Cours Verre et Céramiques (SGM 1, EA 1 ) DUT SGM 2012

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1 Cours Verre et Céramiques (SGM 1, EA 1 ) DUT SGM 2012 IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin Version du 15 Septembre 2011 IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin Cours Verre et Céramiques (SGM 1, EA 1 ) DUT SGM 2012

2 1 Microstructure Objectifs (microstructure) : Les liaisons fortes covalente ionique métallique mixte Les liaisons faibles Van der Waals Au bilan... 2 Les potentiels d interaction Définition Lennard Jones Relation avec les propriétés physiques Les forces dérivant Résumé Architecture atomique. Généralité Exemple de la silice Module d Young Coefficients de dilatation IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin Cours Verre et Céramiques (SGM 1, EA 1 ) DUT SGM 2012

3 3 Propriété mécaniques : première partie constatation Objectifs (mécanique) : Matériaux fragiles Module d Young Resistance mecanique Expérience de Griffith (1921) Défauts de surface Une mesure intrinsèque Essais de ténacité méthode de mesure Quelques valeurs (ODG) Pourquoi MPa.m 1/2 conclusion 4 Propriété mécaniques : deuxièmememt compréhension Modèle énergétique de Griffith Condition "énergétique" Critère mécanique Statistique de Weibull Loi de Weibull IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin Cours Verre et Céramiques (SGM 1, EA 1 ) DUT SGM 2012

4 5 Propriété mécaniques : Autres méthodes de mesure Introduction Essais "Charpy" Résistance à la perforation Energie à rupture 6 Propriété mécaniques : troisième partie "plasticité" Origine de la plasticité matériaux ioniques transition ductile-fragile extension du critère de Griffith Objectifs (verres) : 7 Les verres Introduction Formulation des verres microstructure Notion de transition vitreuse Formateurs et Modificateurs de réseaux Trempe thermique Trempe chimique Effet des impuretés IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin Cours Verre et Céramiques (SGM 1, EA 1 ) DUT SGM 2012

5 Verres et sécurité. Verres trempé et durci Verres de sécurité... Le choc thermique Objectifs (bétons) : 8 Bétons Définitions Introduction Préparation (1) Les granulats / la "granulo" Prise du ciment Mesure du temps de prise Le phénomène dépend... Temps de prise vs température Aspect thermodynamique ettringite Mise en oeuvre : béton armé Classes et sous classes de résistances Broyage compacite max Objectifs (process) : IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin Cours Verre et Céramiques (SGM 1, EA 1 ) DUT SGM 2012

6 9 Mise en oeuvre Temperatures Quelques méthodes de mise en oeuvre Les bétons (compacité max) Les verres creux Les verres plats Les céramiques Triax L emballage IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 4

7 Première partie I Microstructure IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 4

8 1. Microstructure Au programme... 1 Microstructure Objectifs (microstructure) : Les liaisons fortes covalente ionique métallique mixte Les liaisons faibles Van der Waals Au bilan... IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 5

9 1. Microstructure 1.1 Objectifs (microstructure) : - Microstructures - 1 Connaître les différents types de liaisons (structure) 2 Exprimer les conséquences sur les propriétés physiques 3 Identifier architecture atomique (et fonctions de corrélation de paires associées) 4 Comprendre la ductilité des matériaux en relation avec leur structure IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 6

10 1. Microstructure 1.2 Les liaisons fortes Définition : Type de liaison Il existe trois types principaux de liaisons fortes. Elles se différencient par leurs actions sur les électrons de valence (couches externes). Liaisons covalentes Liaisons ioniques Liaisons métalliques IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 7

11 1. Microstructure 1.2 Les liaisons fortes covalente Définition : Liaison covalente Partage d électrons de valence entre 2 atomes Liaison directionnelle La couche extérieure des éléments doit être au moins à moitié pleine ex. : le diamant. IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 8

12 1. Microstructure 1.2 Les liaisons fortes covalente Figure: Liaison covalente IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 9

13 1. Microstructure 1.2 Les liaisons fortes ionique Définition : Liaisons ioniques Perte et gain d électrons de valence entre 2 atomes Attraction entre les ions de signe opposé ( kj.mole 1 ) Liaison non-directionnelle Liaison entre les éléments qui ont beaucoup et peu d électrons de valence ex. : NaCl Na + + Cl le sodium cède son électron au chlore Halogénures alcalins (NaCl, KCl), Alcalino-terreux (MgCl2, CaCl2, BaCl2) Majorité des oxydes (MgO, CaO, Al2O3) IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 10

