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Matériaux pour l’ingénieur
30 séances : cours et petites classes alternés
Equipe enseignante : • Y. Bienvenu (Centre des Matériaux)• N. Billon (CEMEF)• M. Blétry (Centre des Matériaux)• E. Busso (Centre des Matériaux)• S. Cantournet (Centre des Matériaux)• A.-F. Gourgues (Centre des Matériaux)• J.-M. Haudin (CEMEF)• L. Nazé (Centre des Matériaux)
Coordinateurs : A.-F. Gourgues [email protected]
J.-M. Haudin [email protected]
2
Matériaux et (nouvelles) technologies
Derrière les innovations technologiques.... se trouvent souvent les matériaux !
Propriétés gouvernées par des phénomènes
physiqueschimiquesmécaniques
communs à la plupart des matériaux
Etudier, comprendre et maîtriser ces phénomènes
base de conception
innovationintégrant les matériaux
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
3
Exemple : le Panthéon : un ouvrage révolutionnaire... en ruine ?
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Une hauteur et une minceur de parois exceptionnellesgrâce à un nouveau procédé : la pierre renforcée de barres de fer
C. Blasi, E. Coïsson, I. Iori, Engineering Fracture Mechanics 75 (2008) 379–388
4
Exemple : le Panthéon : un ouvrage révolutionnaire... en ruine ?
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Sous l’effet des chargements mécaniques... et du temps : effondrement !
- Ingénierie de pointe de l’époque : permiers essais de compression systématiques sur la pierre
- On ignorait l’existence du... fluage (déformation lente dans le temps)
C. Blasi, E. Coïsson, I. Iori, Engineering Fracture Mechanics 75 (2008) 379–388
5
Objectifs du cours « Matériaux pour l’ingénieur »
Quel matériau pour quel produit ?
Pourquoi ?
Comment ?
compréhension
maîtrise
des relations entre
mise en œuvre
(micro)structure
propriétés d’usage
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
6
Organisation du cours
Introduction et élaboration
comment synthétise-t-on les matériaux ?qu’y a-t-il dedans ?
4 séances
Mise en forme et propriétés
comment fabrique-t-on les matériaux ?pour quel usage et quelles performances ?
Tenue en service et ingénierie des matériaux
maîtriser la structure et les propriétés des matériauxdéterminer la durée de vie et la fiabilité du produitchoisir et maîtriser le « bon » matériau
13 séances
13 séances
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
7
Première séance : Structure de la matière à l’état condensé
Les « briques » constitutives des matériaux et les différentes échelles
du nm au cm : 7 ordres de grandeur !
atomes
liaisons
empilements atomiques
solution solide
assemblages de grains et de phases
Défauts : omniprésents et essentiels !
« 0D », 1D, 2D, 3D : nature et effets
Les grandes familles de matériaux et leurs propriétés génériques
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
8
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Atomes (1/6)
métaux (75% des éléments)métalloïdesautres
halogènes
gaz rares
9
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Atomes (2/6) : Température de fusion
C : 3727°C
métaux alcalins : 29 à 180°C
alcalino-terreux : 650 à 1277°C
métaux de transition :-38 à 3410°C
W
La température de fusion indique la « force » des liaisonssource : www.webelements.com
10
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Atomes (3/6) : Rayon atomique
rayon atomique
rayonatomique
He : 53 pm
Cs : 262 pm
H : 37 pm
Rn : 140 pm
source : www.webelements.com
11
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Atomes (4/6) : Rayon ionique
source : www.sc.maricopa.edu
(en pm)
Rayon ionique ≠ rayon atomique !!!
