Durcissement et renforcement des matériaux

Durcissement et renforcement des matériaux

Durcissement et renforcement des matériaux Ingénierie des matériaux première partie du cours : structure et propriétés des matériaux deuxième partie du cours : comment obtenir et maîtriser ces propriétés rigidité, résistance mécanique : séances 20-22 durée de vie : séances 23-25 étude de cas récapitulative : séances 26-27 avancées en modélisation et choix de matériaux : séances 28-30 Quelle(s) propriété(s) optimiser? séance 20 : tenue mécanique (rigidité ou résistance) quel coût? au détriment de quelle performance? 2

Durcissement et renforcement des matériaux Renforcement obtenir des matériaux rigides, légers et peu fragiles exemple des fibres pour composites : rigidité et résistance comment tirer parti au maximum des liaisons atomiques forces et faiblesses des composites Durcissement comment utiliser toutes les ressources de la microstructure pour augmenter la limite d élasticité concilier dureté et ductilité? 3

Rigidité des fibres Concevoir la fibre «idéale» liaisons fortes // axe de la fibre Fabriquer les fibres dans des conditions «raisonnables» faisabilité : les fibres en diamant n existent pas! coût : très large gamme selon l application visée Assurer la liaison fibre-matrice protéger la surface de la fibre une fois fabriquée (ensimage) assurer l adhésion entre fibre et matrice empêcher les réactions chimiques entre fibre et matrice 4

La laine Ce que nous propose la nature (1/7) Molécule : kératine (protéine) parmi ses acides aminés : cystine : ponts soufre grande élasticité (30%) résistance à la rupture acide glutamique : affinité pour les colorants acides 5

Ce que nous propose la nature (2/7) Structure de la fibre de laine diamètre typique : 15-50 µm molécules groupées en microfibrilles microfibrilles groupées en macrofibrilles macrofibrilles groupées en cellules 2 zones corticales enroulées l une autour de l autre (affinités pour l eau) revêtement protecteur : cuticule fibres courtes : liaison par frottement (écailles) (ép. 0,3 à 0,5 µm) 6

La cellulose Ce que nous propose la nature (3/7) structure moléculaire : enchaînement de glucoses 7

Ce que nous propose la nature (4/7) Structure de la fibre de cellulose diamètre typique : 20 µm fibres courtes ici.cegep-ste-foy.qc.ca/profs/gbourbonnais/ biofya/molecules/cellulefya1b.ppt 8

Ce que nous propose la nature (5/7) La soie : un matériau haute performances Cahier des charges F/S 0 Kevlar allongement élastique important (5-35%) rigidité relativement élevée imperméabilité (revêtement) grande résistance à l impact et à la rupture peu biodégradable l/l 0 soie d araignée nylon http://www.nexiabiotech.com/fr/03_bio/05.php 9

La soie : un matériau haute performances Ce que nous propose la nature (6/7) hélices α élasticité feuillets β (cristallins) résistance (glycine) (alanine) C N O H R liaisons H liaisons H entre feuillets http://www.nexiabiotech.com/fr/03_bio/05.php 10

Ce que nous propose la nature (7/7) La soie : un matériau haute performances diamètre typique : < 10 µm fibres longues (continues) Rigidité : alignement des hélices α et des feuillets β filage d un cristal liquide (molécules orientées) + cristallisation β puis étirage filament de soie cristaux + phase amorphe cristaux β http://www.amonline.net.au/spiders/toolkit/silk/structure.htm 11

Renforcement : fibres pour composites Comment régler la rigidité d un matériau E = f (type de liaisons atomiques) homogène hétérogène liaisons covalentes, ioniques, iono-covalentes céramiques, verres, polymères Points faibles : anisotropie : propriétés dans l axe et axe de la fibre liaisons fortes : fragilité intérêt des composites : propagation stable des fissures 12

Fibres organiques (1/5) Comment imiter les fibres naturelles? obtenir des fibres continues Fibres artificielles : cellulose régénérée dissolution de la cellulose naturelle, puis extrusion rayonne (1885) Fibres synthétiques : synthèse du polymère et fabrication de la fibre PA66 et PET (années 30) : synthèse par polycondensation travail sur la structure de la molécule : aramides, PBO, PIPD 13

