Choix des matériaux. Technologie des matériaux Cours 1. Références Chapitre 15 (p ) Paragraphe 1.2 (p 8 22) Lire p

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1 Choix des matériaux Technologie des matériaux Cours 1 Références Chapitre 15 (p ) Paragraphe 1.2 (p 8 22) Lire p MATÉRIAUX Beaucoup de problèmes liés à la conception, à la fabrication, à l assemblage ou à la tenue en service des machines et des structures proviennent d une mauvaise utilisation des matériaux 1-2 1

2 Pourquoi étudier le choix des matériaux Les ingénieurs choisissent des matériaux qui servent à la fabrication des pièces, des machines et des structures. Des mauvais choix peuvent être désastreux: sécurité économique 1-3 Objectifs du cours 1 Décrire la démarche à suivre pour déterminer si un matériau convient à la fabrication d une pièce donnée. Décrire les grandes familles (classification) des matériaux Décrire quelques cas pratiques de choix et d utilisation de matériaux Cellule des avions. Disque de freins et chemise d automobile en composites Outils de coupe Prothèse de la hanche. Définir l indice de performance des matériaux: méthode Ashby Recyclage des matériaux 1-4 2

3 Nouveau produit Étude du concept (fonctions, exigences) Étude de faisabilité Mise au point d un prototype Évaluer le comportement en service Tenir compte de facteurs technologiques Étude de production Équipements disponibles Coûts de production Fabrication 1-5 Produit existant Réduire les coûts Matières premières Fabrication Production Énergie Améliorer le produit Réduire la masse Fiabilité Longétivité 1-6 3

4 Cycle de vie des matériaux M. F. Ashby: Matériaux et environnement- Choix éco-responsible en conception, Dunod, Paris, Énergies par cycle de vie de produits M. F. Ashby: Matériaux et environnement- Choix éco-responsible en conception, Dunod, Paris,

5 Energie: cas du PET M. F. Ashby: Matériaux et environnement- Choix éco-responsible en conception, Dunod, Paris, Procédure: Évaluation des besoins Exigences fonctionnelles Exigences technologiques Exigences économiques Exigences sociales Conditions d utilisation Contrainte Température Environnement Longevité Fiabilité Sollicitations mécaniques

6 Classification des matériaux Les métaux (ferreux et non ferreux) Les céramiques (SiC, béton, diamant, nitrure de silicium, alumine, silice vitreuse, etc..) Les polymères: élastomères, époxydes, nylons, polyéthylène(pe), polycarbonate (PC), polypropylène (PP), etc.. Les composites Autres Les biomatériaux (certains métaux, céramiques et polymères) Les matériaux de pointe (utilisés dans la haute technologie: lecteurs de disques compacts, fibres optiques, nanomatériaux, etc) 1-11 Production et utilisation des matériaux Utilisation en terme de volume par gande famille M. F. Ashby: Matériaux et environnement- Choix éco-responsible en conception, Dunod, Paris,

7 Métaux et leurs types Les métaux et alliages ferreux (aciers, fontes) Production mondiale 20 fois plus élevée que celle des autres métaux. Excellentes propriétés mécaniques Grande facilité de travail Prix de revient peu élevé Très sensibles à la corrosion Moins appropriés pour applications nécessitant rigidité et poids faible 1-13 Coûts relatifs des matériaux Coût relatif = coût par unité de masse divisé par le coût par unité de masse d un matériau courant (acier au carbone ordinaire A36) Calister: Science et génie des matériaux

8 Coût relatif: cas des polymères Calister: Science et génie des matériaux 1-15 Classification SAE des aciers Type d acier % d alliage Teneur en carbone 1 Le premier chiffre indique le type d acier; il donne l alliage prédominant dans l acier 2. Le deuxième chiffre indique la teneur en % de l élément d alliage principal autre que le carbone Les 2 (ou 3) derniers chiffres indiquent la teneur en carbone en centième de pourcentage