12
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Atomes (5/6) : Electronégativité
Attraction vis-à-vis des électrons partagés ou gagnés (mesure : Pauling)
source : www.webelements.com
F : 4
Cl : 3
Li : 1
K : 0,8
Fe : 1,8
13
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Atomes (6/6) : Synthèse
rayon atomique, caractère métallique
rayon ionique, électronégativité, énergie d’ionisation
électronégativité(sauf mét. transition)
rayon ioniquerayon atomique
Tfusion (autres)
Tfusion (mét. transition)
14
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Liaisons (1/6) : Nature des liaisons
liaison covalente (deux non-métaux)
liaison ionique (un métal et un non métal)
liaison métallique (deux métaux)
Liaisons physiques :
liaison hydrogène
liaison de Van der Waals
Liaisons chimiques :
mixité possible(iono-covalente)
Quelques propriétés régies par les liaisons :
mécaniques (rigidité, déformabilité...)
thermiques (Tfusion, dilatation thermique...)
propriétés de transport (charges, matière, chaleur)
15
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Liaisons (2/6) : Liaison covalente
Mise en commun d’un ou de plusieurs électrons pour remplir la couche externe
Géométrie liée à celle des orbitales
liaison dirigée faible compacité
anisotropie
Liaison forte matériaux durs, rigides
Source : www.chem.monash.edu.au
éléments d’électronégativités similaires
16
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Liaisons (3/6) : Liaison ionique
Transfert d’un électron de valence et attraction électrostatique entre les ions
Exemples : halogène + alcalin : NaCl, LiF
Liaison forte matériaux durs, rigides
éléments d’électronégativités très différentes
certains oxydes : Al2O3, MgO
Liaison non dirigée
compacité maximale compatible avec
rayons ioniques respectifs
neutralité électrique localeSource : www.chem.monash.edu.au
17
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Liaisons (4/6) : Liaison métallique
Atomes facilement ionisables : électrons de valence faiblement liés au noyau
Liaison entre deux éléments métalliques
Métaux normaux (Al, alcalins...) : liaison assez faible
Métaux de transition : composante covalente
mise en commun collective d’électron(s) de valence
Liaison non dirigée compacité maximale
« mer » d’ions positifs + nuage d’électrons délocalisés
Source : www.chem.monash.edu.au
(effet des sous-couches incomplètes)
liaison plus forte : atomes plus proches, densité
18
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Liaisons (5/6) : Autres liaisons
Liaison hydrogène
Liaison de Van der Waals
oscillations d’un proton entre deux anions très électronégatifs
liaison faible
exemples : eau, polymères organiques, ciments
attraction électrostatique entre doublets électrons-noyau
pas de recouvrement des nuages électroniques
liaison faible, non dirigée
exemples : polymères, argiles, feuillets de graphite
R R’
O OH
19
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Liaisons (6/6) : Récapitulation
type de liaison covalente ionique métallique hydrogène Van der Waalsenthalpied’atomisation(kJ/mol)
Si 450C (diamant) :717
LiF 849NaCl 640MgO 1000CaF2 1548
Na : 108Al : 330Fe : 414W : 849
(sublimation àTfusion)H2O : 51NH3 : 35
(sublimationàTfusion)Ar : 7.5 O2 : 7.5CO2 : 25 CH4 : 18
liaison dirigée oui non non non nonconductivitéélectrique
faible (matériauxpurs), augmenteen cas de dopage
basse(électronique) àbassetempératurehaute (ionique) àtempératureélevée
élevée basse (isolants)
densité(compacité)
faible élevée compacité élevée
propriétésmécaniques
dureté, fragilité dureté, fragilité déformabilité,plasticité
faiblerésistance
faible résistance, fortecompressibilité
température defusion (°C)
élevée élevée faible à élevée faible très faible
20
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Empilements d’atomes (1/8) : Ordre à courte distance
Coordinence : nombre de premiers voisins
Exemple : solides ioniques : en fonction derayons ioniques respectifs
charges des cations et des anions
Gaz Matière condensée (liquide, solide)