Fibres organiques (2/5) Fibres de polyamide (Nylon) ou de PET (polyester) micro-fibrilles Structure : microfibrilles : zones cristallines et zones amorphes microfibrilles groupées en macrofibrilles diamètre de la fibre : 15 à 20 µm domaines amorphes cristallites Elaboration : filage à l état fondu étirage à 70 C pour aligner les cristallites avec l axe de la fibre domaines amorphes orientés Propriétés : E = 5 GPa (PA66) à 20 GPa (PET) fibres bon marché : renforcement d élastomères, textile de grande diffusion... 14

Fibres organiques (3/5) Fibres d aramide (polyamides aromatiques : Kevlar : 1972) Structure : HN NH CO CO structure moléculaire plus rigide diamètre de la fibre : 12 µm 1,29 nm Elaboration : dissolution dans de l acide sulfurique filage du cristal liquide (alignement par écoulement) traitement thermique sous traction Propriétés : 5,18 nm 78,7 nm E = 135 GPa, résistance 3450 MPa fibres chères : composites à hautes performances http://www.designinsite.dk/ htmsider/m0653.htm 15

Fibres de PBO (Zylon) Fibres organiques (4/5) Structure : http://www.toyobo.co.jp structure encore plus rigide (molécules droites) diamètre de la fibre : 12 µm Propriétés : E = 280 GPa, résistance 5800 MPa fibres très chères : composites à hautes performances fibres très anisotropes : liaisons transversales faibles (Van der Waals) utilisation possible à température élevée 16

Fibres organiques (5/5) Caractéristiques des fibres organiques Module d Young rapporté à la densité (E/ρ) (E en GPa, ρ en g.cm -3 ) : acier Al PA66 PET PPTA PBO 27 26 4 13 93 116-174 17

Fibres non organiques (1/5) Fibres de verre Structure : fibres amorphes, diamètre 15 µm différentes qualités de fibre : E (résistance électrique), S (haute résistance)... composition chimique : 55 à 70% de silice, le reste = autres oxydes fusion Elaboration : extrusion à travers des trous millimétriques étirage + refroidissement très rapide ensimage Propriétés : module d Young 70-86 GPa, résistance 3400-4500 MPa densité relativement élevée (2,5) coût modéré des fibres E : composites de grande diffusion mise en œuvre facile dans des composites 18

Fibres non organiques (2/5) Fibres de verre http://www.industrie.gouv.fr/energie/matieres/textes/ecomine_note_janv04.htm source : Saint-Gobain Vetrotex Un marché très diversifié pour une large gamme de produits 19

Fibres non organiques (3/5) Fibres de carbone axe de la fibre Structure : atomes de carbone en feuillets (cf. graphite) liaisons très fortes (covalentes) dans les feuillets liaisons faibles (Van der Waals) entre feuillets empilements pore alignement des feuillets (plans turbostratiques) dans l axe de la fibre 20

Fibres non organiques (4/5) Fibres de carbone Elaboration : deux provenances : élaboration : PAN (polyacrylonitrile) à 49% de carbone résidu de pétrole (brai) à 90% de carbone mise en forme pyrolyse Propriétés : module d Young 230-830 µm, résistance 3000-7000 MPa densité moyenne (2) coût très élevé : composites hautes performances différentes qualités de fibre : haut module, haute résistance, «bas de gamme» 21

Fibres non organiques (5/5) Autres fibres Fibres de SiC (liaisons covalentes) : deux types : «hors de prix»! dépôt chimique en phase vapeur sur âme de tungstène 100% SiC (petit diamètre) Fibres d alumine (liaisons ioniques) alumine plus ou moins riche en silice rôle de SiO 2 : stabilise Al 2 O 3 mais phase vitreuse à haute température production : par voie sol-gel et pyrolyse Coût très élevé : composites pour l aéronautique et le spatial 22

Fibres : résumé des principales propriétés rappel : modules d Young des matériaux massifs (GPa) élastomères polymères métaux céramiques techniques 0,001-1 0,1-10 20-500 100-1000 23

