Cours 11-2 LES CÉRAMIQUES Technologie des matériaux TTT 1 Contenu 1 Définition 2 Classification 3 Propriétés 4 Matériaux 5 Fabrication Technologie des matériaux TTT 2 1
Céramiques courantes Briques Marbres Tuiles de plancher Verre amorphes; Tf= 900 C Terre cuite Ciments & Béton Vaisselles porcelaine poterie Outils de coupe Tuiles spatiales Prothèse (Med.) Technologie des matériaux TTT 3 Liaisons Covalente et\ou ioniques fortes Covalente : AlN et diamant Ionique : Al 2 O 3,MgO Covalente-ionique (SiO 2 ) Technologie des matériaux TTT 4 2
Liaison mixte Céramiques Covalente Diamant Polymères De Van Der Waals S i O 2 As Fe Cr Métaux Métallique ionique (Al 2 O 3, MgO) Technologie des matériaux TTT 5 Liaisons et Propriétés Dureté Fragilité M. Young T fusion Isolant elect. Isolant ther. Transition fragile ductile @ HT (0,5 Tfusion) Fluage à HT (0,6-0,8Tfusion) Resistance corrosion oxydation Dilatation Thermique( Technologie des matériaux TTT 6 3
Classification Naturels :Oxydes - S i O 2 (f.d.v, verre) - Al 2 O 3 (alumine) - Fe 3 O 4 (magnétite) - Fe 2 O 3 (rouille) Fabriqués Carbures WC-CO Fe 3 C Nitrures BN T i N AlN Technologie des matériaux TTT 7 Céramiques techniques VERRE Fibre de verre Fibre optique Fibreux Ordinaires CRISTAUX SiO 2, Al 2 O 3 WC, AlN, BN Briques refractaires Isolants thermiques PORES Technologie des matériaux TTT 8 4
Profondeur de coupe, Avance, Interruptions Contraintes mécaniques, Chocs Applications des céramiques traditionnelles Technologie des matériaux TTT 9 Propriétés requises des outils de coupe dureté élevée > à celle du matériau usiné. rigidité élevée. résistance mécanique élevée. bonne tenue à chaud. coefficient de friction bas. bonne stabilité chimique. Résistance aux chocs mécaniques Résistance aux chocs thermiques Maintenir dureté à chaud Résistance aux réactions chimiques à l abrasion Maintenir dureté à chaud Vitesse de coupe Temperature Technologie des matériaux TTT 10 5
Résistance à la chaleur Résistance à la rupture Résistance à l'abrasion Résistance au frottement Outils de coupe en céramique WC: Particules de WC dans une matrice de Co TiC matrice : Ni et Mo --»usinage des aciers NBC (CBN) : nitrure de bore cubique Al 2 O 3 : Alumine polycristalline frittée Diamant Carbure revêtu du diamant Technologie des matériaux TTT 11 Diamant polycrystallin 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 Source: Minicut Technologie des matériaux TTT 12 6
Valeurs caractéristiques Matériau Dureté Knoop E (GPa) Tf ( C) Diamant 8000 930 >3500 Nitrure de bore (BN) 5000 860 1540 Carbure de tungstène 2700 600 2400 (WC) Alumine (Al2O3) 2100 350 2050 Quartz (SiO2) 1000 72 -- Technologie des matériaux TTT 13 Prothèse de hanche Schéma indiquant l emplacement de l articulation de la hanche dans le corps humain. Schéma d une prothèse Tête en alumine Radiographie d une prothèse queue en alliage de titane Ti-6%- 4Al-4%V Source: Calister- Science des matériaux Technologie des matériaux TTT 14 7
Module de Young Acier 210 GPa Al 70 E Fortes liaisons (ceramiques) Cu 80 Plastiq. 10-30 Verre 70 céramiq. 200-500 Faible liaison (Polymeres) Technologie des matériaux TTT 15 Inconvénients Mise en forme difficile Fragiles (utiliser en compression) Chers Technologie des matériaux TTT 16 8
Propriétés de base (1) Oxydes résistent à l oxydation S i O 2 + O 2 ----HT---> AlO 3 + O 2 -- HT ---> S i O 2 + N 2 ----HT---> S i3 N 4 + NO/NO 2 S i O 2 + C ----HT ---> S i C + CO/CO 2 Technologie des matériaux TTT 17 Propriétés de base (2) Nitrures resistent à la nitruration Si 3 N 4 + N 2 ----HT---> AlN + N 2 ----HT---> Carbures resistent à la carburation S i C + C ----HT---> S i O 2 + C ----HT---> S i C + CO/CO 2 Technologie des matériaux TTT 18 9
Choc thermique T 1 T 0 1. Dilatation 2. Dilatation locale 3. Initiation de la fissure Amorce de fissure ----» propagation rapide 4. Propagation de la fissure Valeurs de (10-6 / C) Alumine 7.6 SiO2 Chauffage uniforme---> dilatation (T élevée) l t = l 0 (1+ T) Longueur finale à t Coeff, dilatation thermique 0.4 RCT= Rm/( E) Technologie des matériaux TTT 19 Résistivité Conductivité: = ( ) -1 Résistance: R (l/s) Métal = 0 (1+ a T) Céramique = 0 EXP (-Q/RT) Technologie des matériaux TTT 20 l Céramique S Métaux Température T 10
Comportement des céramiques Rm Céramiques Materiau ductile Céramique: deformation élastique uniquement Deformation Technologie des matériaux TTT 21 Ténacité Cv Métaux Rayure Effet d entaille Propagation Céramiques TTDF = 0.5 Tf T Technologie des matériaux TTT 22 11
: déformation Fluage des céramiques P T = 0.6 à 0.8 Tf I II III temps ln(t) d dt Vitesse de fluage = A. n EXP (-Q/RT) n et Q = fonction du matériau Liaisons fortes, le fluage des céramiques ne se manifeste qu à haute température: T = 0.6 à 0.8 Tf ln (t) Technologie des matériaux TTT 23 Fabrication: céramiques ordinaires Assiettes: Verre+ Cristaux +Pores Verre Cristaux Pores Sable + Eau (liant) -----------» Moule Cuisson (Évaporation du liant) ------> Pièce Technologie des matériaux TTT 24 12
Fabrication: Frittage Compaction des poudres + Frittage (mise en forme) Contact entre particules) Cuisson à haute température (Soudage par diffusion à l état solide) Avant le frittage Frittage ( Tf = 800-1200 C) (diminution de la porosité) Pore Technologie des matériaux TTT 25 Micrographies des céramiques Brique Al 2 O 3 à 98% Al 2 O 3 à 99.7 % Phase vitreuse Technologie des matériaux TTT 26 13
Fabrication: Al 2 O 3 Bauxite Al (lingot) Poudres Électrolyse Al 2 O 3 Al 2 O 3 Particules Frittée Technologie des matériaux TTT 27 Diagramme SiO 2 -Al 2 O 3 Eutectique cristalline vitreuse Technologie des matériaux TTT 28 14
Fabrication: Réaction chimique Ciments et plâtres: obtenues par réaction chimique (pas par frittage) Évolution de la prise du ciment portland Ciment mouillé forces de répulsion entre les grains Réaction entre les grains et l eau Apparition d un gel à la surface des grains Épaississement du gel début de la prise; les gels se rejoignent Formation des cristaux hydratés (silicates et hydroxydes de calcium) 2 (3CaO.SiO 2 ) +6 H 2 O---> 3 CaO.SiO 2.3H 2 O+ 3 Ca (OH) 2 Silicate calcique ciment Technologie des matériaux TTT 29 15