« Courte » ou « longue » distance : par rapport aux distances interatomiques
W.D. Kingery, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann, Introduction to Ceramics, 1976, p. 26
21
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Empilements d’atomes (2/8) : Ordre à longue distance
Pas d’ordre à longue distance liquides, verres
Ordre à longue distance cristaux
cristal de silice verre de silice verre de silicate
http://ecal-admin.mme.tcd.ie/MSEInteractive Y-M. Chang, D.P. Birnie III, W.D. Kingery,
Physical Ceramics, 1997, pp. 83 et 89
22
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Empilements d’atomes (3/8) : Transition vitreuse et cristallisation
Vol
ume
Vapeur
Liqu
ideLiquide
surfondu
Verre
Cristal
T
Vol
ume
Ref. rapide
Ref. lent
T
Liquide
Refroidissement à partir de l’état gazeux ou liquide
cristallisation : transition isotherme avec dégagement de chaleur
transition vitreuse : sans dégagement de chaleur
Le verre a les propriétés d’un solide mais la structure du liquide qu’il étaità T≥Tg
Y-M. Chiang et coll.,
Physical Ceramics, 1997, p. 81
23
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Empilements d’atomes (4/8) : Cristaux
Disposition des atomes :périodique en 3D
ordre à longue distance
Invariance par translation selon un vecteur du réseau
nœud du réseau
On place généralement l’origine sur un atomeun atome sur chaque nœud du réseau
Il peut avoir des atomes ailleurs que sur les nœuds du réseaumais toujours de manière périodique
réseau cristallin
24
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Empilements d’atomes (5/8) : Cristaux et symétries
Isométries laissant le réseau globalement invariant
doivent être compatibles avec la périodicité
Combinaisons d’une rotation + translation ou inversion (symétrie centrale)
seuls angles de rotation possibles : 1
2,
22
,3
2,
42
,6
2 πππππ
Les axes de rotation passent par un même point
32 groupes ponctuels
dont 21 ne possèdent pas de centre de symétrie
exemple : matériaux piézoélectriques
25
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Empilements d’atomes (6/8) : Réseaux de Bravais
a
b
c
αβ γ
26
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Empilements d’atomes (7/8) : Métaux
Liaison métallique non dirigéecompacité
degré de symétrieélevés
Structure de la plupart des métaux purs (normaux ou de transition) :
cubique à faces centrées(CFC)
Al, Ni, Cu, Au, Ag, Pt, Pb...
cubique centrée(CC)
Li, Na, K, Nb, Mo, Ta...
hexagonale compacte(HC)
Mg, Zn...
Parfois plusieurs structures possibles (polymorphisme) : Fe, Zr, Co, Ti...
compacité 0,74 compacité 0,68 compacité 0,74
27
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Empilements d’atomes (8/8) : Solides ioniques
Structure partiellement régie par le nombre de coordinence (premiers voisins)
empilement quasi-compact d’anions (oxygène, soufre...)
les cations se placent périodiquement dans les interstices disponibles
CFC : NaCl, LiF, ZnS (blende), Na2O, BaTiO3...
HC : ZnS (würtzite), Al2O3, Fe2O3, Cr2O3...
W.D. Kingery, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann, Introduction to Ceramics, 1976, p. 63
28
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Solution solide (1/3) : Position des solutés dans le réseau cristallin
Soluté en insertion
(interstitiel)
Soluté en substitution
(substitutionnel)
« petit » élément
dans les métaux courants :C, H, N, O
29
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Solution solide (2/3) : Sites interstitiels dans le réseau cristallin
2 mailles
CC
CFC
Exemples : structures CC et CFC
Sites tétraédriques (coordinence 4) Sites octaédriques (coordinence 6)
RT = 0,288 Rat
RO = 0,150 Rat
RT = 0,225 Rat
RO = 0,414 Rat
Seul H est tétraédrique dans les métaux courants
30
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Solution solide (3/3) : Ordre à courte, à longue distance
La position des atomes de soluté suit-elle une distribution périodique ?
OUI NON
solution solide ordonnée solution solide désordonnée
Transitions ordre-désordre : Ni-Cr, Ti-Al...
