63
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]

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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]

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux

Atomes (1/6)

métaux (75% des éléments)métalloïdesautres

halogènes

gaz rares

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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

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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

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Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux

Atomes (4/6) : Rayon ionique

source : www.sc.maricopa.edu

(en pm)

Rayon ionique ≠ rayon atomique !!!

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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

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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)

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux

Empilements d’atomes (6/8) : Réseaux de Bravais

a

b

c

αβ γ

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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

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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

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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

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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

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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...

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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

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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

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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)

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

...

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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

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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)

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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

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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 »

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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...)

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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

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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...

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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

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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)

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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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