MCG 2760 Matériaux de l ingénieur I

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1 1 MCG 2760 Matériaux de l ingénieur I Introduction et structure des solides cristallins

2 PRÉ-REQUIS: HORAIRE - CHM1701 Principes de chimie ou équivalent. 2 Lundi 8:30am to 10:00am room MRT 250 cours 1 Jeudi 10:00am to 11:30am room MRT 250 cours 2 Les cours ont lieu à chaque semaine, sauf les 14 et 17 octobre. Mercredi 7:00pm to 9:00pm STE C0136 tutoriels et laboratoires Ces horaires sont réservés pour les tutoriels et les laboratoires. Quand il n y a pas de laboratoire, il y a un tutoriel. Vous effectuerez 4 travaux de laboratoire durant le semestre, par équipes de 3-4 étudiants. Sessions de laboratoire: Septembre 25, Octobre 9, Octobre 23, Novembre 6 Il n y a pas d activité de laboratoire les 15 et 17 octobre. Les dates auxquelles les rapports sont dus apparaissent dans la liste de dates importantes, plus bas.

3 SUJETS: COURS ET LABORATOIRES 3 Introduction aux structures et propriétés mécaniques des matériaux. Imperfections structurales. Déformation élastique et plastique. Introduction aux diagrammes d'équilibres. Traitement thermique des alliages ferreux. Introduction à la fracture, corrosion, soudage et déformation liés à la durée des métaux. Laboratoire 1: Laboratoire 2: Laboratoire 3: Laboratoire 4: Essais de traction Essais d impact sur matériaux métalliques Propriétés mécaniques des aciers après traitement thermique Durcissement par précipitation des alliages d aluminium Vous pouvez télécharger les notes de cours gratuitement sur une base hebdomadaire à partir du site web du cours " Les étudiants sont encouragés à se procurer un livre de bord au format usuel (22 par 28 cm). Vous pouvez réutiliser un tel livre que vous auriez déjà entamé dans le cadre d un autre cours. Le livre de bord est utilisé pour noter les données de départ et les données attendues, toute information additionnelle fournie lors du laboratoire, certains calculs et toute autre information pertinente. Les calculs complets, discussion et conclusions doivent être présentés dans les rapports de laboratoire qui seront corrigés.

4 4 RÉFÉRENCES ET AUTRES DOCUMENTS Requis: Science et génie des matériaux: un introduction par W.D. Callister, éd. J. Wiley. Toutes les éditions sont généralement équivalentes. Un nombre limité de copies sont disponibles à la réserve de la bibliothèque Morisset. PROFESSEUR ET ASSISTANTS À L ENSEIGNEMENT Dr. Arnaud Weck, CBY A327, #7381, aweck@uottawa.ca. Vous pouvez visiter n importe quand dans la mesure de ma disponibilité. Alternativement, vous êtes encouragés à prendre rendez-vous par courriel. TA s : Aleksandra Nastic anast064@uottawa.ca Simon Baril-Gosselin sbari005@uottawa.ca

5 5 ÉVALUATION Examen Final (à livres fermés) 50% Examen de mi-session (à livres fermés) 20% 4 rapports de laboratoire (2.5% chacun) 10% 5 devoirs (toutes les deux semaines 2% chacun) 10% 2 quizz (5% chacun) 10% Note importante: Vous devez minimalement obtenir une note de 55% pour l examen final pour réussir le cours. Dans l alternative votre résultat final pour le cours sera F, indépendamment du résultat numérique final.

