Cours 11-2 LES CÉRAMIQUES. Contenu

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Marie-Claire Chartier
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1 Cours 11-2 LES CÉRAMIQUES Technologie des matériaux TTT 1 Contenu 1 Définition 2 Classification 3 Propriétés 4 Matériaux 5 Fabrication Technologie des matériaux TTT 2 1

2 Céramiques courantes Briques Marbres Tuiles de plancher Verre amorphes; Tf= 900 C Terre cuite Ciments & Béton Vaisselles porcelaine poterie Outils de coupe Tuiles spatiales Prothèse (Med.) Technologie des matériaux TTT 3 Liaisons Covalente et\ou ioniques fortes Covalente : AlN et diamant Ionique : Al 2 O 3,MgO Covalente-ionique (SiO 2 ) Technologie des matériaux TTT 4 2

3 Liaison mixte Céramiques Covalente Diamant Polymères De Van Der Waals S i O 2 As Fe Cr Métaux Métallique ionique (Al 2 O 3, MgO) Technologie des matériaux TTT 5 Liaisons et Propriétés Dureté Fragilité M. Young T fusion Isolant elect. Isolant ther. Transition fragile HT (0,5 Tfusion) Fluage à HT (0,6-0,8Tfusion) Resistance corrosion oxydation Dilatation Thermique( Technologie des matériaux TTT 6 3

4 Classification Naturels :Oxydes - S i O 2 (f.d.v, verre) - Al 2 O 3 (alumine) - Fe 3 O 4 (magnétite) - Fe 2 O 3 (rouille) Fabriqués Carbures WC-CO Fe 3 C Nitrures BN T i N AlN Technologie des matériaux TTT 7 Céramiques techniques VERRE Fibre de verre Fibre optique Fibreux Ordinaires CRISTAUX SiO 2, Al 2 O 3 WC, AlN, BN Briques refractaires Isolants thermiques PORES Technologie des matériaux TTT 8 4

5 Profondeur de coupe, Avance, Interruptions Contraintes mécaniques, Chocs Applications des céramiques traditionnelles Technologie des matériaux TTT 9 Propriétés requises des outils de coupe dureté élevée > à celle du matériau usiné. rigidité élevée. résistance mécanique élevée. bonne tenue à chaud. coefficient de friction bas. bonne stabilité chimique. Résistance aux chocs mécaniques Résistance aux chocs thermiques Maintenir dureté à chaud Résistance aux réactions chimiques à l abrasion Maintenir dureté à chaud Vitesse de coupe Temperature Technologie des matériaux TTT 10 5

6 Résistance à la chaleur Résistance à la rupture Résistance à l'abrasion Résistance au frottement Outils de coupe en céramique WC: Particules de WC dans une matrice de Co TiC matrice : Ni et Mo --»usinage des aciers NBC (CBN) : nitrure de bore cubique Al 2 O 3 : Alumine polycristalline frittée Diamant Carbure revêtu du diamant Technologie des matériaux TTT 11 Diamant polycrystallin Comparaison des propriétés des outils de coupe 125% 100% 90% 100% 56% 45% 34% 38% 35% 35% 33% 23% ~15% 62% Diamant (PCD) Diamant (CVD) PCBN TiC TiN TiCN TiAlN Al2O3 HfN WC Acier rapide 28% 22% TiC TiN TiCN TiAlN Al2O3 97% 100% 44% 52% 26% 38% 34% 67% 44% 75% 100% Diamant (PCD) Diamant (CVD) PCBN TiC TiN TiCN TiAlN Al2O3 HfN WC 31% 25% 27% Al2O3 Al2O3 +TiC Si3N4 20% CBN 39% PCD WC revêtu WC cementé Acier rapide Source: Minicut Technologie des matériaux TTT 12 6

7 Valeurs caractéristiques Matériau Dureté Knoop E (GPa) Tf ( C) Diamant >3500 Nitrure de bore (BN) Carbure de tungstène (WC) Alumine (Al2O3) Quartz (SiO2) Technologie des matériaux TTT 13 Prothèse de hanche Schéma indiquant l emplacement de l articulation de la hanche dans le corps humain. Schéma d une prothèse Tête en alumine Radiographie d une prothèse queue en alliage de titane Ti-6%- 4Al-4%V Source: Calister- Science des matériaux Technologie des matériaux TTT 14 7