Fibres : intégration dans un composite Adhésion entre fibre et matrice nature des deux matériaux rôle important de l ensimage Répartition des fibres homogène ou hétérogène? Anisotropie des propriétés orientation des fibres composites stratifiés (cf. séance 22) Points forts : matériaux généralement plus légers que les alliages métalliques à performances identiques coût de production élevé Points faibles : assemblage : procédés compatibles, coût durabilité : vieillissement des matrices organiques réactions entre fibres et matrice 24

Fibres : intégration dans un composite PEEK/IM Carbon Fibre,// fibres 1000 Epoxy/HS Carbon Fibre, // fibres Epoxy/Aramid Fibre, // fibres BMI/HS Carbon Fibre,// fibres Diamond Epoxy/S-Glass Fibre, // fibres Al-60%C-M40(HM-C-Fibre), Longitudinal Bambou Mg-70%B(f), Longitudinal Rm/ρ (MPa) Rm / densité (MPa) 100 Epoxy/HS Carbon Fibre, Woven Fabric Composite, isotrope 2D Boron Carbide critère : < 700 euros/kg 10 10 20 50 100 200 E / densité (GPa) E/ρ (GPa) 25

Durcissement des matériaux Durcissement = augmentation de la résistance à un écoulement irréversible ce n est pas le point fort des polymères céramiques : généralement élastiques jusqu à la rupture concerne les métaux et alliages métalliques Comment durcir un alliage métallique? déformation plastique : glissement des dislocations gêner leur mouvement 26

Durcissement des métaux et alliages métalliques Evaluation de la dureté d un matériau essai d indentation (= de dureté) on enfonce une empreinte dans le matériau, sous une charge donnée après avoir retiré l indenteur, on mesure la taille de l empreinte avantages : rapide, peu cher, non destructif, local (nano macro) inconvénient : intègre à la fois limite d élasticité et déformation plastique essai comparatif essai de traction uniaxiale avantages : donne toute la courbe de traction et la ductilité inconvénients : destructif, plus cher, non portable, non local 27

Mécanismes de durcissement Comment gêner le mouvement des dislocations? solution solide : mettre des atomes d autres espèces obstacles 2D : joints de grains, de phases («murs») obstacles 3D dispersés : autres dislocations, dans d autres plans : «forêt» secondes phases (précipités ou inclusions) 28

Mécanismes de durcissement : solution solide (1/3) obstacles ponctuels, répartis continûment dans le matériau augmentation de la friction du réseau (barrière énergétique) 29

Mécanismes de durcissement : solution solide (2/3) Friction de réseau : si µ est le module de cisaillement ( 3E/8) τ PN 10-4 µ (liaisons métalliques) à 10-2 µ (liaisons covalentes) Effet de taille (dislocations coin) atomes en substitution (effet Cottrell) petits atomes vers la zone en compression gros atomes vers la zone en traction Effet de dipôle élastique (dislocations vis) atomes en insertion distorsion locale du réseau cristallin effet de module : écart de module d Young, donc de forces interatomiques 30

Mécanismes de durcissement : solution solide (3/3) Effets macroscopiques : exemple des alliages de fer limite d élasticité (MPa) % en masse inconvénient des interstitiels : Techniques de l Ingénieur, fiches M307 et M300 adoucissement initial 31

Mécanismes de durcissement : interfaces (1/3) Comment gêner le mouvement des dislocations? obstacles 2D : joints de grains, de phases («murs»)? 32

Mécanismes de durcissement : interfaces (2/3) Durcissement par la taille de grains : effet Hall-Petch empilement de n dislocations contrainte en tête d empilement : proportionnelle à n déclenchement de la plasticité dans le grain adjacent Loi macroscopique (de Hall et Petch) : τ y : limite d élasticité en cisaillement τ =τ y i + k y d avec τ i : friction de réseau k y : constante 33

Mécanismes de durcissement : interfaces (3/3) Durcissement par la taille de grains : effet Hall-Petch confrontation à l expérience joint de grains 1 µm cliché CEA/SRMA Limite d élasticité (MPa) acier doux T = -79 C T = -23 C T = +18 C d = 10 µm d = 40 µm d = 250 µm loi valable pour d 0,1 à 1 µm R.W.K. Honeycombe, 1981 34

Mécanismes de durcissement : écrouissage (1/3) Durcissement par les autres dislocations : écrouissage interactions entre dislocations?? dans le même plan de glissement : attraction/répulsion dans un autre plan : effet de forêt 35