9 Classification SAE des aciers 1 er chiffre 2 ème chiffre Code 0 Courant 10 XX 1 Avec soufre 11 XX 1 Carbone 2 Avec phosphore 12 XX 3 Avec manganèse 13 XX 0 Nickel = 0.50 % 20 XX 1 Nickel = 1.5 % 21 XX 2 Nickel 3 Nickel = 3.50 % 23 XX 5 Nickel = 5. 00% 25 XX 0 Ni = 0.70 %, Cr = 0.70 % 30 XX 1 Ni = 1.25 %, Cr = 0.60 % 31 XX 3 Nickel-Chrome 2 Ni = 1.25 %, Cr = 1.00 % 32 XX 3 Ni = 3.50 %, Cr = 1.50 % 33 XX 1-17 Classification SAE des aciers 1 er chiffre 2 ème chiffre Code 1 Mo = 0.25% Cr = 1 % 41 XX 3 Mo = 0.25% Cr = 0.80 % Ni = 1.75 % 43 XX 4 Molybdène 6 Mo = 0.25% Ni = 1.75 % 46 XX 8 Mo = 0.25% Ni = 3.75 % 48 XX 0 Faible teneur ( 0.50%) 50 XX 5 Chrome 1 Teneur moyenne ( 1 %) 51 XX 2 Haute teneur ( 1.50%) 52 XX 6 Chrome-vanadium 1 Chrome = 1%, vanadium = % 61 XX 1 Ni = 0.30% Cr = 0.40% Mo = 0.10 % 8 Nickel-chrome- 6 Ni = 0.55% Cr = 0.50% Mo = 0.20 % Molybdène 8 Ni = 0.55 % Cr = 0.50% Mo = 0.35 % 9 Silicium-manganèse 2 Manganèse = 0.85% Silicium = 0.35 % 81 XX 86 XX 88 XX 92 XX

10 Aciers à outils Source: Baïlon et Dorlot, Des Matériaux 1-19 Métaux et alliages non ferreux Aluminium; magnésium, cuivre, titane, zinc, etc. Métaux réfractaires (Tf élevée): niobium, molybdène, tungstène, tantale. Superalliages à base de nickel ou de cobalt Avantages des métaux non ferreux Grande résistance à la corrosion Grande facilité de formage, de travail à l outil et à la forge Meilleur fini de surface Meilleures propriétés mécaniques et physiques que les métaux ferreux (à poids égal) Plus coûteux que les métaux ferreux

11 1er chiffre Principal élément d addition ou série dans laquelle se situe l alliage Cu Mg Si Zn Classification de l aluminium Les 2 derniers chiffres Nuance d alliage 2 ème chiffre dans une famille Modification de l alliage de base (0 aucune modification) La série 1000 (aluminium pur) a un système différent 1-21 Alliages d aluminium Série Éléments d addition principal Exemples 1000 Aluminium pur (99%) 1060/ 1100/ Cuivre 2014/ 2024/ Manganèse 3003/ 3004 / Silicium 4032/ Magnésium 5005/ 5052/ Magnésium + silicium 6013/ 6061/ Zinc 7050/ 7075/ Autres éléments

12 Principaux alliage d aluminium en feuille utilisés en aéronautique Aluminium -zinc : 7050, 7075, 7175, 7475 Aluminium - cuivre: 2024, 2014 Aluminium - magnésium-silicium: 6061 Aluminium lithium: 8090 Aluminium-magnésium: 5052 Éléments d addition Effets Cu ou Zn Augmente la résistance mécanique (+++) Mg ou Si : Augmente résistance à la corrosion atmosphérique Cr ou Ti Modifie la granulométrie 1-23 Quelques cas pratiques Aéronautique: Cellule des avions. Automobile: disque de freins et chemise d automobile en composites Fabrication: Outils de coupe Santé: Prothèse de la hanche

13 Facteurs influençant le choix des matériaux en aéronautique Poids Résistance au chocs et à la corrosion Résistance à la fissuration Coût Compatibilité avec les autres matériaux Usinabilité Disponibilité sur le marché 1-25 La cellule, Alliages Métalliques Upper wing skin 7055-T7751 Aluminum alloy Fuselage 2425-T3 (C188) Wing Spars 7075-T7351 Aluminum alloy Doors - Aluminum casting or forging Slat Ribs Cast Titanium Landing gear Aermet 100 Pedestal AluminumCasting Source: P. Bertrand, tiré de Mec 785 Winglet structure Aluminum Forging (7050-T7352) Engine pylons Lower wing skin High strength and 7475-T7751 toughness stainless steel Aluminum alloy MEC-200 (several Technologie choices) des matériaux

