Matériaux pour l ingénieur

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1 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 anne-francoise.gourgues@ensmp.fr J.-M. Haudin jean-marc.haudin@ensmp.fr

2 Matériaux et (nouvelles) technologies Derrière les innovations technologiques... se trouvent souvent les matériaux! Propriétés gouvernées par des phénomènes physiques chimiques mécaniques communs à la plupart des matériaux Etudier, comprendre et maîtriser ces phénomènes base de conception innovation intégrant les matériaux 2

3 Exemple : le Panthéon : un ouvrage révolutionnaire... en ruine? Une hauteur et une minceur de parois exceptionnelles grâce à un nouveau procédé : la pierre renforcée de barres de fer C. Blasi, E. Coïsson, I. Iori, Engineering Fracture Mechanics 75 (2008)

4 Exemple : le Panthéon : un ouvrage révolutionnaire... en ruine? 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)

5 Objectifs du cours «Matériaux pour l ingénieur» Quel matériau pour quel produit? Pourquoi? compréhension mise en œuvre des relations entre (micro)structure Comment? maîtrise propriétés d usage 5

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? 13 séances Tenue en service et ingénierie des matériaux maîtriser la structure et les propriétés des matériaux déterminer la durée de vie et la fiabilité du produit choisir et maîtriser le «bon» matériau 13 séances 6

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 7

8 Atomes (1/6) métaux (75% des éléments) métalloïdes autres halogènes gaz rares 8

9 alcalino-terreux : 650 à 1277 C Atomes (2/6) : Température de fusion métaux de transition : -38 à 3410 C C : 3727 C W métaux alcalins : 29 à 180 C La température de fusion indique la «force» des liaisons source : 9

10 Atomes (3/6) : Rayon atomique H : 37 pm rayon atomique He : 53 pm rayon atomique Rn : 140 pm Cs : 262 pm source : 10

11 Atomes (4/6) : Rayon ionique (en pm) Rayon ionique rayon atomique!!! source : 11

12 Atomes (5/6) : Electronégativité Attraction vis-à-vis des électrons partagés ou gagnés (mesure : Pauling) Li : 1 K : 0,8 Fe : 1,8 F : 4 Cl : 3 source : 12

13 Atomes (6/6) : Synthèse rayon atomique, caractère métallique rayon ionique, électronégativité, énergie d ionisation T fusion (mét. transition) rayon atomique rayon ionique électronégativité (sauf mét. transition) T fusion (autres) 13

14 Liaisons (1/6) : Nature des liaisons Liaisons chimiques : liaison covalente (deux non-métaux) liaison ionique (un métal et un non métal) liaison métallique (deux métaux) mixité possible (iono-covalente) Liaisons physiques : liaison hydrogène liaison de Van der Waals Quelques propriétés régies par les liaisons : mécaniques (rigidité, déformabilité...) thermiques (T fusion, dilatation thermique...) propriétés de transport (charges, matière, chaleur) 14

15 Liaisons (2/6) : Liaison covalente Mise en commun d un ou de plusieurs électrons pour remplir la couche externe éléments d électronégativités similaires Géométrie liée à celle des orbitales liaison dirigée faible compacité anisotropie Liaison forte matériaux durs, rigides Source : 15

16 Liaisons (3/6) : Liaison ionique Transfert d un électron de valence et attraction électrostatique entre les ions éléments d électronégativités très différentes Exemples : halogène + alcalin : NaCl, LiF certains oxydes : Al 2 O 3, MgO Liaison forte matériaux durs, rigides Liaison non dirigée compacité maximale compatible avec rayons ioniques respectifs neutralité électrique locale Source : 16

17 Liaisons (4/6) : Liaison métallique Atomes facilement ionisables : électrons de valence faiblement liés au noyau mise en commun collective d électron(s) de valence «mer» d ions positifs + nuage d électrons délocalisés Liaison entre deux éléments métalliques Métaux normaux (Al, alcalins...) : liaison assez faible Métaux de transition : composante covalente (effet des sous-couches incomplètes) liaison plus forte : atomes plus proches, densité Liaison non dirigée compacité maximale Source : 17

18 Liaisons (5/6) : Autres liaisons Liaison hydrogène oscillations d un proton entre deux anions très électronégatifs liaison faible exemples : eau, polymères organiques, ciments O H O R R Liaison de Van der Waals attraction électrostatique entre doublets électrons-noyau pas de recouvrement des nuages électroniques liaison faible, non dirigée exemples : polymères, argiles, feuillets de graphite 18