6 6 DATES IMPORTANTES Quizz 1 Septembre 26 - Devoir 1 Octobre 2 * Rapport de laboratoire #1 Octobre 9 - Devoir 2 Octobre 16 Examen de mi-session Octobre 21 * Rapport de laboratoire #2 Octobre 23 - Devoir 3 Octobre 30 * Rapport de laboratoire #3 Novembre 6 Quizz 2 Novembre 14 - Devoir 4 Novembre 13 * Rapport de laboratoire #4 Novembre 20 - Devoir 5 Novembre 27

7 7 ACTIVITES HEBDOMADAIRES Semaine 1: 5 Septembre - Cours 1: Introduction, structure des solides cristallins (structure atomique et liaisons interatomiques) Semaine 2: 9 et 12 Septembre - Cours 2: Structure des solides cristallins (directions et plans cristallographiques) - Cours 3: Structure des solides cristallins (matériaux cristallins et non cristallins) Semaine 3: 16 et 19 Septembre - Cours 4: Propriétés mécaniques (demande, contraintes et déformations, déformation élastique) - Cours 5: Propriétés mécaniques (déformation plastique) Semaine 4: 23 et 26 Septembre - Cours 6: Propriétés mécaniques (mécanique de la rupture) - Cours 7: Propriétés mécaniques (rupture ductile et fragile) + Quizz 1 Semaine 5: 30 Septembre et 3 Octobre - Cours 8: Propriétés mécaniques (fatigue) - Cours 9: Propriétés mécaniques (fluage) Semaine 6: 7 et 10 Octobre - Cours 10: Défauts et durcissement (défauts dans les solides) - Cours 11: Défauts et durcissement (dislocations)

8 Semaine 7: 21 et 24 Octobre - Cours 12: MIDTERM - Cours 13: Défauts et durcissement (mécanismes de durcissement) 8 Semaine 8: 28 et 31 Octobre - Cours 14: Défauts et durcissement (restauration, recristallisation et croissance des grains) - Cours 15: Diffusion Semaine 9: 4 et 7 Novembre - Cours 16: Diagrammes d équilibre (définitions et concepts fondamentaux) - Cours 17: Diagrammes d équilibre (diagramme d équilibre) Semaine 10: 11 et 14 Novembre - Cours 18: Diagrammes d équilibre (système fer-carbone) - Cours 19: Transformation de phase (concepts fondamentaux et cinétique + Quizz 2) Semaine 11: 18 et 21 Novembre - Cours 20: Transformation de phase (diagramme de transformation isotherme) - Cours 21: Transformation de phase (diagramme de transformation de refroidissement continu) Semaine 12: 25 et 28 Novembre - Cours 22: Transformation de phase (Propriétés mécaniques des alliages fer-carbone) - Cours 23: Alliages métalliques (types de métaux and fabrication) Semaine 13: 2 Décembre - Cours 24: Alliages métalliques (traitement thermique des alliages)

9 9 Toutes cette information se trouve sur ce site internet weck.ca dans la catégorie Courses et MCG2760 Matériaux de l ingénieur I Login: mcg2760 Psswd: mcg2760weck Les notes de cours seront disponible avant les cours (si possible)

10 10 MCG 2760 Matériaux de l ingénieur I Introduction: polymères, céramiques, composites

11 Materials Classification 11 Alumina Si-Carbide Ceramics, glasses Soda-glass Pyrex Steels Cast irons Al-alloys Metals Cu-alloys Ni-alloys Ti-alloys GFRP CFRP Composites KFRP Plywood PE, PP, PC PA (Nylon) Polymers, elastomers Butyl rubber Neoprene Polymer foams Metal foams Foams Ceramic foams Glass foams Woods Natural materials Natural fibres: Hemp, Flax, Cotton

12 Introduction 12 Certaines préconceptions sont encore très répandues, selon lesquelles il y a de bonnes pièces faites de métal (= bon matériau) et ensuite il y a de mauvaises/cheap pièces faites de n importe quel autre matériau... (= mauvais matériaux)... Une chose très importante à comprendre et retenir pour ce cours: Il n y a pas de mauvais matériaux! mais il y a de mauvais designs, et de mauvaises spécifications écrites par des gens qui ne connaissent pas assez bien le comportement des matériaux!! Ce cours va vous apprendre les propriétés des matériaux métalliques

13 Introduction 13 Microstructure Liaisons atomique, taille et forme des grain, Triangle des Matériaux Procédé de fabrication Historique de traitement thermique et de déformation, Propriété mécanique, optiques, physique,

14 Structure atomique 14 Tableau périodique

15 Structure atomique 15 Liaisons dans les solides Métallique Ionique Covalente

16 Structure atomique 16 Pourquoi les atomes restent ensemble? Forces d attraction: électron nucleus Forces de répulsion: électron électron et nucleus-nucleus Le principe d exclusion de Pauli a un rôle important pour les force de répulsion. Pour empêcher la violation du principe d exclusion, l énergie potentielle du système doit augmenter très rapidement.