14 La cellule, les matériaux La plus part du temps, Aluminium 2024 surtout (résistance à la fatigue), et 7075 Rivetée (résistance à la fatigue!) Automatique de plus en plus Le design de la structure est très affectée par la résistance à la fatigue ( crack stoppers ) Beaucoup de recherche sur le soudage de l aluminium 1-27 La cellule, les matériaux Composite Encore dans son enfance Très utilisé dans structure secondaire Primaire sur empennage parfois Beaucoup de recherche sur aile en composite sur avion commercial Avantage de poids Avantage de coûts beaucoup de travail sur ce point ces dernières années Problèmes: recyclage et inspection

15 La cellule, les matériaux Acier Endroit où les charges sont très concentrées Train d atterrissage surtout Alliages de titane (titanium) Encore très coûteux Utilisée là où on a pas le choix (résistance à haute température) 1-29 Métaux vs Composites Avantage poids: attentions, les composites requièrent des compromis concentration des charges dans des montages métalliques» épaisseurs pour éviter la corrosion bimétallique pauvre résistance aux impacts: requiert des épaisseurs importantes» inspection sur le champ difficiles (délamination!) on peut permettre le flambages des structure métalliques, pas des composites Avantages coûts: jusqu a présent, on y travaille encore Amélioration de la ténacité (effets d interfaces)

16 Matériaux Mais quels matériaux utiliser? Materiel R m E Prix Ksi Msi lb/cu.in. $/lb Acier AISI Aluminium 2024-T Graphite T Kevlar Rm: résistance mécanique, UTS (anglais) Tiré de: Hollmann, «Composite Aircraft Design», 1990 prices 1-31 Matériaux Faisons quelques rapports Matériel Rm/ E/ Rm/ E/ Ksi/(lb/cu.in) Msi/(lb/cu.in) /($/lb) /($/lb) Acier AISI Aluminium 2024-T Graphite T Kevlar Historiquement, l aluminium s est avéré le meilleur compromis entre force, rigidité, poids et prix en plus de résistance à la corrosion, fatigue, facilité d usinage, etc... Source: P. Bertrand, tiré de Mec

17 Composite à matrice métallique Al-9 Si + 20 vol% SiC Vsongmene, PhD Thesis, Applications des CMM Disque de frein Chemise de piston Réduction de poids. Bonne résistance à l usure. Meilleures propriétés de lubrification Expansion thermique réduite. Bonne résistance à l usure. Meilleures propriétés de lubrification Poids réduit Consommation d essence réduite. Les particules de renfort (céramique) sont dures et abrasives

18 La Lotus Elise, ère voiture sport contenant des disques de freins en composite d aluminium renforcé des particules de céramique Salon de l auto, Frankfurt, 1995 Perfmance and efficiency through light weight 700 kg curb weight 1.8 Litre 4 cylindre; 0-100km/h en 5.9 seconds 1-35 Prothèse de hanche Schéma indiquant l emplacement de l articulation de la hanche dans le corps humain. Schéma d une prothèse Radiographie d une prothèse Quel matériau? Source: Calister- Science des matériaux

19 Spec. - Matériaux des prothèses de hanche Biocompatible pour minimiser le rejet. Résistance à la corrosion (moins de 2.5 x 10-4 mm/année). Résister aux forces de gravité Re min : 500 Mpa ; Rm : 650 Mpa (traction) E = celui de l os: 17.4 Gpa // axe de l os et 11.7 Gpa Résister à la fatigue limite de fatigue en flexion: 400 Mpa à 10 7 cycles. Autre: reproductibilité des propriétés et coût 1-37 Matériaux usuels des prothèses de hanche Acier inox: 316L forgé et écroui (pour mieux résister à la corrosion) Alliage cobalt-nickel-chrome molybdène forgé à chaud MP35N par ex( 35%m Ni, 20%m Cr, 10%m Mo): Bonne rigidité alliage de titane: Ti-6Al-4V forgé à chaud Ti-6Al-4V: 90%m Ti, 6%m Al et 4%m V le plus biocompatible Alliage Module D élasticité E (Gpa) Limite d élasticité Re (Mpa) Résistance à la traction (Mpa) Allongement à la rupture (%) Limite de fatigue 10 7 cycles (Mpa) Vitesse de corrosion (10-4 mm/an) Inox 316L MP35N Ti-6Al-4V Source: Calister- Science des matériaux