Mécanismes de durcissement : écrouissage (2/3) Interactions entre dislocations dans le même plan de glissement force d interaction : (énergie d interaction) (déplacement de la dislocation mobile) fixe τ = µ 2π b ρd (dislocations vis) mobile τ = µ b 8π ( 1 ν ) ρ D (dislocations coin) 36

Mécanismes de durcissement : écrouissage (3/3) Interactions entre dislocations dans des plans différents (effet de forêt) jonction entre la dislocation mobile b 1 et la dislocation fixe b 2 énergie avant jonction : en µ (b 12 + b 22 ) énergie après jonction : en µ (b 1 + b 2 ) 2 b 2 si b 1.b 2 < 0 : jonction attractive b 1 si b 1.b 2 > 0 : jonction répulsive jonctions attractives = 80% de l effet de forêt τ = αµb ρ D avec α 1/4 à 1/3 37

Mécanismes de durcissement : secondes phases (1/14) Durcissement par les secondes phases phases «dures» dans une matrice «molle»? comment les obtenir? in situ par traitement thermique (cf. PC 20) in situ par traitement thermochimique (oxydes, nitrures...) mélange (composites à renforts particulaires) quelle est leur répartition optimale? 38

Mécanismes de durcissement : secondes phases (2/14) Forces agissant sur la dislocation : Γ 1 Φ Φ Γ 2 F Λ dans le plan de glissement tension de ligne G (énergie par unité de longueur) force F exercée par chaque seconde phase à l équilibre : F = 2 Γ cos Φ où Γ 0,5 µ b 2 passage de la dislocation pour Φ = Φ critique 39

Mécanismes de durcissement : secondes phases (3/14) Contrainte critique de franchissement des secondes phases Γ 1 Φ Φ Γ 2 dans le plan de glissement F Λ Forces agissant sur la dislocation : à l équilibre : F c = 2 Γ cos Φ c où Γ 0,5 µ b 2 force appliquée sur la dislocation par le champ de contraintes : F c = τ c b Λ τ c µ b cosφ c = Λ 40

Mécanismes de durcissement : secondes phases (4/14) Durcissement par les secondes phases Densité d obstacles et espacement entre obstacles X boîte d épaisseur 2R, de largeur X, contenant N phases X 2 R fraction volumique de secondes phases (de rayon uniforme R) : 4 π R 3 f v = 2 2 R X 3 N d où, pour N = 1 : X = 2π 3 R f v et X Λ 41

Mécanismes de durcissement : secondes phases (5/14) Mécanisme de contournement (Orowan) : principe la dislocation contourne la particule et laisse une boucle autour de celle-ci µ b fv Φ c = 0 τ c = 0, 7 µ b Λ R à fraction volumique fixée : effet élevé pour de petites particules rapprochées 42

Mécanismes de durcissement : secondes phases (6/14) Mécanisme de contournement (Orowan) : exemple expérimental 100 nm Alliage d aluminium : boucles de dislocations autour de deux précipités (microscopie électronique en transmission) www.enseeg.inpg.fr 43

Mécanismes de durcissement secondes phases (7/14) Mécanisme de cisaillement (Friedel) : principe la dislocation traverse complètement les secondes phases conditions nécessaires : secondes phases cohérentes avec la matrice vecteurs de Burgers communs aux deux phases origines possibles de la force résistante : glissement difficile (phases ordonnées) effet de module d Young effets d interface phase/matrice 44

45 Introduction Renforcement : rigidité Durcissement Conclusions Mécanismes de durcissement : secondes phases (8/14) Mécanisme de cisaillement (Friedel) : principe b R f k v c = µ π τ 2 3 3 R b k L b eff c = µ τ 3 2 2 eff c L b = τ Λ Γ longueur effective de dislocation : l effet croît avec la taille des secondes phases

Mécanismes de durcissement : secondes phases (9/14) Mécanisme de cisaillement : observation exemple : superalliage base nickel (Waspaloy) durci par une phase ordonnée cisaillement de la phase ordonnée par des séries de dislocations (microscopie électronique en transmission) 1 µm M. Clavel, A. Pineau, Mater. Sci. Eng. 55, (1982) 157-171 46

