Institute of Materials Science and Engineering 1

Découvrir les propriétés des matériaux au travers de quelques

expériences simples

M. Rappaz Section et Institut des Matériaux

Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne IMX-STI, station 12, CH-1015 Lausanne

Colloque pour les Enseignants du Secondaire EPFL 26 septembre 2012

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1.  Evolution du nombre et des caractéristiques des étudiants arrivant à l’EPFL - STI

2.  Contenu du cours « Introduction à la science des matériaux »

3.  Quelques manips simples

4.  Conclusion

Contenu de la présentation

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Evolution du nombre total d’étudiants à l’EPFL:

1. Nombre et caractéristiques des étudiants

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Le cours d’Introduction à la Science des Matériaux (ISM) est donné à tous les étudiants de 1ère année de la faculté STI (2h cours/1h exercices). Le nombre d’étudiants inscrits en 1ère année pose certains problèmes…

1. Nombre et caractéristiques des étudiants

EL GM MT MX Total 2012 74 256 184 91 605 2011 69 185 159 81 494

% 7.2 38.4 15.7 12.3 22.5

Pré-inscrits fin août en STI

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Evolution du nombre d’étudiants inscrits en matériaux: Année propédeutique (orange), master (jaune) et BA+MA (vert)

1. Nombre et caractéristiques des étudiants

0

50

100

150

200

250

Nb

of s

tude

nts

"BA 1st year" "MA 1st year" Total

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Le cours ISM :

  est enseigné à tous les étudiants de la faculté STI (plus de 500 étudiants en électricité, matériaux, mécanique et microtechnique)

  est fortement basé sur le dernier livre de M. Ashby et al. (Materials: Engineering science, processing and design)

  est quasiment le seul cours « métier » de 1ère année STI   essaie de faire le lien entre les procédés d’élaboration, les

propriétés et l’utilisation dans le monde courant des matériaux   essaie de prendre en compte les « caractéristiques » des

étudiants actuels:

1. Nombre et caractéristiques des étudiants

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Le cours ISM essaie de prendre en compte quelques “caractéristiques” des étudiants actuels:

  Dominance des images et des représentations visuelles des phénomènes du monde réel

  Difficulté d’abstraction   Difficulté de concentration   Importance de l’interconnectivité et des réseaux sociaux   Tendence à zapper et à travailler en multi-tâches   Attitude ECF (Easy, Cool and Fun)

1. Nombre et caractéristiques des étudiants

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2. Contenu du cours ISM

1.  Introduction

2.  Atomes, molécules et liaisons

3.  Structure des matériaux I

4.  Structure des matériaux II

5.  Propriétés mécaniques: Elasticité linéaire

6.  Propriétés mécaniques: Plasticité et ductilité

7.  Propriétés mécaniques: Ténacité et dureté

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2. Contenu du cours ISM

8.  Propriétés mécaniques: Fatigue et usure

9.  Propriétés thermiques

10.  Comportement à haute température

11.  Diagrammes de phases

12.  Transformations de phases

13.  Propriétés électriques et magnétiques

14.  Propriétés optiques, résumé du cours et film

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Nano-cristaux d’Ag sur ZnO

www.microscopy.ethz.ch/catalysis.htm

Spots de diffraction

Film avec un écran phosphorescent

Echantillon

Principe de la diffraction de Laue

pwatlas.mt.umist.ac.uk/.../diffraction/laue.html

Pour voir la structure d’un cristal de manière indirecte, on utilise la diffraction de rayons X (ou d’électrons). On peut montrer de manière simple les similarités qu’il y a entre la diffraction de la lumière et la microscopie optique.

3. Quelques manips simples

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On peut utiliser de l’acétate de sodium pour illustrer la solidification d’un liquide en surfusion

A. Dahle, Uni. Queensland

3. Quelques manips simples

40 µm

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On peut aussi utiliser le rebond d’une bille de roulement sur différentes surfaces pour mettre en évidence la dureté, et donc indirectement la limite élastique, de divers matériaux.

Cuivre

3. Quelques manips simples

Vickers

Surface A

F

Ni - Cr - Mo - Ti Matériau fragile

136°

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La ténacité d’un matériau, c’est-à-dire sa résistance à la propagation d’une fissure, peut être démontrée à l’aide d’un ballon en caoutchouc.

3. Quelques manips simples

Eprouvette avec entaille

F

F

F

F

Plastification autour

de l’entaille

Fracture

Matériau ductile

Matériau fragile

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Bien évidemment, le web est une très grande source de démonstrations “indirectes”

Vibration d’un diapason quartz vue par lumière stroboscopique

en grande amplitude

Courtesy Microcrystal, CH

Simulation de dynamique moléculaire d’un cristal de

MgZn2 http://www.urp.dk/

ulf.pedersen@tuwien.ac.at

3. Quelques manips simples

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Mis à part une caméra et un microscope USB, le stylo digitaliseur peut être très utile pour faire (et stocker) des développements

En prenant un potentiel de Lénard-Jones pour représenter les forces entre atomes:

On peut montrer que: E =

72ε0 r0

3 V

r r0

-ε0

E mesure la “courbure” de ce potentiel

V = ε0 ⎣⎢⎢⎡

⎦⎥⎥⎤

⎝⎜⎜⎛

⎠⎟⎟⎞

r0 r

12 - 2

⎝⎜⎜⎛

⎠⎟⎟⎞r0

r 6

3. Quelques manips simples

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4. Conclusion

  De nombreuses applications étant actuellement limitées par les propriétés des matériaux, il est important d’éveiller les élèves et les étudiants à ce domaine, pas forcément encore très connu.

  Il est possible de faire des manips très simples qui vont susciter leur curiosité, ce qui est une étape indispensable avant d’aller plus avant dans la théorie.

  Une telle approche doit permettre de transformer l’attitude ECF des élèves/étudiants en attitude DRA (Difficult, Rigorous and Abstract)

Cours sur http://moodle.epfl.ch/course/view.php?id=6251

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Outils numériques utilisés

  Stylo digitaliseur: Iris Note http://www.irislink.com/c4-2193-225/IRISNotes-2--Stylo-digital.aspx

  Caméra numérique: Logitech Webcam Pro C920 http://www.logitech.com/fr-fr/webcam-communications/webcams/hd-pro-webcam-c920

  Microscope USB 200x : PCE MM 200 http://www.pce-france.fr/fiches-mesureurs/microscope-pce-mm-200.htm