Liaison chimiques, Structures cristallines, défauts dans les cristaux

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1 Session 3 Liaison chimiques, Structures cristallines, défauts dans les cristaux Références : Chapitre 2 et Les propriétés d un matériau dépendent du type de liaison atomique, mais aussi de la structure cristalline et des défauts internes! 3-2

2 Liaisons Structure Composition chimique Défauts Propriétés Rigidité Résistance mécanique Ductilité Température de fusion Coefficient de dilatation ther. 3-3 Section 1 : Liaisons atomiques Liaisons de forte intensité (primaires) liaisons covalentes liaisons ioniques liaisons métalliques Liaisons de faible intensité (secondaires) : Van der Waals et pont hydrogène Types de liaisons atomiques déterminent les propriétés fondamentales des matériaux Exemple : Fragilité --> matériaux covalents et ioniques Ductilité ---> matériaux à liaison métallique 3-4

3 Objectifs section 1 1. Définir les différents types de liaisons atomiques 2. Expliquer le lien entre les liaisons atomiques et les propriétés caractéristiques des classes de matériaux 3. Comprendre la classification des métaux 3-5 Liaisons ioniques Transfert d électron d un atome (métallique) à un autre (non métallique) Perte de neutralité : ion positif (cation) et ion négatif (anions) : forte attraction Liaison forte (couche externe saturée) et non directionnelle Ex: NaCl (Na+ Cl-) Forme des réseaux cristallins compacts Aspect gémétrique : R/r 3-6

4 Liaison Covalente 3-7 Liaison métallique Électrons sont partagés entre ions positifs du réseau : Nuage d électrons mobiles qui ne sont plus localisés entre les atomes (liaison covalente) ou sur un ion (liaison ionique) Liaison non directionnelle Cations et électrons peuvent se déplacer aisément sans briser la structures cristalline Conduction Ductilité Energie de liaison variable - Mercure : Tf = -39 C - Tungstène : Tf= 3410 C 3-8

5 Forces dans les liaisons métalliques 3-9 Liaison de Van der Walls 3-10

6 Métaux 3-11 Métaux Liaisons métalliques (et covalentes) Structures cristallines Bons conducteurs de chaleur et d électricité à cause de la haute mobilité d électrons Ductiles à cause de leur capacité de casser et de reformer des liaisons sans briser la structure cristalline 3-12

7 Céramiques 3-13 Céramiques Liaisons ioniques et covalentes Oxydes métalliques à structure cristalline Al 2 O 3, MgO, TiN, TiC (Diamant, graphite et verre) Liaisons fortes Structure cristalline compact, non ductile Pourcentage de liaison ionique dépend de la différence d électronégativité (règle de Pauling) 3-14

8 Céramiques Bons isolateurs de chaleur et d électricité à cause du manque de mobilité d électrons (pas d e- libres) Fragiles à cause de leur incapacité de casser et de reformer des liaisons sans briser la structure cristalline Rigides et dures, température de fusion élevée à cause de la force des liaisons ioniques et covalentes 3-15 Polymères Liaisons covalentes utilisées dans la création de chaînes de polymères Chaines reliées entre elles par des liaisons secondaires (Van der Waals & ponts hydrogènes) Les polymères sont typiquement moins résistants et rigides que métaux et céramiques, car leurs propriétés sont contrôlées par des liaisons secondaires. 3-16

9 Polymères 3-17 Caractère mixte des liaisons Céramiques Covalente Diamant Polymères De Van Der Waals S i O 2 Mica As Fe Cr Métaux Métallique ionique (Al 2 O 3, MgO) 3-18

10 Liaisons et propriétés 3-19 Comportement en traction des matériaux verre fonte céramique béton «Thermodurcissable» Métaux et alliages Élastomères 3-20

