau des hublots
rupture d’une roue d’engrenagelors d’un essai de survitesse(fatigue en flexion rotative)
102
la fissure a pris naissance au niveau d’une inclusion d’oxyde (silico-aluminate) appartenant au moule ayant servi à la fabrication de l’aube.
cette particule a fragilisé la pièce, une fissure est apparue, s’est propagée puis lorsque la section de l’aube est devenue insuffisante pour supporter la contrainte la rupture s’est produite…
rupture d’une aube de turbine en acier mouléspectre de rayons X
103
fluage
- contrainte faible et constante- température élevée (>500°C)- durée importante (ans)
rupture par fluage
corrosion sous contrainte
- une contrainte appliquée ou interne- un milieu corrosif particulier
simultanémentfissuration
éprouvette en « selle de cheval »(tube en alliage de Ni) pour l’étudede la corrosion sous contrainte- contraintes internes résiduelles - milieu : eau
contraintes fissures
tube de générateur de vapeurfissuré en service par CSC dans sa partie coudée (contrainte)
104
Cas des aciers ferritiques (aciers courants) : la fragilisation par le froid…
résilience(résistance aux chocs)
température
domaine ductiledomaine fragile
températurede transition
ductile-fragile
Après une utilisation prolongéeà haute température, la températurede transition augmente plus ou moins.
Un retour à la température ambiantesous tension peut provoquer unerupture brutale !
De même, un séjour dans des conditionsde froid intense peut provoquer unerupture.
exemple : un Liberty-Ship dans le portde Mourmansk en 1943
Un maintien prolongé à haute températurepeut provoquer pour certaines nuancesd’aciers ferritiques une augmentationprogressive de la température de transition
105
- variation de la résilience, de la température de transition ductile-fragile
essais de résilience (essais Charpy)
106
rupture d’une barge aux USAdurant un hiver violent
rupture d’un câble de soutien du pont de Sully-sur-Loiredurant l’hiver 85, ayant entraîné la chute du pont
