cour master 3d
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Identifications des matériaux propriétés et performances Mohamed JLASSI Les matériaux Un bon composant (produit, objet) utilise les matériaux les mieux adaptés à sa fonction (critères de choix) exploite pleinement le potentiel et les caractéristiques de ces matériaux par une géométrie adéquate (indice de performance). Pour donner satisfaction à l’utilisateur Pour présenter un bon rapport qualité/prix. 2 Définition du terme « structure »: Organisation des éléments constitutifs d’un matériau * à l’échelle atomique (métaux, semi conducteurs, céramiques, polymères, …) * à l’échelle microscopique (nanomatériaux, composites, alliages, …) * à l’échelle macroscopique (structures sandwich, …) Définition du terme « propriétés »: (caractéristiques correspondant aux réactions d’un matériau exposés à des agents extérieurs, indépendamment de leur forme et de leur dimension) * mécaniques * magnétiques * électriques * optiques * chimiques * thermiques Critères de choix d’un matériaux Critères de choix d’un matériaux Propriétés des matériaux Caractérise la réaction du matériau à une sollicitation extérieure (3types) • Propriétés mécaniques reflètent le comportement des matériaux soumis à des systèmes de forces. • Propriétés physiques mesurent le comportement des matériaux soumis à l’action de la température, des champs électriques ou magnétiques, ou de la lumière. • Propriétés chimiques caractérisent le comportement des matériaux soumis à un environnement chimique plus ou moins agressif. Principales caractéristiques des matériaux Quelques caractéristiques de matériaux Pour réaliser des objets techniques qui facilitent la vie quotidienne on s'appuie souvent sur les propriétés des matériaux qui les constituent. Il y a les propriétés mécaniques (résistance, masse, …), électriques (conduction, isolation, …) et thermiques (conduction, isolation, ...). Tous les matériaux n'ont pas les mêmes propriétés et on choisit un matériau qui aura les propriétés les plus conformes avec les critères des fonctions et des contraintes que doit respecter l'objet technique 1) Pourquoi choisir le verre et pas un autre matériau pour la porte? 2) Parmi ces matériaux, quel est celui qui est le plus conducteur de la chaleur? 1) Pourquoi choisir l'acier pour fabriquer la chaine? 2) Parmi ces matériaux, quel est celui qui est le plus isolant électriquement? 3) Parmi ces matériaux, quel est celui qui est le plus conducteur électriquement? Comportement des matériaux • Mécanique des matériaux étudie le comportement des matériaux sous sollicitations mécaniques (déformation, élasticité, plasticité, rupture...) • Physique des matériaux étudie le comportement des matériaux sous sollicitations physiques (température, rayonnement, champ...) • Chimie des matériaux matériaux sous étudie sollicitations le comportement chimiques des (corrosion, interactions chimiques… ) 16 Caractérisation mécanique • Caractéristiques mécaniques des matériaux doivent être définissables sans ambiguïté en fonction des qualités ou des capacités attendues. • Pas indépendantes des conditions de mesure. Présentation des grandeurs mesurables Essais permettant de les obtenir 1 Propriétés mécaniques des matériaux 1.1 Qualités mécaniques attendues • Rigidité : déformation réversible faible par rapport au chargement appliqué (≠ souplesse) • Résistance aux efforts : (a) rupture : aptitude à ne pas se rompre sous l'effet d'un chargement (b) plastification : aptitude à ne pas se déformer de manière irréversible sous l'effet d'un chargement • Ductilité : capacité à se déformer avant de rompre • Résilience : capacité à emmagasiner de l'énergie au cours d'une déformation élastique • Ténacité : capacité à absorber de l'énergie au cours d'une évolution irréversible (plastification, rupture) • Résistance à la fatigue : capacité à supporter des sollicitations mécaniques cycliques plus ou moins régulières, alternées, répétées… • Résistance aux chocs : capacité à absorber de l'énergie lors d'une rupture par choc • Dureté : résistance à l'enfoncement d'un pénétrateur (liée à la résistance à la plastification) • Résistance au fluage : aptitude à durer sous l'effet d'une charge imposée à température élevée • Résistance à la propagation de fissures : sensibilité à l'effet d'entaille • Amortissement : incapacité à restituer au cours de la relaxation des sollicitations qui lui sont appliquées toute l'énergie emmagasinée lors de la mise en charge • Résistance à l'usure : résistance à l'enlèvement de matière par frottement (couple de matériaux) • Corrosion sous contrainte : couplage de deux sollicitations (chimique et mécanique) Caractéristiques mécaniques des matériaux . Q’est-ce qu’une charge, une contrainte, une élasticité ? • Modules d'élasticité Principe de l’élasticité des matériaux • Modules d'élasticité Module de Young E Pente de la courbe contrainte - déformation dans le domaine élastique en traction pure ou en flexion (unité : Pa) e g Dans le domaine élastique linéaire, le module de Young (E) est donné par la loi de Hooke: s = Ee E G t s Module de Coulomb G Pente de la courbe cisaillement - glissement dans le domaine élastique en torsion pure (unité : Pa) • Résistance