20 Résistance à la chaleur Résistance à la rupture Résistance à l'abrasion Résistance au frottement Source: Minicut Profondeur de coupe, Avance, Interruptions Contraintes mécaniques, Chocs Outils de coupe: Propriétés requises dureté élevée > à celle du matériau usiné. rigidité élevée. résistance mécanique élevée. Résistance aux chocs mécaniques Résistance aux chocs thermiques Maintenir dureté à chaud bonne tenue à chaud. bonne résistance à la friction. bonne stabilité chimique. Résistance aux réactions chimiques à l abrasion Maintenir dureté à chaud Vitesse de coupe Temperature 1-39 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

21 Comment choisir un matériau pour une application donnée? Méthode Ashby: Indice de performance ou indice de mérite des matériaux 1-41 Interactions fonction-matériau-procédé-géometrie (selon Ashby) MEC 200 (Tech. matériaux) Fonction supporter une charge; poids minimal transmettre la chaleur; coût minimal contenir un presssion, impact stocker de l énergie environnemental Etc.. minimal; Matériaux Géometrie MEC 300 Fabrication Mec 624; 625; 626; 722; 785 Procédé MEC129- CAO MEC 329- RDM MEC 529- machines

22 Indice de performance des structures Résistance mécanique imposée Sans écoulement Sans rupture Re Rm Résistance mécanique 1-43 Exemple d indice de performance - torsion

23 Indice de performance en torsion P 2 Rm 3 ρ ou P 2 Re 3 ρ Source: Calister- Science des matériaux 1-45 Résistance min. recherchée: R = 300 Mpa Indice de performance en torsion P Rm ρ 2 3 Par exemple, si on désire au moins P=10 10 Source: Calister- Science des matériaux

24 Rigidité : E en fonction, déformation max imposée Fig Livre Torsion Compression Traction Source: Baïlon et Dorlot, Des Matériaux 1-47 Résistance = f(coût par unité de volume et masse volumique) Flexion Fig Livre Torsion Traction ou pression C R : Coût/volume C R = Coût du matériau considéré /vol Coût du même vol. en acier Source: Baïlon et Dorlot, Des Matériaux

25 Procédure d établissement d un indice de performance Étapes Actions 1 Définir les spécifications de conception - Fonction : que fait le matériau et dans quel environnement - Objectif : maximiser ou minimiser quoi - Contraintes : Exigences essentielles à satisfaire (rigidité, résistance, tenue à la corrosion, mise en forme,..) 2 Fonction objective : écrire l équation 3 Identifier les variables au choix 4 Écrire les équations exprimant les contraintes (pas déformation, pas de rupture, etc..) 5 Éliminer les variables libres entre les équations de contraintes et la fonction objectif 6 Regrouper les variables en trois : spécifications fonctionnelles (F) géométrie (G) et prop. Des matériaux (p) 7 Isoler l indice de performance du matériau 1-49 Recyclage des matériaux biodégradable Terre Matières premières Recyclage ou reutilisation Déchets Synthèse et traitement Utilisation agriculture, construction, santé, sport, environnement, communication, transport, etc.. Matériaux d ingénierie Conception fabrication assemblage

26 Recyclage des matériaux Les alliages ferreux subissent la corrosion et sont donc biodégradables. Alliages de Al Résistent à la corrosion et donc ne sont pas biodégradables Ré-utilisables Argent et plomb toxiques : enfouissement dangereux Verre inerte donc pas biodégradable; recyclage non économique Composites difficilement recyclables (nature multiphasée) Polymères : non biodégradables mais recyclables Quel est le bon choix? M. F. Ashby: Matériaux et environnement- Choix éco-responsible en conception, Dunod, Paris,

27 Pare-choc de voiture en acier ou en aluminium? M. F. Ashby: Matériaux et environnement- Choix éco-responsible en conception, Dunod, Paris, Conception écologique des produits M. F. Ashby: Matériaux et environnement- Choix éco-responsible en conception, Dunod, Paris,

28 À retenir Une bonne conception mécanique dépend d une bonne sélection du matériau. Les matériaux sont divisés en plusieurs classes. L ingénieur doit être capable de déchiffrer la classification des matériaux usuels. Il existe des méthodes de choix des matériaux qui nous aident à sélectionner un ou plusieurs matériaux pour une application donnée. D ici la fin de la session vous devez être en mesure de choisir convenablement des matériaux