module de Young, GPa
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Sélection des matériaux et des procédés Contexte : • Rationalisation du processus de conception nombreuses méthodes • Matériaux utilisés restent peu nombreux • Possibilité d’intégrer des fonctions de la pièce dans le matériau • Nécessité d’optimiser le choix des matériaux Mise au point d’une méthode (M.F. Ashby) Déroulement du cours 1 – Notions de conception, les matériaux et leurs propriétés 2 – Rédaction d’un cahier des charges 3 – Evaluation des performances des matériaux 4 – Sélection multi critères 5 – Les Procédés et leurs attributs 6 – Faisabilité des procédés, viabilité 1 1.1 Démarche de conception Principes généraux • Conception d’une pièce : choix des attributs (éléments de conception) relatifs à sa définition et sa réalisation • Attributs : nombre de composants, géométrie, matériau(x) constitutif(s), procédé de fabrication, d’assemblage… • Point de départ : besoin du marché importance de la définition et l’expression de ce besoin Fonctions des composants • Produits = assemblage de composants • Fonctions mécaniques : transmettre des forces • Fonctions thermiques: conduction, isolation, inertie… • Fonctions d’information: conduction électrique, propriétés magnétiques, optiques… • Idées fondamentales : Nécessité de faire des compromis Choix effectué avec une précision croissante Besoin du marché OUTILS DE CONCEPTION OBJECTIFS Analyse fonctionnelle Clarifier la fonction SELECTION DES MATERIAUX Concept Choisir entre les grandes classes de matériaux (céramiques, métaux…) Choisir entre les grandes classes de procédés (moulage, usinage…) Choisir entre les familles d’une grande classe de matériaux (aciers, fonte, Al…) Choisir entre les familles d’une classe de procédés (moule en sable, moulage sous pression…) Choisir entre les nuances d’une famille de matériaux (Alliages 6000, 7000,..) Choisir entre les variantes d’une famille de procédés (moulage coquille, …) Analyseur de fonction Modeleur 3D Définir les caractéristiques principales du produit Amélioration Simulation Méthodes d’optimisation Optimiser les formes Modelisation des composants (FEM) Optimiser la réalisation (fabrication + assemblage) DFM / DFA Détail PRODUIT SELECTION DES PROCEDES • Outils informatiques pour les dernières étapes Méthode des éléments finis Optimisation de la géométrie Outil de dimensionnement • Premières étapes Pas d'outil performant Bases de données d'éléments fonctionnels (bielles, engrenages…) Problème du choix de matériaux (pas indépendant de la géométrie) 1.2 Choix de matériaux et de procédés • Sélection de matériaux critères de choix • Choix objectif connaissance des propriétés des matériaux • Choix pas indépendant du procédé de mise en œuvre Procédé Structure du matériau Propriétés Fonction astreintes + objectifs matériau Forme Procédé Fonction • Ingénierie simultanée Tous les aspects du développement d’un nouveau produit doivent être envisagés simultanément • Possibilité d’informatiser ces opérations Gestion de bases de données Classement suivant un critère objectif Logiciel Cambridge Engineering Selector (CES) 2 2.1 Les propriétés des matériaux Qualité, propriété, caractéristique • Qualité : type de la réaction d’un matériau exposé à un agent déterminé • Propriété, caractéristique : grandeur décrivant l’ampleur de ces réactions • Possibilité de comparer les matériaux entre eux • Choix de matériaux objectifs traduction du cahier des charges en fonction de ces grandeurs, avec des niveaux déterminés 2.2 Les caractéristiques des matériaux • Classement des propriétés des matériaux en 6 catégories (en fonction des agents auxquels ils sont exposés) : Mécaniques Electriques Thermiques Magnétiques Optiques Chimiques • Bases de données sous forme numérique : mécaniques, thermiques, électriques • Autres propriétés : pas de données sous forme numérique Qualitatives Résistance aux agressions chimiques Inflammabilité, résistance aux UV … Booléennes Procédés de mise en œuvre Procédés d’assemblage Formes disponibles 2.3 Les caractéristiques disponibles dans CES Générales : Densité, prix Mécaniques : Module d’Young, limite d’élasticité, résistance, déformation à la rupture, limite d’endurance, ténacité, dureté Vickers, capacité d'amortissement Thermiques Température de fusion, chaleur spécifique, conductivité thermique, coefficient de dilatation thermique Electriques Résistivité Optiques Transparence Résistance à l’environnement Inflammabilité, solvants organiques, acides, bases, UV Caractéristique Module d’Young Limite d’élasticité, résistance