8 Module de Young Acier 210 GPa Al 70 E Fortes liaisons (ceramiques) Cu 80 Plastiq Verre 70 céramiq Faible liaison (Polymeres) Technologie des matériaux TTT 15 Inconvénients Mise en forme difficile Fragiles (utiliser en compression) Chers Technologie des matériaux TTT 16 8

9 Propriétés de base (1) Oxydes résistent à l oxydation S i O 2 + O HT---> AlO 3 + O 2 -- HT ---> S i O 2 + N HT---> S i3 N 4 + NO/NO 2 S i O 2 + C ----HT ---> S i C + CO/CO 2 Technologie des matériaux TTT 17 Propriétés de base (2) Nitrures resistent à la nitruration Si 3 N 4 + N HT---> AlN + N HT---> Carbures resistent à la carburation S i C + C ----HT---> S i O 2 + C ----HT---> S i C + CO/CO 2 Technologie des matériaux TTT 18 9

10 Choc thermique T 1 T 0 1. Dilatation 2. Dilatation locale 3. Initiation de la fissure Amorce de fissure ----» propagation rapide 4. Propagation de la fissure Valeurs de (10-6 / C) Alumine 7.6 SiO2 Chauffage uniforme---> dilatation (T élevée) l t = l 0 (1+ T) Longueur finale à t Coeff, dilatation thermique 0.4 RCT= Rm/( E) Technologie des matériaux TTT 19 Résistivité Conductivité: = ( ) -1 Résistance: R (l/s) Métal = 0 (1+ a T) Céramique = 0 EXP (-Q/RT) Technologie des matériaux TTT 20 l Céramique S Métaux Température T 10

11 Comportement des céramiques Rm Céramiques Materiau ductile Céramique: deformation élastique uniquement Deformation Technologie des matériaux TTT 21 Ténacité Cv Métaux Rayure Effet d entaille Propagation Céramiques TTDF = 0.5 Tf T Technologie des matériaux TTT 22 11

12 : déformation Fluage des céramiques P T = 0.6 à 0.8 Tf I II III temps ln(t) d dt Vitesse de fluage = A. n EXP (-Q/RT) n et Q = fonction du matériau Liaisons fortes, le fluage des céramiques ne se manifeste qu à haute température: T = 0.6 à 0.8 Tf ln (t) Technologie des matériaux TTT 23 Fabrication: céramiques ordinaires Assiettes: Verre+ Cristaux +Pores Verre Cristaux Pores Sable + Eau (liant) » Moule Cuisson (Évaporation du liant) > Pièce Technologie des matériaux TTT 24 12

13 Fabrication: Frittage Compaction des poudres + Frittage (mise en forme) Contact entre particules) Cuisson à haute température (Soudage par diffusion à l état solide) Avant le frittage Frittage ( Tf = C) (diminution de la porosité) Pore Technologie des matériaux TTT 25 Micrographies des céramiques Brique Al 2 O 3 à 98% Al 2 O 3 à 99.7 % Phase vitreuse Technologie des matériaux TTT 26 13

14 Fabrication: Al 2 O 3 Bauxite Al (lingot) Poudres Électrolyse Al 2 O 3 Al 2 O 3 Particules Frittée Technologie des matériaux TTT 27 Diagramme SiO 2 -Al 2 O 3 Eutectique cristalline vitreuse Technologie des matériaux TTT 28 14

15 Fabrication: Réaction chimique Ciments et plâtres: obtenues par réaction chimique (pas par frittage) Évolution de la prise du ciment portland Ciment mouillé forces de répulsion entre les grains Réaction entre les grains et l eau Apparition d un gel à la surface des grains Épaississement du gel début de la prise; les gels se rejoignent Formation des cristaux hydratés (silicates et hydroxydes de calcium) 2 (3CaO.SiO 2 ) +6 H 2 O---> 3 CaO.SiO 2.3H 2 O+ 3 Ca (OH) 2 Silicate calcique ciment Technologie des matériaux TTT 29 15

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