Mécanismes de durcissement : secondes phases (10/14) Compétition entre cisaillement et contournement le mécanisme le plus facile à déclencher détermine le mode de franchissement des secondes phases par les dislocations contrainte de franchissement R 0,5 A fraction volumique de secondes phases donnée : phases fines et cohérentes : cisaillement (si possible) phases moins fines ou incohérentes : contournement 47

Mécanismes de durcissement : secondes phases (11/14) Compétition entre cisaillement et contournement : expériences et modèles simples R 0,5 nm 0,5 Cu + particules Co, f v = constante données expérimentales V. Mohles, D. Rönnpagel, E. Nembach, Computational Materials Science 16 (1999), pp. 144-150 48

Mécanismes de durcissement : secondes phases (12/14) Compétition entre cisaillement et contournement : simulation numérique (γ = 0,0155µb) effet de bord des simulations numériques durcissement sous le pic + x V. Mohles, D. Rönnpagel, E. Nembach, Computational Materials Science 16 (1999), pp. 144-150 modélisation (superalliage) équations (Friedel + Orowan) 49

Mécanismes de durcissement : secondes phases (13/14) Compétition entre cisaillement et contournement : simulation numérique (γ = 0,0155µb) durcissement après le pic + x V. Mohles, D. Rönnpagel, E. Nembach, Computational Materials Science 16 (1999), pp. 144-150 modélisation (superalliage) équations (Friedel + Orowan) 50

Mécanismes de durcissement : secondes phases (14/14) Compétition entre cisaillement et contournement : simulation numérique (γ = 0,0155µb) durcissement au pic + x V. Mohles, D. Rönnpagel, E. Nembach, Computational Materials Science 16 (1999), pp. 144-150 modélisation (superalliage) équations (Friedel + Orowan) 51

Durcissement des métaux et alliages métalliques Combinaison des mécanismes de durcissement chacun d eux contribue à l augmentation de la limite d élasticité τ y = τ + i k y d + α µ b ρ D où τ i = max (τ PN, τ c, τ R ) Optimisation de la microstructure : taille de grains densité de dislocations particules de secondes phases : contrôler fraction volumique distribution de taille répartition spatiale (homogène) 52

Durcissement des métaux et alliages métalliques Durcir, mais... durcir augmenter (au moins) la limite d élasticité au-delà de la limite d élasticité : résistance à la déformation plastique? ductilité / fragilité? Contraintes (MPa) 400 300 200 100 0 Rm Rp 0,2 A% 0 20 40 60 80 Réduction d épaisseur par laminage (%) 40 30 20 10 0 Allongement à rupture (%) Cu 4% O ASM Handbook 53

Durcissement des métaux et alliages métalliques Durcir, mais... durcir augmenter (au moins) la limite d élasticité risque : perdre de l écrouissage risque de rupture prématurée par localisation de la déformation F 45 45 exemple : alliage d aluminium 2024 (fuselages d avion) rupture en biseau par localisation F. Bron, J. Besson, A. Pineau, J.C. Ehrström, 2002 F 54

Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Conclusions Conclusions Large gamme de propriétés accessibles par optimisation des matériaux liaisons chimiques microstructure procédé (mise en forme + traitement thermomécanique) fragilité sensibilité à l environnement (corrosion...) exemples : aciers, alliages d aluminium mise en œuvre des matériaux optimisés procédés industriels faisables et rentables assemblage (notamment : soudage???) 55

Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Conclusions Conclusions Large gamme de propriétés accessibles par optimisation des matériaux Rm (MPa) 7000 6000 WC-Co (84.02) Osmium, hard 5000 4000 PEEK/IM Carbon Fibre, UD Composite, 0 Lamina W, 25 micron w ire 3000 2000 1000 1000 Diamond 2000 3000 Rp (MPa) 56

Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Conclusions Conclusions Prédiction du comportement mécanique prédimensionnement : essais simples, modèles simplistes choix final du matériau et dimensionnement précis : essais plus sophistiqués (température, chargement multiaxial...) modèles «micro-macro» intégration de données microscopiques physiques dans des modèles macroscopiques prédictifs aide à l optimisation de microstructures et de matériaux 57