14 1. Microstructure 1.2 Les liaisons fortes ionique Figure: Liaison ionique IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 11

15 1. Microstructure 1.2 Les liaisons fortes ionique IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 12

16 1. Microstructure 1.2 Les liaisons fortes ionique IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 13

17 1. Microstructure 1.2 Les liaisons fortes métallique Définition : Liaison métallique Abandon et délocalisation des électrons de valence entre les atomes. formation d une structure d ions + noyés dans un nuage d électrons concerne des éléments possédant peu d électron de valence les électrons mobiles expliquent les conductivités thermique et électrique élevées des métaux ex. : Fe, Cu, Al, etc. IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 14

18 1. Microstructure 1.2 Les liaisons fortes métallique Figure: Liaison métallique IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 15

19 1. Microstructure 1.2 Les liaisons fortes mixte Définition : Liaisons mixtes Il est relativement rare de rencontrer des liaisons purement covalente ou purement ionique. Selon l électronégativité des atomes, le caractère ionique ou covalent est plus ou moins marqué. On les appelle aussi «covalente polaire», «iono-covalente» Liaison covalente pure liaison mixte liaison ionique Position moyenne du doublet H H H Cl Na Cl Modèle H - H +d H-Cl -d Na + Cl - IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 16

20 1. Microstructure 1.3 Les liaisons faibles Définition : Liaisons faibles Les liaisons faibles ne mettent pas en jeu les électrons des atomes, mais reposent sur des interactions dipolaires. Leur énergie est relativement faible de quelques dizaines de J.mol 1 à quelques dizaines de kj.mol 1. Liaisons de Van der Waals Liaisons Hydrogène IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 17

21 1. Microstructure 1.3 Les liaisons faibles Van der Waals Définition : Liaison de Van der Waals Effet d orientation de Keesom : C est une orientation de type "dipôle permanent - dipôle permanent". Elle s effectue donc entre molécules polaires, c est-à-dire possédant un moment dipolaire non nul. Effet d induction de Debye : C est une orientation de type "dipôle permanent - dipôle induit". Elle s effectue donc entre une molécule polaire et une molécule apolaire qui se polarise sous l effet du champ électrique créé par la molécule polaire (d où le terme "induit"). Effet de dispersion de London : C est une orientation de type "dipôle instantané - dipôle induit" ou "dipôle instantané - dipôle instantané". Elle s effectue donc entre deux molécules apolaires. IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 18

22 1. Microstructure 1.4 Au bilan... Caractère mixte ou hybride des liaisons atomiques Diamant, Si, Ge Covalente Polymères graphite Céramiques SiO 2 Métaux Fe, Ni, Co Van der Waals mica Métallique Cu, Na, Ag H 2 O, N 2, Cl 2 Ionique NaCl, MgO, Al 2 O 3 Figure: Bilan des interactions IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 19

23 2. Les potentiels d interaction Au programme... 2 Les potentiels d interaction Définition Lennard Jones Relation avec les propriétés physiques Les forces dérivant Résumé Architecture atomique. Généralité Exemple de la silice Module d Young Coefficients de dilatation IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 20

24 2. Les potentiels d interaction 2.1 Définition Définition : Potentiel Les interactions entre atomes sont régies par des «potentiels» (il s agit en fait d énergie potentielle) d interaction. U Répulsion à courte distance (principe de Pauli) d Attraction à longue distance (état solide ou liquide) Le principe est de superposer une composante attractive (qui justifie la liaison) et une répulsive (qui décrit les atomes comme des «sphères rigides»). La forme la plus classique est le potentiel de Lennard-Jones. IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 21

25 2. Les potentiels d interaction 2.1 Définition Lennard Jones Potentiel de Lennard-Jones Energie potentielle 0.3 répulsion (r12) attraction (r6) 0.2 totale Distance atomique [ ( r0 r Uo énergie de cohésion atomique ao distance inter-atomique au zéro absolu r rayon de courbure Ua potentiel électrostatique d attraction Ur potentiel électrostatique de répulsion ) 12 ( r0 r ) 6 ] E p (r) = 4 E 0 Le terme puissance 6 (attractif) domine à grande distance (ici interactions de Van der Waals) ; on peut le démontrer rigoureusement dans le cadre de la physique classique. L exposant 12 du terme répulsif domine à courte distance, est empirique pour décrire au mieux l impossibilité d interpénétration mutuelle des nuages électroniques de deux atomes. IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 22

