TP Laboratoire Matériaux

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1 TP Laboratoire Matériaux Courard Luc Département d Architecture, Géologie, Environnement et Constructions Secteur GEMME, Université de Liège B5 Local -1/534 Tél. 04/ Courriél: Luc.Courard@ulg.ac.be Génie Minéral Matériaux & Environnement

2 Manipulations Traction sur matières plastiques Résistance aux chocs Viscosimétrie Comportement au feu Mesure de l angle de contact Modèles rhéologiques Analyses statistiques Étudier le comportement des matériaux sous sollicitations diverses

3 Matériaux: modèles élémentaires de comportement Hooke Newton Effet du temps

4 Matériaux: modèles élémentaires de comportement Coulomb (frottement interne, béton frais, sols, ) F = c + k P crémaillère ε 0 (ou 0)

5 Matériaux: modèles composés de comportement Maxwell Kelvin ε = ε e + ε µ Boltzmann ε e = ε µ = ε ε = ε 1 σ = E 1 + ε σ + E + ε e t - θ σ µ + µ 3 t avec θ = E

6 Matériaux: modèle de Kelvin ε e = ε µ = ε σ = σe + σµ 1) relaxation d ε = ε E + µ dt d ε = 0 dt ) fluage d σ = 0 dt d σ d σ e µ - = dt dt d ε d ε - E = dt dt. µ ε = σ E 1 - e t - µ θ où θ = E

7 Matériaux: modèle de Boltzmann chargement (a,b,c) et déchargement (d,e) du modèle de Boltzmann (matières plastiques, béton jeune)

8 Rhéologie des matériaux Élastique linéaire Élastique non linéaire Élastique linéaire à frottement interne Visco-élastique Plastique Plastique à réactivité partielle

9 Rhéologie des matériaux: comportement réel

10 Matériaux: propriétés mécaniques Traction Compression Flexion Poinçonnement Dureté Chocs Renforcements Effet de la pesanteur Traction et compression Résistance en compression sur une faible surface Dureté élastique: réversible Dureté plastique: irréversible Résilience = f(forme et dimensions, état de surface) Usure Fatigue Abrasion: MAT1 MAT Attrition: MAT1 MAT1 σ adm = 1/n σ stat

11 Essai de traction Produit testé : Vitesse de déplacement de la traverse :...cm/min Vitesse de déplacement du diagramme :...cm/min. Gamme du diagramme :... kg à fond d échelle Section de l éprouvette Largeur Epaisseur Section Moyenne = mm² Base de mesure :... mm

12 Comportement rhéologique des fluides: viscosité Le coefficient µ de la formule de NEWTON est appelé coefficient de viscosité dynamique dimensions unités τ = µ γ& - MLT L µ = = M L -1 L L T dapo (décapoise) et cpo ou mpa.s définition: la décapoise (dapo) est la viscosité d'un fluide opposant une résistance de 1 N/m² au glissement au sein du fluide, d'un élément plan animé d'un mouvement uniforme, la variation de vitesse des couches fluides parallèles au plan de l'élément étant de 1 m/s par mètre d'épaisseur du fluide suivant une direction perpendiculaire à ce plan à 15 C, µ eau = 1cPo = 1 mpa.s -1 T -1 température µ = e T 0 T m matériau log µ 0 µ eau(0 C) = x µ eau(0 C)

13 Comportement rhéologique des fluides dilatant Bingham dilatant Newton pseudo-plastique comportement visqueux comportement visco-plastique 1) ) 3) (& γ ) µ.& γ τ = f = τ = µ τ = µ n ( γ& ) n 1 pp < n ( γ& ) n 1 d > 4) 5) τ τ = τ = τ 0 + µ γ& n ( γ& ) n µ d >

14 Thixotropie et fausse thixotropie Fluide visco-élastique effet du gradient de vitesse (a) Reconstruction intégrale et immédiate (ACA): comportement visco-élastique (b) Reconstruction intégrale et différée (ABCA): comportement thixotropique (p.e. gel fluide visqueux) (c) Non reconstruction de la matière (1--3): comportement faussement thixotropique