31
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Assemblage de cristaux (1/7) : Grains
1 grain = 1 cristal + 1 orientation
Rupture le longdes interfacesentre grains
H. Gleiter, Acta Mater. 48 (2000), p. 3
Vue en coupe
Alliage Ni-20Cr
G. Calvarin-Amiri, thèse de doctorat, Orsay 1998
cliché Centre des Matériaux
20 µm
32
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Assemblage de cristaux (2/7) : Texture
Distribution de l’orientation des grains anisotropie des propriétés
Texture cristallographique : distribution statistique de l’orientation des grains
400 µm
source : http://www.edax.com
Exemple : détermination quantitative sur du nickel
33
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Assemblage de cristaux (3/7) : Texture
Distribution de l’orientation des grains anisotropie des propriétés
texture cristallographique : orientation cristalline
texture morphologique : anisotropie de forme
direction de fabricationde la barre
Cartographie B. Guéraud
Exemple : alliage de cuivre (CFC)
34
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Assemblage de cristaux (4/7) : Phases
Les phases peuvent être à l’équilibre (thermodynamique) ou hors équilibre
50 nm
verre biphasé(microscopie électronique en transmission)
Y.M. Chiang, W.D. Kingery, Journal of the American Ceramics Society vol. 66 (1983) pp. C171-C172
Une phase :
composition chimique
structure cristallographique (si la phase est cristalline)
orientation cristalline (si la phase est cristalline)
35
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Assemblage de cristaux (5/7) : Phases formées in situ
Plaquettes Al2Cudans un alliage Al-4%Cu
Monocristal biphasé à base nickelpour aubes de turbine aéronautiques
Maîtrise de ces assemblages : cf. TD sur les traitements thermiques
F. Gallerneau, thèse de doctorat,
ENSMP 1995
F. Barlat, J. Liu, 1998
36
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Assemblage de cristaux (6/7) : Phases formées ex situ (« composites »)
Exemple : composite pour anneau de disque de turboréacteur
Fibres SiC (âme W)
Matrice : alliage de titane(Ti6242)
Matériaux composites : une matrice (polymère, métallique, céramique)
des renforts : fibres (verre, carbone, polymères...)
particules
Adhésion des renforts à la matrice ???
S. Hertz-Clémens, thèse de doctorat, ENSMP, 2002
37
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Assemblage de cristaux (7/7) : Matériaux multi-échelles
Exemple : acier inoxydable moulé pour tuyauteries
Echelle macroscopique : gros grains « de fonderie »
Echelle microscopique :deux phases percolantes
Echelle nanoscopique : la ferrite vieillieest biphasée
20 mm
1 mm
10 nm
phases au chrome
D. Blavette et coll.,NATO, 2002V. Calonne, thèse de doctorat, ENSMP, 2001
38
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts : classification
Classification par types de défaut
ponctuels (0D)
linéaires (1D)
surfaciques (2D)
volumiques (3D)
Une structure n’est parfaite que sur des volumes très faibles
Toute structure comporte des défauts
39
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts ponctuels (1/2) : Caractéristiques
Types de défauts : lacune, auto-interstitiel (rare), soluté en insertion ou en substitution
Solides ioniques : préserver la neutralité électrique locale 2 défauts associés
d’après www.ocw.mit.edu
40
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts ponctuels (2/2) : Effets
Impact des défauts ponctuels sur les propriétés des matériaux
Propriétés liées aux phénomènes de transport
matière : diffusion grâce aux lacunes (cf. cours 3)
charges électriques : conduction dans les solides ioniques
en particulier : propriétés mécaniques et stabilité chimiqueà haute température (> 0,3 Tf)
Exemple : régulation de l’injection dans les moteurs automobiles par sonde λ
conductivité par ions oxygène = f(gradient de Po2 entre l’air extérieur et l’air sortant du moteur)
zircone ZrO2 cubique stabilisée, riche en lacunes d’oxygène
indice d’octane 87 : il faut 14,7 fois plus d’air que de carburant pour minimiser les rejets nocifs
41
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts linéaires (1/6) : Définition des dislocations
Distorsion locale d’un réseau cristallin parfait
Existence postulée dès 1934 (Orowan, Polanyi, Taylor, Burgers)
1 µm
dislocations dans unalliage de titane
cliché : Centre des Matériaux
Observation dans les années 1950 (microscopie électronique)
42
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts linéaires (2/6) : Dislocation coin
source : www.mae.buffalo.edu
Frontière d’un demi-plan « supplémentaire »
Définition du défaut : vecteur de Burgers b
Circuit ferméavec la dislocation
Défaut de fermeturedu même circuit
dans le réseau parfait
défaut de fermeture d’un circuit initialement fermé
vecteur du réseau parfait
b ⊥ dislocation coin
b
43
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts linéaires (3/6) : Dislocations en 3D
b
b
b // dislocation : dislocation vis
b ⊥ dislocation : dislocation coin
cas extrêmes : vis (b // dislocation)coin (b ⊥ dislocation)
cas intermédiaires : mixtes vis + coin
44
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts linéaires (4/6) : Energie d’une dislocation
d
Energie par unité de longueur : µ b²
µ : module de cisaillementb : norme du vecteur de Burgers
Les dislocations les plus probables sont celles de plus faible b
« directions denses »
Déplacement des dislocations : dans les plans les plus éloignés les uns des autres
« plans denses »
b
45
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts linéaires (5/6) : Systèmes de glissement
Exemple : structure CFC
plans denses : {111}x + y + z = constantex - y + z = constanteetc...