19 Liaisons (6/6) : Récapitulation type de liaison covalente ionique métallique hydrogène Van der Waals enthalpie Si 450 LiF 849 Na : 108 (sublimation à (sublimation d atomisation C (diamant) : NaCl 640 Al : 330 T fusion ) àt fusion ) (kj/mol) 717 MgO 1000 CaF Fe : 414 W : 849 H 2 O : 51 NH 3 : 35 Ar : 7.5 O 2 : 7.5 CO 2 : 25 CH 4 : 18 liaison dirigée oui non non non non conductivité élevée basse (isolants) électrique densité (compacité) propriétés mécaniques température fusion ( C) de faible (matériaux purs), augmente en cas de dopage basse (électronique) à basse température haute (ionique) à température élevée faible élevée compacité élevée dureté, fragilité dureté, fragilité déformabilité, faible faible résistance, forte plasticité résistance compressibilité élevée élevée faible à élevée faible très faible 19

20 Empilements d atomes (1/8) : Ordre à courte distance «Courte» ou «longue» distance : par rapport aux distances interatomiques Gaz Matière condensée (liquide, solide) W.D. Kingery, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann, Introduction to Ceramics, 1976, p. 26 Coordinence : nombre de premiers voisins Exemple : solides ioniques : en fonction de rayons ioniques respectifs charges des cations et des anions 20

21 Empilements d atomes (2/8) : Ordre à longue distance Pas d ordre à longue distance Ordre à longue distance liquides, verres cristaux cristal de silice verre de silice verre de silicate Y-M. Chang, D.P. Birnie III, W.D. Kingery, Physical Ceramics, 1997, pp. 83 et 89 21

22 Empilements d atomes (3/8) : Transition vitreuse et cristallisation Refroidissement à partir de l état gazeux ou liquide Vapeur Liquide Volume Liquide surfondu Verre Cristal Liquide T Volume Ref. rapide Ref. lent T 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 était à T T g Y-M. Chiang et coll., Physical Ceramics, 1997, p

23 Empilements d atomes (4/8) : Cristaux Disposition des atomes : périodique en 3D ordre à longue distance réseau cristallin Invariance par translation selon un vecteur du réseau nœud du réseau On place généralement l origine sur un atome un atome sur chaque nœud du réseau Il peut avoir des atomes ailleurs que sur les nœuds du réseau mais toujours de manière périodique 23

24 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 : 2 π 2π 2π 2π 2,,,, π Les axes de rotation passent par un même point 32 groupes ponctuels dont 21 ne possèdent pas de centre de symétrie exemple : matériaux piézoélectriques 24

25 Empilements d atomes (6/8) : Réseaux de Bravais c β α b γ a 25

26 Empilements d atomes (7/8) : Métaux Liaison métallique non dirigée compacité degré de symétrie élevés Structure de la plupart des métaux purs (normaux ou de transition) : cubique à faces centrées (CFC) compacité 0,74 cubique centrée (CC) compacité 0,68 hexagonale compacte (HC) compacité 0,74 Al, Ni, Cu, Au, Ag, Pt, Pb... Li, Na, K, Nb, Mo, Ta... Mg, Zn... Parfois plusieurs structures possibles (polymorphisme) : Fe, Zr, Co, Ti... 26

27 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), Na 2 O, BaTiO 3... HC : ZnS (würtzite), Al 2 O 3, Fe 2 O 3, Cr 2 O 3... W.D. Kingery, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann, Introduction to Ceramics, 1976, p

28 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 28

29 Solution solide (2/3) : Sites interstitiels dans le réseau cristallin Exemples : structures CC et CFC Sites tétraédriques (coordinence 4) Sites octaédriques (coordinence 6) CC 2 mailles R O = 0,150 R at R T = 0,288 R at CFC R O = 0,414 R at R T = 0,225 R at Seul H est tétraédrique dans les métaux courants 29

30 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... 30

31 Assemblage de cristaux (1/7) : Grains 1 grain = 1 cristal + 1 orientation Alliage Ni-20Cr Vue en coupe G. Calvarin-Amiri, thèse de doctorat, Orsay 1998 H. Gleiter, Acta Mater. 48 (2000), p. 3 Rupture le long des interfaces entre grains cliché Centre des Matériaux 20 µm 31