15 Caractéristiques de l écoulement des liquides Seuil d écoulement Viscosité Thixotropie Visco-élasticité Scientifiques (1) Semi-empiriques () Empiriques (3) Ecoulement de Poiseuille (1) Ecoulement de Couette (1) Ecoulement de Weissenberg (1) Ecoulement cône-plateau (1) Viscosimètre Hoppler () Viscosimètre à flux (3) Viscosimètre Krebs-Stormer (3) Idéalisation Solutions approximatives Corrections

16 Ecoulement de Couette (cylindres coaxiaux) le mouvement du fluide entre les cylindres est stationnaire, laminaire et bidimensionnel (pas d'effets d'extrémités, ni de forces normales); la vitesse d'écoulement est seule fonction du rayon; elle n'a ni composante axiale, ni composante radiale et les lignes de courant sont circulaires dans un plan horizontal perpendiculaire à l'axe de rotation (cette condition néglige les forces centrifuges, ce qui n'est valable que pour de faibles vitesses de rotation); il n'y a pas de glissement aux parois des cylindres; le système est isotherme; le fluide est incompressible et indépendant du temps. égalité des moments τ e = M π R e h écoulement laminaire condition limite de nonglissement aux parois Ω = 1 e τ τ i f ( τ) τ d τ et f τ µ ( τ ) = = γ& Ω M 1 1 = - π µ 4 h R e R i

17 Viscosimètre Hoppler Principe physique: déplacement d une sphère dans un liquide Force de Stokes (résistance visqueuse) = poids de la bille 6.µ.π.R.v = 4/3. π.r³.(ρ ρ 0 ).g d où µ = /9.R²/v.(ρ ρ 0 ).g Attention: viscosité apparente

18 Viscosimètre à flux Mesure du temps d écoulement du fluide au travers d un orifice (s)

19 Comportement au feu Réaction au feu: comportement au feu d un matériau Inflammabilité Propagation de l incendie Opacité des fumées Résistance au feu (en h): durée pendant laquelle un élément de construction ou une construction continue à remplir le rôle qui lui est dévolu malgré l action d un incendie Résistance mécanique Étanchéité aux flammes Isolation thermique Incendie Triangle du feu source de chaleur combustible comburant (oxygène) température 100 C/360min) Embrasement généralisé temps Naissance et développement Combustion active Extinction

20 Adhésion et collage Adhesion Specific adhesion Mechanical adhesion Physico-chemical interactions Good wetting Thermodynamic approach Chemical bonding Condition 1: spreading and wettability No good wetting Condition : physico-chemical interactions Condition 3 : mechanical interlocking Geometric profile Real profile Effective profile

21 Condition 1: spreading Good wetting γ LV LIQUID (L) LIQUID (L) Not good wetting γ SV γ SL γ SL SOLID (S) γ = γ γ cosθ Better wettability of the solid by SV SL + LV the liquid if contact angle is LOW

22 Surface energy of products: measurements Force Plaque de Pt θ Liquide volume total + nombre de gouttes poids de chaque goutte 4 π r γ L = π r 3 3 ρ g γ L = F W L.cosθ

23 Goniometer: contact angle measurement Liquid. Solid surface 3. Movable support 4. Light source 5. Light ray 6. Microscope

24 Adhesion criteria work of adhesion Wa = γl + γs - γsl spreading of liquid S = Wa Wc 0 = γl + γs γsl - γl 0 = γs γsl - γl 0 which means γl (cos θ -1) 0 interfacial energy critical surface energy of solids γ c is the one of a liquid which will just spread on a surface giving a zero contact angle γ c

25 Analyses statistiques On a réalisé une mesure de la charge à la rupture de câbles métalliques fabriqués par une usine. Dix tests ont été réalisés sur chaque câble (résultats en N). Y a- t-il une différence significative entre les deux câbles? t = d σ d = s x 1 n 1 - x + 1 n 1