(⊥ aux grandes diagonales du cube)
directions denses : <110>(d’un nœud au centre d’une face voisine)
Structure CC : b = <111> (d’un nœud au centre du cube)
www.msm.cam.ac.uk/phase-trans
46
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts linéaires (6/6) : Effets
Impact des défauts linéaires sur les propriétés des matériaux
Déformabilité
le déplacement des dislocations conditionne la plasticité
déformation irréversible, indépendante du temps, peu endommageante en général
exemple : mise en forme des métaux et alliages métalliquesemboutissage de tôles pour l’automobile...
Phénomènes de transport
diffusion plus facile le long des dislocations que dans le réseau
à éviter à tout prix dans les semi-conducteurs purs (micro-électronique)(font chuter leur résistivité électrique)
47
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts surfaciques (1/8) : Définition
Types les plus courants de défauts surfaciques :
surfaces libres
interfaces entre phases
joints de grains = interfaces entre grains
fautes d’empilement
...
48
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts surfaciques (2/8) : Surfaces libres
Perturbation du voisinage des atomes de surfaceperte de certains premiers et seconds voisins
Energie importante
adsorption facile d’espèces chimiques ou de particules (poussières)
exemple : salles « blanches » en micro-électronique
L’énergie de surface d’un cristal dépend de l’orientation du cristal sous-jacent
principe de la révélation des grains par attaque chimique
gouverne la réactivité de la surface (oxydation, etc...)
Alliage 600(cliché Centre des Matériaux)
microscopie optique après attaque oxydante
49
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts surfaciques (3/8) : Interfaces interphase
La structure de l’interface dépend de la structure et de la cristallographie des phases
incohérente(forte énergie)
cohérente (distorsions élastiques)
semi-cohérente (dislocations d’accommodation)
50
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts surfaciques (4/8) : Joints de grains
Joints plus ou moins cohérents (coïncidence)
Joints de macle : symétrie par rapport au plan de joint, avec coïncidence parfaite dans ce plan
H. Gleiter, Acta Mater. 48 (2000), p. 3 Alliage 600 (base nickel)cliché : Centre des Matériaux
51
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts surfaciques (5/8) : « Nanograins » ?
10 nm
Grains « micro » : volume de joints ≈ 0
Grains « nano » : volume de joints jusqu’à 10%
« bi-matériau »
52
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts surfaciques (6/8) : Fautes d’empilement
Exemple : CFC
Empilement des plans denses
A
B
fauted’empilement
Changement local de structurecf. transformations de phase
(Fe, superalliages base Ni...)
53
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts surfaciques (7/8) : Energie d’interface
Métal ou alliage Surface libre
(T = Tfusion)
Joints de grains Joints demacle
incohérents
Joints demacle
cohérents
Fautesd'empilement
Al 1080 (660°C) 324 (450°C) 100 200
Ag 1136 (961°C) 375 (950°C) 126 8 25
Au 1400 (1063°C) 378 (1000°C) 15 30 à 50
Cu 1710 (1083°C) 615 (925°C) 498 23 40 à 55
Acier inox. 304 2088 (1421°C) 835 (T= ?) 209 7 à 19 15
W 2634 (3410°C) 1080 (2000°C)
Exemple : métaux et alliages métalliques
En termes d’énergie :
surface libre > joints incohérents > fautes d’empilement > joints cohérents
54
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts surfaciques (8/8) : Effets
Impact des défauts surfaciques sur les propriétés des matériaux
Propriétés régies par les surfaces libres et les interfaces
lieux de diffusion rapide (conductivité, déformation à chaud, précipitation...)