32 Assemblage de cristaux (2/7) : Texture Distribution de l orientation des grains anisotropie des propriétés Texture cristallographique : distribution statistique de l orientation des grains Exemple : détermination quantitative sur du nickel 400 µm source : 32

33 Assemblage de cristaux (3/7) : Texture Distribution de l orientation des grains anisotropie des propriétés texture cristallographique : orientation cristalline texture morphologique : anisotropie de forme Exemple : alliage de cuivre (CFC) direction de fabrication de la barre Cartographie B. Guéraud 33

34 Assemblage de cristaux (4/7) : Phases composition chimique Une phase : structure cristallographique (si la phase est cristalline) orientation cristalline (si la phase est cristalline) Les phases peuvent être à l équilibre (thermodynamique) ou hors équilibre verre biphasé (microscopie électronique en transmission) 50 nm Y.M. Chiang, W.D. Kingery, Journal of the American Ceramics Society vol. 66 (1983) pp. C171-C172 34

35 Assemblage de cristaux (5/7) : Phases formées in situ Maîtrise de ces assemblages : cf. TD sur les traitements thermiques Plaquettes Al 2 Cu dans un alliage Al-4%Cu Monocristal biphasé à base nickel pour aubes de turbine aéronautiques F. Barlat, J. Liu, 1998 F. Gallerneau, thèse de doctorat, ENSMP

36 Assemblage de cristaux (6/7) : Phases formées ex situ («composites») une matrice (polymère, métallique, céramique) Matériaux composites : des renforts : fibres (verre, carbone, polymères...) particules Adhésion des renforts à la matrice??? Exemple : composite pour anneau de disque de turboréacteur Fibres SiC (âme W) Matrice : alliage de titane (Ti6242) S. Hertz-Clémens, thèse de doctorat, ENSMP,

37 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 vieillie est biphasée phases au chrome 20 mm 1 mm V. Calonne, thèse de doctorat, ENSMP, nm D. Blavette et coll., NATO,

38 Défauts : classification Une structure n est parfaite que sur des volumes très faibles Toute structure comporte des défauts Classification par types de défaut ponctuels (0D) linéaires (1D) surfaciques (2D) volumiques (3D) 38

39 Défauts ponctuels (1/2) : Caractéristiques d après Types de défauts : lacune, auto-interstitiel (rare), soluté en insertion ou en substitution Solides ioniques : préserver la neutralité électrique locale 2 défauts associés 39

40 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) en particulier : propriétés mécaniques et stabilité chimique à haute température (> 0,3 T f ) charges électriques : conduction dans les solides ioniques Exemple : régulation de l injection dans les moteurs automobiles par sonde λ indice d octane 87 : il faut 14,7 fois plus d air que de carburant pour minimiser les rejets nocifs zircone ZrO 2 cubique stabilisée, riche en lacunes d oxygène conductivité par ions oxygène = f(gradient de Po 2 entre l air extérieur et l air sortant du moteur) 40

41 Défauts linéaires (1/6) : Définition des dislocations Distorsion locale d un réseau cristallin parfait Existence postulée dès 1934 (Orowan, Polanyi, Taylor, Burgers) Observation dans les années 1950 (microscopie électronique) dislocations dans un alliage de titane 1 µm cliché : Centre des Matériaux 41

42 Défauts linéaires (2/6) : Dislocation coin Frontière d un demi-plan «supplémentaire» Définition du défaut : vecteur de Burgers b défaut de fermeture d un circuit initialement fermé vecteur du réseau parfait b dislocation coin Circuit fermé avec la dislocation Défaut de fermeture du même circuit dans le réseau parfait b source : 42

43 Défauts linéaires (3/6) : Dislocations en 3D b cas extrêmes : vis (b // dislocation) coin (b dislocation) cas intermédiaires : mixtes vis + coin b b // dislocation : dislocation vis b dislocation : dislocation coin 43

44 Défauts linéaires (4/6) : Energie d une dislocation Energie par unité de longueur : µ b² b µ : module de cisaillement b : norme du vecteur de Burgers d 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» 44

45 Exemple : structure CFC Défauts linéaires (5/6) : Systèmes de glissement plans denses : {111} x + y + z = constante x - y + z = constante etc... ( 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) 45

46 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 métalliques emboutissage 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) 46