Déformation à la rupture Limite d’endurance Ténacité Dureté (Vickers) Chaleur spécifique Qualité Rigidité, capacité d’un matériau à s’opposer à une déformation Résistance aux efforts Ductilité (capacité à se déformer avant de rompre) Résistance à la fatigue (sollicitations mécaniques cycliques alternées) Résistance à la propagation de fissure Résistance à l'enfoncement d'un pénétrateur Quantité de chaleur pour élever la température d’un kilo de matériau d'un degré Conductivité thermique Aptitude d'un matériau conducteur à transmettre de la chaleur Coefficient de dilatation thermique Dilatation du matériau lorsqu'on le chauffe Résistivité Indique dans quelle mesure un matériau est résistant au passage d'un courant électrique • Les modules d'élasticité Pentes des courbes contrainte – déformation module d'Young E : comportement en traction et compression module de Coulomb G : comportement en cisaillement coefficient de Poisson n : opposé du rapport des déformations transversale et longitudinale s t F E G g e Rque : matériaux homogènes isotropes E G 2(1 n) • Limite d'élasticité, résistance et allongement à la rupture Déterminés à partir des courbes contrainte – déformation en traction s sR se eR e • Capacité d'amortissement Facilité qu'a un matériau à dissiper de l'énergie vibratoire (coefficient sans dimension) énergie dissipée énergie emmaga sin ée • Dureté Mesurée en appuyant une bille ou un cône d'un matériau très dur (diamant, acier trempé) sur la surface du matériau • Limite d'endurance Sollicitation répétée pouvant entraîner l'apparition d'une fissure puis la rupture Amplitude de contrainte maximale pour laquelle la rupture ne se produit pas • Ténacité Mesurée en chargeant une éprouvette en présence d'une fissure Deux grandeurs : énergie de rupture G1C et ténacité K1C K1C Ys a • Coefficient de dilatation thermique Caractérise la dilatation d'un matériau lors d'une variation de température Un seul coefficient pour les matériaux isotropes • Températures caractéristiques Température de transition vitreuse : transition entre le solide et le liquide visqueux pour les matériaux non cristallins Température de fusion, température de service maximale • Conductivité thermique Vitesse à laquelle la chaleur de propage en régime permanent à travers un solide Flux thermique : fl dT T T l 1 2 dx x avec l conductivité thermique, f flux de chaleur, x distance entre les surfaces où sont mesurées les températures • Diffusivité thermique Donne le flux thermique dans le cas d'un régime transitoire Exprimée en fonction des autres caractéristiques a l C p • Usure, oxydation, corrosion usure volumétrique : rapport du volume de matière arraché et de la surface de contact corrosion plus difficile à quantifier → seulement qualitatif données pour des couples de matériaux ou en fonction des milieux 3 Les grandes classes de matériaux 3.1 Classification des matériaux • Nature des liaisons Trois grandes classes de matériaux solides : métaux, céramiques, polymères • Matériaux naturels • Matériaux composites Aciers Aluminium or Métaux et alliages bronze fontes ……... Verres bétons Céramiques, verres céramiques techniques (alumine, diamant,.. Porcelaine Elastomères (caoutchouc, silicones.. Matrice céramique Polymères, Matériaux Thermoplastiques (polystyrene,polyéthylène,PVC Thermodurcissables (résines) Mousses (polystyrène expansé) Composites Matrice métallique matrice polymère Bois soie Matériaux Naturels coton, cuir papier 3.2 Les métaux et alliages • Exemples : aciers, aluminium, titane, or, bronze, fonte, zinc, tungstène, magnésium… • Métaux purs ou alliages • Type de liaison : métallique (assurée par électrons délocalisés) • Propriétés spécifiques : - conduction de chaleur et électricité - températures de fusion et de vaporisation en général élevées - propriétés élastiques élevées - possibilité d’augmenter la résistance (durcissement structural) - denses, sensibles à la corrosion et à la fatigue 3.3 Les céramiques • Exemples : verres, béton, alumine, diamant, carbures, roches, briques, porcelaines… • Elements métalliques et non métalliques (carbures, nitrures…) • Type de liaison : ionique ou covalente (très énergétiques) • Propriétés spécifiques : - tenue en température - excellentes propriétés élastiques - fragiles, peu ductiles, peu tenaces - résistants à l’usure et à la corrosion - prix élevé pour les céramiques techniques 3.4 Les polymères • Macromolécules à squelette covalent exemple : (CH2-CH2)n • Type de liaison : Van der Waals (liaison faible) • Propriétés spécifiques : - deux températures spécifiques : transition