énergie élevée réactivité chimique élevée, fragilité possible
fissuration, corrosion
résistance à la déformation plastique (obstacle au mouvement des dislocations)
duretédurée de vie sous sollicitations mécaniques cycliques...
55
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts volumiques (1/2) : Caractéristiques
Cavités : porosités (céramiques, métallurgie des poudres)retassures (défauts de fonderie)...
Inclusions de matière étrangère au matériaupoussières de creusetsoxydes lors de l’élaboration d’un métal liquide...
Phases non désirées
impuretés chimiques insolubles dans le matériau (Fe dans Al...)phases apparues en service (vieillissement)...
Phases au fer dans un alliage d’aluminium(Asserin-Lebert et coll., 2002)10 µm
500 µm
56
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts volumiques (2/2) : Effets
Impact des défauts volumiques sur les propriétés des matériaux
perte de rigidité
briques réfractaires : accommodation de la dilatation thermiqueet des déformations imposées par le mortier
points faibles mécaniquement (concentrent les contraintes)
sensibilité à la corrosion par piqûre
rupture des matériaux très déformables
(couplage galvanique avec le reste du matériau)
57
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Défauts : Synthèse
Leur existence requiert une certaine énergie
probabilité d’existence, fréquence, concentration (lacunes)...
Ils gouvernent les propriétés mécaniques (dureté, déformabilité, rupture)les propriétés de transport (diffusion)... et bien d’autres encore !
Ils interagissent entre eux
exemple : interaction entre les dislocations et les autres défauts
cf. cours sur le durcissement des matériaux métalliques
58
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Les grandes familles de matériaux (1/4)
Organiques
Métalliques
Composites
polymères, élastomères
métaux et alliages
matrice + renfort(s)
covalentesH / Van der Waals
métallique
Céramiques grande diffusion : ciments, briques, bétons, porcelaines
techniques : oxydes, carbures, nitrures
covalente, ionique, iono-covalente
ceux des constituantsinterfaces
Matériaux représentants types de liaisons
59
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Les grandes familles de matériaux (2/4)
Famille de matériaux Métaux Polymères et élastomèresCéramiques et verresDensité élevée faible faibleRigidité (module d’Young) élevée faible élevéeCoefficient de dilatationthermique
moyen élevé faible
Dureté élevée faible à élevée (fibres) élevéeDuctilité (déformation àrupture)
élevée (plasticité) élevée sauf à l’état vitreux faible et aléatoire
Conductivité électrique,thermique
élevée faible (isolants) électrique : faiblethermique : élevée
Résistance àl’environnement(corrosion)
faible en général élevée élevée
Température max.d’utilisation
élevée faible (toujours < 200°C) très élevée
Mise en forme facile (déformation) très facile (moulage) difficile (frittage)
60
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Les grandes familles de matériaux (3/4)
Déformation maximale (ductilité) (%)0.1 1 10 100
Mod
ule
d'Y
oung
(GP
a)
1e-003
0.01
0.1
1
10
100
céramiques métaux et alliages
polymères
mousses métalliques
moussesorganiques
cuir
liège
bois
compositesà fibres
61
Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux
Les grandes familles de matériaux (4/4)
liègecuir
bois
carbures
métaux et alliages
polymèresmousses métalliques
moussesorganiques
composites
verres,oxydes
briquepierre
0,01 151
1027
62
Grandes familles de matériauxIntroduction Structure Défauts
Conclusions
« Briques élémentaires » de la structure des matériaux
multi-échelles : du nm au cm soit au moins 7 ordres de grandeur !
Défauts : régissent les propriétés des matériaux « réels »
La suite du cours abordera l’agencement de ces différentes « briques »
Cristallographie : fondamentale pour comprendre
les mécanismes de déformation
l’anisotropie des propriétés
PC (séance 2) : quelques éléments indispensables en sciences des matériaux
les changements de phase
63