11 Relation E -αet type de liaison 3-21 Liaisons ioniques ou covalentes 3-22

12 Liaisons métalliques 3-23 Liaisons faibles 3-24

13 *** À retenir *** Liaisons fortes: Covalente, ionique, métallique E élevé et α faible 3-25 Section 2 Structures cristallines des métaux. Notions de compacité. Calcul de masse volumique Système et réseaux cristallins Directions et plans cristallographiques Arrangement des atomes dans un réseau Densités (linéaire et surfacique) Défauts dans les cristaux 3-26

14 Objectifs section 2 Dessiner les mailles élémentaires des CC, CFC et HC. Établir les relations entre la longueur de l arrête d une maille et le rayon atomique. Calculer à partir des dimensions de la maille la masse volumique des métaux CC et CFC Définir les plans et directions denses et calculer la densité suivant ces directions et plans. Connaître les types de défauts rencontrés dans les cristaux et leur impact sur les propriétés Matériau monocristallin Matériau constitué d un seul grain (aucun joints de grain) Matériau polycristallin Cristallinité Matériau constitué de grains et de joints de grain 3-28

15 Influence de la vitesse de refroidissement Amorphe ou vitreux cristallin 3-29 Systèmes cristallins 3-30

16 Structure cristallines principales des métaux purs Nombre d atomes dans la maille? CC HC CFC 3-31 Tableau des structures cristallines à Température ambiante BCC: cubique à corps centré: CC FCC: cubique à faces centrées: CFC HCP: Hexagonale compacte: HC 3-32

17 Directions Directions et plans cristallographiques Plan plan (243) 3-33 Indice de Miller Méthode pour définir les directions et les plans 1- Intersections 2- Inverser 3- Réduire au plus petit dénominateur 4- Numérateur = indice Miller x y z 1 ½ 2/ / (243) NB: Un plan // à un axe porte l indice 0 par rapport à cet axe car Intersection = infini et que l inverse de l infini est zéro. 3-34

18 CFC et CC CDROM numéro 83 Plans denses 4R a = 3 a = 2R atomes par maille Cours #3 CFC Sites polyédriques Sites CFC Sites tétraédriques CC Sites octaédrique CC Sites tétraédrique 3-36

19 NaCl et CsCl NaCl (2 mailles CFC) Cs+ Cl- CsCl CC avec un Cl au centre ( 2 mailles CC) 3-37 Cas du graphite et du diamant CFC Forte liaison covalente Van der Walls Structure hexagonale Forte liaison covalente 3-38

20 Les défauts dans les cristaux 3-39 Lacune Défauts ponctuels Défaut auto-intersticiel Atome en solution de substitution Atome en insertion (O, H, C) 3-40

21 Précipités et inclusions (saletés) Cohérent Semi-cohérent Introduit des distorsions élastiques Incohérent Nuit aux propriétés mécaniques 3-41 Dislocations Une dislocation est l introduction d un demi-plan supplémentaire. C est un défaut linéaire qui définit la frontière entre une région déformée et non-déformée du cristal. 3-42

22 Dislocations Dislocations cristal parfait Coin b=0 Vis 3-43 Joints de grains Surface d accolement des grains Directions cristallographiques 3-44

23 Macles Défauts dans l ordre d empilement des couches atomiques Plan de maclage 3-45 Mécanisme de déformation des matériaux métalliques 3-46

24 Mécanismes de glissement 3-47 Glissement d un cristal parfait (i.e sans dislocations) τ = F S 0 cosθ cos χ 3-48

25 Glissement d un cristal parfait (i.e sans dislocations) 3-49 Dislocations 3-50

26 Glissement par mouvement des dislocations 3-51 Dislocations 3-52

27 Dislocations Joint de grain 3-53 Multiplication des dislocations Voir CD-Rom: (3.4.2 et 4.2.7) 3-54

28 Amélioration des propriétés Tout ce qui bloque le mouvement des dislocations augmente la résistance élastique (Re) d un matériau 3-55 Déformation par maclage Pour les matériaux: HC et quelques CC 3-56