vitreuse et dégradation - faibles propriétés élastiques - résistants à l’usure et à la corrosion • Catégories : thermoplastiques, thermodurcissables, élastomères 3.5 Les matériaux composites • Association d’éléments de deux classes de matériaux pour obtenir une combinaison avantageuse de propriétés • Facteurs influençant les propriétés : - nature des constituants - proportions de chacun - architecture du renfort (fibres courtes, longues, orientation…) 3.6 Les matériaux naturels • Deux catégories : origine végétale ou animale • Exemples : bois, papier, carton, liège, fibres naturelles, cuir, laine… 3.7 Approche hiérarchique Sous Royaume Matériaux Famille Classes • Céramiques Aciers • Polymères Alliages Cu • Métaux Alliages Al • Naturels Alliages Ti • Composites Alliages Ni Alliages Zn classes 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Attributs Masse volumique 5083 H2 5083 H4 ….. Prop Mecaniques Prop Thermiques. Prop Electriques.. Résistances Corrosion …….. Fiche d’un matériau Objectif : Donner un niveau d ’information compatible avec le niveau d’avancement de la conception 4 Approche comparative des matériaux 1ère étape : comparaison qualitative Métaux Céramiques Polymères Composites Densité Moyenne / élevée Moyenne Faible / très faible Moyenne / faible Prix Faible / élevé Elevé (techniques) Faible / élevé Elevé Faible (grde diffusion) Module d’Elasticité Elevé Très élevé Moyen / faible Elevé Résistance Mécanique Elevée Très élevée (compression) Moyenne / faible Elevée Tolérance aux défauts et aux chocs Très tenace Très fragile Peu tenaces mais grande énergie absorbée Très tenace Température d’utilisation Moyenne / hautes Hautes / très hautes Moyennes / faibles Moyennes Tenue aux agressions chimiques Moyenne / mauvaise Bonne / très bonne Moyenne Moyenne Conduction de la chaleur Bonne / très bonne Moyenne / faible Faible / très faible Faible Conduction de l’électricité Bonne / très bonne Faible / très faible Facilité de mise en forme Facile Difficile (technique) Très facile Moyenne dépendant de la forme Facilité d’assemblage Facile Facile difficile Facile (grde diffusion) Moyenne • Caractéristiques intrinsèques (quantitatives) – grandeur physique objective et mesurable – Générales, Mécanique, Thermique, Electrique – prix,fraction recyclable,masse volumique………. – module de Young, coeff de poisson,dureté, limite d ’élasticité…………. – conductivité thermique, coeff de dilatation, température de fusion, temp maxi d ’utilisation,...…… – résistivité,constante diélectrique... • Caractéristiques interactives (qualitatives) – grandeur mesurant le comportement du matériau avec un autre matériau ou un environnement – résistance à l ’eau douce, à l ’eau de mer, aux acide forts… – inflammabilité, résistance aux UV, résistance à l ’usure... • Caractéristiques attribuées (booléennes) – perception du matériau dans un contexte socio-économique – les formes disponibles, les procédés d ’assemblage, les procédés de traitements de surface …. Données numériques : fourchettes de valeur la précision augmente avec celle de la définition du matériau Exemple : aciers module de Young entre 190 et 210 GPa limite d’élasticité entre 250 et 2000 MPa alliages d’aluminium module de Young entre 70 et 80 GPa limite d’élasticité entre 100 et 650 MPa On peut tirer des conclusions sur les modules, mais pas sur les limites d’élasticité Données qualitatives en général trop difficiles à obtenir pour tous ces matériaux Données booléennes renseignent sur les possibilités de mise en œuvre, mise en forme et d’assemblage (élimination) Propriété 2 Une autre présentation possible des propriétés : les cartes de sélection - Graphe dans un plan (prop 1, prop 2) - Matériaux représentés par des ellipses Propriété 1 Avantages : - aperçu rapide de la dispersion - localisation des différentes classes de matériaux Exemple de carte de sélection (1 seule propriété) WC ( carbure de tungstène) Acier Cuivre CFRP(carbone) Alumine GFRP(verre) Aluminum Zinc Plomb PEEK PP Verre de silice PTFE Métaux Polymères Céramiques Composites Exemple de carte de sélection 1000 Silicon Carbide Alumina Boron Carbide Module Silicon Masse volumique Steels Nickel alloys Al alloys 100 Bamboo (GPa) Young de Module Young's Modulus (typical) (GPa) Tungsten Carbides Mg alloys CFRP GFRP Copper alloys Zinc alloys Titanium Wood 10 Lead alloys Concrete Plywood PET PVC PUR PE PTFE PP 1 Rigid Polymer Foams 0.1 EVA Silicone Cork 0.01 Flexible Polymer Foams Polyisoprene Polyurethane Butyl Rubber 1e-003 Neoprene 1e-004 0.01 0.1 1 Density (typical) (Mg/m^3) Masse volumique (Mg/m3) 10
