Science des matériaux

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Lucile Corbeil
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Science des matériaux Jean Colombani Pauline Schlosser 04 72 44 85 70 jean.colombani@univ-lyon1.fr 04 72 65 53 41 pauline.schlosser@univ-lyon1.

1 Science des matériaux Jean Colombani Pauline Schlosser Supports de cours : Jean Colombani & Laurent Joly support de cours annales informations complémentaires Science Des Matériaux semestre 1 semestre 2 semestre 3 module F114 : Propriétés des matériaux Cours : 9h - TD : 9h - TP : 12h Introduction à la science des matériaux Propriétés mécaniques des matériaux La liaison chimique Cristallographie Défauts dans les cristaux module F216 Les matériaux métalliques Cours : 9h - TD : 9h - TP : 12h Défaillances en service Diagrammes de phases Corrosion module F315 Critères de sélection des matériaux TD : 11h - TP : 4h examen sur les cours et TD pendant la dernière heure de cours du module module F217 Les matériaux non métalliques Cours : 6h - TD : 5h - TP : 4h Céramiques Polymères Composites

2 Introduction au cours de science des matériaux Les matériaux Matériau = solide utilisé par l homme pour la fabrication d objets. Exclus : gaz, liquides, matières énergétiques (charbon, combustibles nucléaires, ) Les matériaux sont en général le facteur limitant des machines définissent le niveau de développement de l humanité Exemple : âge de pierre, puis de bronze, puis de fer maîtrise de l acier maîtrise des semi-conducteurs trains, automobile, informatique moitié de la recherche du programme Apollo : matériaux nouveaux La science des matériaux date des années 1950 avant : procédés empiriques depuis : matériaux élaborés selon les caractéristiques voulues avions, ouvrages d art, ordinateurs, téléphones mobiles, prothèses, satellites,

3 Science des matériaux Les matériaux propriétés liaison chimique arrangement atomique microstructure Génie des matériaux : fabrication et mise en forme des matériaux L utilisation d un matériau dépend : de ses propriétés de ses ressources de son coût des méthodes de synthèse de sa compatibilité avec l environnement de la possibilité de mise en forme de son aspect esthétique cours de science des matériaux pas traités dans ce cours Propriétés des matériaux Propriété : Propriétés de volume / propriétés de surface Classes de propriétés : mécaniques : chimiques : électrique : physiques magnétique : optique : thermique :

La structure des matériaux pièce m (10 0 m) cours : «propriétés mécaniques des matériaux» oeil composant mm (10-3 m) µm (10-6 m) cours : «diagrammes de phase»

$«défauts dans les cristaux» cours : «cristallographie» cours : «la liaison chimique» liaison chimique Fe Fe microscopie électronique diffraction / champ proche Les$ Propriétés mécaniques : Propriétés physiques : Propriétés chimiques : Polymères (matériaux organiques) : Exemples : PVC, PE, PS, PMMA («plexiglas»), PA («nylon»),

Propriétés mécaniques : Propriétés physiques : Propriétés chimiques : Polymères (matériaux organiques) : Exemples : PVC, PE, PS, PMMA («plexiglas»), PA («nylon»),

4 La structure des matériaux pièce m (10 0 m) cours : «propriétés mécaniques des matériaux» oeil composant mm (10-3 m) µm (10-6 m) cours : «diagrammes de phase» cours : «défaillances en service» «corrosion» microstructure (grains/joint de grains) arrangement atomique microscopie optique nm (10-9 m) Å (10-10 m) cours : «défauts dans les cristaux» cours : «cristallographie» cours : «la liaison chimique» liaison chimique Fe Fe microscopie électronique diffraction / champ proche Les classes de matériaux Métaux et alliages : Exemples : Fe, Cu, Al, acier et fonte (Fe-C), laiton (Cu-Zn), bronze (Cu-Sn), Solides atomiques à liaison métallique Propriétés mécaniques : Propriétés physiques : Propriétés chimiques : Polymères (matériaux organiques) : Exemples : PVC, PE, PS, PMMA («plexiglas»), PA («nylon»), PTFE («teflon»), Chaînes d atomes entremêlées Propriétés mécaniques : Propriétés physiques : Propriétés chimiques : intrachaîne : liaison covalente interchaîne : liaison faible

5 Les classes de matériaux Céramiques (matériaux minéraux) : Exemples : silice (SiO 2 ), alumine (Al 2 O 3 ), carbure de tungstène (WC), diamant (C), verres minéraux (ex. : SiO 2 -CaO-Na 2 O), béton, plâtre, brique, porcelaine, faïence, Solides atomiques à liaisons covalentes et ioniques Propriétés mécaniques : très résistants, fragiles Propriétés physiques : Propriétés chimiques : température de fusion très élevée, isolants inertes Composites : Exemples : «fibre de verre» = fibres de verre dans une matrice époxide pneu = fils d acier dans une matrice de caoutchouc «béton armé» = ferraillage noyé dans du béton bois = fibres de cellulose dans une matrice de résine Coût /kg coût pondéral Rolls Royce automobile électroménager sport aéronautique biomédical brosse à dent 10 0 emballage naval 10-1 construction produits manufacturés d après Ashby, 1992

Cycle de vie des matériaux minerai de fer + charbon minière extraction matière première purification, fusion élaboration acier matériau recyclage fabrication déchet tréfilage, traitements, composant

6 Cycle de vie des matériaux minerai de fer + charbon minière extraction matière première purification, fusion élaboration acier matériau recyclage fabrication déchet tréfilage, traitements, composant utilisation produit manufacturé assemblage mât éolienne Coût énergétique des matériaux : Recyclage fabrication des matériaux = moitié de l énergie utilisée par l industrie manufacturière Exemple : usine d élaboration de l aluminium = une tranche de centrale nucléaire (910 MW) Intérêt du recyclage : 1) Préserver les ressources naturelles et éviter les dommages dus à l extraction ; 2) Economiser l énergie ; Exemple : recyclage de l aluminium = 28 fois moins d énergie que la fabrication de l aluminium 3) Eviter l enfouissement ou la destruction. $/tonne prix pondéral du cuivre (London Metal Exchange) source : INSEE

7 Recyclage Recyclage actuel : aluminium (très rentable) - métaux acier : 61% des emballages en acier sont recyclés en Europe Ex. : 2 incinérateurs de déchets du Grand Lyon 5700 tonnes par an pour les aciéries cuivre : - 40% de la demande européenne a été pourvue par le recyclage - 80% du cuivre déjà produit est encore en utilisation - papier - verre (mais peu rentable) - certains polymères (reformage, charges inertes) Recyclage impossible : - certains polymères - composites thermoplastiques thermodurcissables Bibliographie Introduction générale à la science des matériaux : Science et génie des matériaux Callister, éd. Dunod (2003) Des matériaux Baïlon, Ecole Polytechnique de Montréal (2000) Introduction à la science des matériaux Mercier, Zambelli et Kurz, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (1999) Matériaux, tome 1, propriétés et applications Ashby et Jones, éd. Dunod (1991) Précis de métallurgie Barralis et Maeder, éd. Nathan (2005) Aide-mémoire : Aide-mémoire science des matériaux Dupeux, éd. Dunod (2004)

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