17 Structure cristalline 17 Cristal (ou matériau cristallin) A matériau cristallin est un matériau dans lequel les atomes forment des ensembles périodiques qui se répètent sur de grandes distances atomiques; Structure cristalline = façon d arranger les atomes dans un cristal

18 Structure cristalline 18 Cristal (ou matériau cristallin) Dessin d un A carré B hexagone Structures cristallines Johannes Kepler Strena seu de Nive Sexangula (1611)

19 Structure cristalline 19 Modèle de sphères rigides Maille élémentaire = Plus petite unité de base qui peut reconstruire le cristal en se répétant en translation 3 structures cristalline simples dans les métaux: * cubique faces centrées (CFC) * cubique centrée (CC) * hexagonale compacte (HC)

20 Structure cristalline 20 Cubique faces centrées (CFC) Métaux : Aluminium, cuivre, argent and or R - Les atomes se touchent sur la diagonal d une face Arête du cube =2 2 a = paramètre de maille a - 4 atomes entiers appartiennent a la structure CFC - Nombre de coordination = nombre de premiers voisins = 12 - Compacité (C) = volume des atomes d une maille élémentaire / volume total de la maille élémentaire C = 0.74

21 Structure cristalline 21 Cubique centrée (CC) Métaux : fer, chrome, tungstène R - Les atomes se touchent sur la diagonal du cube Arête du cube =4 3 a a = paramètre de maille - 2 atomes entiers appartiennent a la structure CC - Nombre de coordination = nombre de premiers voisins = 8 - Compacité (C) = volume des atomes d une maille élémentaire / volume total de la maille élémentaire C = 0.68

22 Structure cristalline 22 Hexagonale Compacte (HC) Métaux: cadmium, magnésium, titane, zinc Rapport idéal (théorique) de c/a = Toutefois, la valeur de ce rapport s écarte de la valeur théorique pour certain métaux. (effet sur les propriétés mécaniques!) - 6 atomes entiers appartiennent a la structure HC - Nombre de coordination = nombre de premiers voisins = 12 - Compacité (C) = volume des atomes d une maille élémentaire / volume total de la maille élémentaire C = 0.74

23 Structure cristalline 23 Calculs de masse volumique Nombre d atomes associes a chaque maille élémentaire Masse volumique = Volume de la maille élémentaire Masse molaire Nombre d Avogadro 6.023x10 23 atomes/mol

24 Structure cristalline 24 Polymorphisme et allotropie Polymorphisme = un métal peut avoir plus d une structure cristalline Allotropie = un cas spécifique de polymorphisme pour les solides élémentaires Exemples: Carbone graphite est stable à température ambiante diamant se forme a très hautes pressions Fer pure CC à température ambiante CFC au dessus de 912 C Titane pur HC à température ambiante CC au dessus de 890 C

25 Structure cristalline 25 Polymorphisme et allotropie Allotropie ou allotropisme du grec «autre» + «croissance»

26 Crystal Structure 26

27 Questions 1. Est-ce que les métaux sont meilleurs en terme de propriétés mécaniques que les polymères? 2. Quelles sont les principales familles de matériaux? (donner 4) 3. Quelle est la caractéristique d une liaison métallique? 4. Comment les atomes se tiennent ensemble pour former un solide? 5. Quelles sont les trois structures cristalline les plus communes dans les métaux? 6. Qu est ce qu un model à sphère rigide et qu est ce qu une maille élémentaire? 7. Comment calculer le nombre d atomes dans une maille élémentaire? 8. Définissez le nombre de coordination? La compacité? 9. Comment calculer la masse volumique d un matériau? 10. Qu est ce qu une transformation allotropique? (donnez deux exemples)