26 2. Les potentiels d interaction 2.1 Définition Relation avec les propriétés physiques Potentiel de Lennard-Jones E = 0.1 ev E = 0.2 ev E = 0.3 ev Energie potentielle Distance atomique Figure: Potentiel de Lennard-Jones pic pointu, profondeur Uo élevée, pente raide : - liaisons covalentes, ioniques, métalliques pic évasé, profondeur Uo faible, courbe évasée : - force de Van der Waals IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 23

27 2. Les potentiels d interaction 2.1 Définition Les forces dérivant Conséquences de Lennard-Jones E = 0.1 ev E = 0.2 ev E = 0.3 ev Force entre atomes Attractif Répulsif Distance atomique Figure: Force d interaction IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 24

28 2. Les potentiels d interaction 2.2 Résumé Type de liaison Propriétés T f E α σ r Covalente e e f f Ionique e e f f Métallique m-e m-e m-f m-e Van der Waals f f e f -> f = faible -> m = moyen -> e = élevé IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 25

29 2. Les potentiels d interaction 2.3 Architecture atomique. - Devoir Maison - # 1 Combien trouve-t-on d atomes dans un centimètre cube de solide? Rmq : Aide... La distance classique entre deux atomes est de l ordre de 1Å... Rmq : Réponse Vous devriez trouver un nombre proche d une des plus grandes constantes connue en physique. IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 26

30 2. Les potentiels d interaction 2.3 Architecture atomique Généralité Comment disposer atomes dans 1cm 3 de solide? Deux cas extrêmes sont possibles : En ordre, solides cristallins : - métaux - céramiques - polymères En désordre solides amorphes : - polymères - céramiques - verres - carbone - métaux SOLIDE CRISTALLIN Solide amorphe (ou liquide) Figure: Cristallin vs amorphe IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 27

31 2. Les potentiels d interaction 2.4 Exemple de la silice Figure: Quartz versus Silice IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 28

32 2. Les potentiels d interaction 2.5 Module d Young U F S l E 0 l 0 U 0 Module d Young plus faible E d Module d Young plus élevé Figure: Potentiel d interaction / module d Young IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 29

33 2. Les potentiels d interaction 2.6 Coefficients de dilatation U L. T U 0 d U 0 Figure: Potentiel d interaction / Coefficient de dilatation IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 1 Microstructure P. 30

34 2. Deuxième partie II Propriétés mécaniques IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 2 Propriétés mécaniques P. 31

35 3. Propriété mécaniques : première partie constatation Au programme... 3 Propriété mécaniques : première partie constatation Objectifs (mécanique) : Matériaux fragiles Module d Young Resistance mecanique Expérience de Griffith (1921) Défauts de surface Une mesure intrinsèque Essais de ténacité méthode de mesure Quelques valeurs (ODG) Pourquoi MPa.m 1/2 conclusion IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 2 Propriétés mécaniques P. 32

36 3. Propriété mécaniques : première partie constatation 3.1 Objectifs (mécanique) : - Mécanique - 1 Savoir définir la résistance mécanique 2 Connaître les expériences de Griffith 3 Identifier une mesure intrinsèque 4 Comprendre la notion de ténacité : Définition méthode de mesure (trois modes) quelques valeurs typiques Pourquoi MPa.m 1/2 5 transition ductile / fragile 6 Modèle de Griffith (énergétique et mécanique) 7 Extension aux matériaux ductiles 8 Autres caractérisations de la "ténacité" (résilience, énergie à rupture, etc.) 9 La concentration de contraintes (Kt) IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 2 Propriétés mécaniques P. 33

37 3. Propriété mécaniques : première partie constatation 3.2 Matériaux fragiles Définition : Fragile? Un matériau est dit fragile lorsqu il rompt brutalement. Sa courbe contrainte déformation demeure linéaire (élastique) jusqu à rupture où toute l énergie élastique emmagasinée est libérée. Définition : Ductile? Un matériau est dit ductile lorsqu il absorbe de l énergie sous forme de déformation plastique avant rupture. IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin 2 Propriétés mécaniques P. 34

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