47 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... 47

48 Défauts surfaciques (2/8) : Surfaces libres Perturbation du voisinage des atomes de surface perte 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 gouverne la réactivité de la surface (oxydation, etc...) principe de la révélation des grains par attaque chimique Alliage 600 (cliché Centre des Matériaux) microscopie optique après attaque oxydante 48

49 Défauts surfaciques (3/8) : Interfaces interphase La structure de l interface dépend de la structure et de la cristallographie des phases cohérente (distorsions élastiques) incohérente (forte énergie) semi-cohérente (dislocations d accommodation) 49

50 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 50

51 Défauts surfaciques (5/8) : «Nanograins»? Grains «micro» : volume de joints 0 10 nm Grains «nano» : volume de joints jusqu à 10% «bi-matériau» 51

52 Défauts surfaciques (6/8) : Fautes d empilement Empilement des plans denses Exemple : CFC B A faute d empilement Changement local de structure cf. transformations de phase (Fe, superalliages base Ni...) 52

53 Défauts surfaciques (7/8) : Energie d interface Exemple : métaux et alliages métalliques Métal ou alliage Surface libre (T = T fusion ) Joints de grains Joints de macle incohérents Joints de macle cohérents Fautes d'empilement Al 1080 (660 C) 324 (450 C) Ag 1136 (961 C) 375 (950 C) Au 1400 (1063 C) 378 (1000 C) à 50 Cu 1710 (1083 C) 615 (925 C) à 55 Acier inox (1421 C) 835 (T=?) à W 2634 (3410 C) 1080 (2000 C) En termes d énergie : surface libre > joints incohérents > fautes d empilement > joints cohérents 53

54 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) dureté durée de vie sous sollicitations mécaniques cycliques... 54

55 Défauts volumiques (1/2) : Caractéristiques Cavités : porosités (céramiques, métallurgie des poudres) retassures (défauts de fonderie) µm Inclusions de matière étrangère au matériau poussières de creusets oxydes 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) µm Phases au fer dans un alliage d aluminium (Asserin-Lebert et coll., 2002) 55

56 Défauts volumiques (2/2) : Effets Impact des défauts volumiques sur les propriétés des matériaux perte de rigidité briques réfractaires : accommodation de la dilatation thermique et des déformations imposées par le mortier points faibles mécaniquement (concentrent les contraintes) rupture des matériaux très déformables sensibilité à la corrosion par piqûre (couplage galvanique avec le reste du matériau) 56

57 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 57

58 Les grandes familles de matériaux (1/4) Matériaux représentants types de liaisons Organiques polymères, élastomères covalentes H / Van der Waals Métalliques métaux et alliages métallique Céramiques grande diffusion : ciments, briques, bétons, porcelaines covalente, ionique, iono-covalente techniques : oxydes, carbures, nitrures Composites matrice + renfort(s) ceux des constituants interfaces 58

59 Les grandes familles de matériaux (2/4) Famille de matériaux Métaux Polymères et élastomères Céramiques et verres Densité élevée faible faible Rigidité (module d Young) élevée faible élevée Coefficient de dilatation moyen élevé faible thermique Dureté élevée faible à élevée (fibres) élevée Ductilité (déformation à élevée (plasticité) élevée sauf à l état vitreux faible et aléatoire rupture) Conductivité électrique, élevée faible (isolants) électrique : faible thermique Résistance à l environnement (corrosion) thermique : élevée faible en général élevée élevée Température max. élevée faible (toujours < 200 C) très élevée d utilisation Mise en forme facile (déformation) très facile (moulage) difficile (frittage) 59

60 Les grandes familles de matériaux (3/4) céramiques métaux et alliages composites à fibres polymères Module d'young (GPa) e-003 bois mousses organiques cuir liège mousses métalliques Déformation maximale (ductilité) (%) 60

61 Les grandes familles de matériaux (4/4) polymères mousses métalliques verres, oxydes mousses organiques bois brique pierre liège cuir carbures 1 composites métaux et alliages 0,

62 Introduction Structure Défauts Grandes familles de matériaux Conclusions «Briques élémentaires» de la structure des matériaux multi-échelles : du nm au cm soit au moins 7 ordres de grandeur! La suite du cours abordera l agencement de ces différentes «briques» Défauts : régissent les propriétés des matériaux «réels» Cristallographie : fondamentale pour comprendre les mécanismes de déformation les changements de phase l anisotropie des propriétés PC (séance 2) : quelques éléments indispensables en sciences des matériaux 62

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