à la rupture Charge maximale applicable à une section d'éprouvette sollicitée en traction pure sans rupture (unité : Pa) sR= Fmax S0 • Limite d'élasticité Charge maximale applicable à une section d'éprouvette sollicitée en traction pure sans entraîner de déformation plastique (unité : Pa) s e= Fe S0 • Allongement et striction - Allongement relatif de l'éprouvette de longueur initiale l0 après rupture A%= Dl l0 - Striction : variation relative de la section après rupture S%= DS S0 • Ténacité - Résistance à la rupture d'un matériau en présence d'une fissure (ou résistance à la propagation de fissure) - K1C facteur d'intensité de contrainte critique (unité : MPa m ) • Résistance aux chocs ou résilience - Energie absorbée lors de la rupture par choc en traction ou en flexion (unité : J/cm2) - Dépend des conditions de choc (plusieurs types d'essais) - KCV, KV, KCU • Limite d'endurance conventionnelle - Contrainte maximale pour laquelle le matériau peut endurer une infinité de cycles sans rompre (unité : Pa) s log(N) 103 104 105 106 107 • Résistance au fluage - Contrainte qui à une température donnée entraîne une vitesse de déformation de 0,001% par heure - Contrainte s1000 , s10000 … entraînant à une température donnée la rupture après une durée de 1000h, 10000h… • Dureté - Plusieurs échelles de dureté : Vickers, Rockwell, Brinell… - Force appliquée sur le pénétrateur / surface de l'empreinte - Profondeur de pénétration de l'indenteur - Considérée comme une grandeur repérable (sans unité) • Seuil de non propagation en corrosion sous contrainte - K1SCC = limite inférieure de K1C obtenue en milieu corrosif - Valeur maximale de K1C pour laquelle une fissure ne se propage pas quel que soit le temps de maintien en milieu corrosif K1C K1SCC log(t) • Capacité d'amortissement - Frottement interne au matériau - énergie dissipée par le matériau au cours de sollicitations cycliques • Coefficient de frottement et vitesse d'usure - Caractérisation de deux matériaux et de l'environnement (air, graisse…) - Coefficient de frottement f Pn Pt f= Pt Pn Pt Pn - vitesse d'usure proportionnelle à (1) action normale de contact Pn (2) probabilité de détacher un fragment de matériau par usure (3) inverse de la dureté du matériau - Quantité de matière enlevée par unité de distance de frottement 2 Essais mécaniques Objectif : définir les principaux essais mécaniques - définition du principe - description des appareillages - analyse des résultats, critique - paramètres à prendre en compte 2.1 Essai de traction • Principe de l'essai - Appliquer un effort de tension croissant suivant l'axe de l'éprouvette - Choix d'imposer un effort ou une déformation avec une vitesse constante • Eprouvettes - Forme déterminée par le système de fixation - Contrainte et déformation uniformes sur une longueur significative - Pas de rupture dans les zones d'application des efforts l0 • Dispositif - Alignement de l'éprouvette avec l'axe de traction - Capteurs d'efforts dynamométriques ou à jauges - Allongements : déplacement des mors, extensomètre ou jauges Traverse supérieure mobile Mors de serrage Capteur de force Eprouvette • Résultat : courbe de traction - Courbe représentant l'effort F exercé en fonction de l'allongement Dl ou de la déformation e F B OA : élastique linéaire (réversible) A AB : plastique (irréversible, non linéaire) Dl O - Courbe contrainte – déformation s vraie Déformation vraie : conventionnelle O e Contrainte vraie : eréelle = ln (1+e) sréelle = s (1+e) • Caractéristiques mécaniques conventionnelles obtenues - limite d'élasticité : généralement la limite conventionnelle à 0,2 ou 0,02 % - résistance à la traction - allongement à la rupture - coefficient de striction - module d'Young E= S%= kl0 DS S0 S0 - coefficient de Poisson • Paramètres influençant les résultats température, raideur de la machine, vitesse de déformation principe de l’élasticité des matériaux Caractéristiques des matériaux fibreux utilisés en constitution Remarque . Le bois est très cassant, son module d’élasticité est faible mais sa masse volumique très faible autorise de fortes sections. . L’acier est rigide (module d’élasticité) et très résistant mais sa masse volumique très élevée. . La fibre de verre a une faible raideur, sa masse volumique est plus élevée que la fibre de carbone. . La fibre de carbone a le même module d’élasticité que l’acier mais l’ allongement admissible faible le rend très cassante. 2.2 Essai de torsion • Principe de l'essai - Appliquer un moment de torsion et mesurer l'angle de rotation d'une extrémité à l'autre de la barre • Intérêt de l'essai - Sollicitation non uniforme sur la section t= Mtx IX r - Permet obtenir le module de Coulomb (cisaillement) G= kl0 IX 2.3 Essais de dureté • Principe de l'essai - Plusieurs types : Indentation, rayure, rebondissement… - Pénétrateur enfoncé dans le matériau sous l'effet d'une force constante - Mesure de la taille de l'empreinte ou de sa profondeur - Peu destructifs employés dans l'industrie - Liée à la limite d'élasticité et résistance en traction • Essai Meyer – Essai Brinell - Pénétrateur : bille polie (acier trempé ou carbure de tungstène) - Mesure du diamètre de l'empreinte 2.4 Essais de choc • Principe de l'essai - Rompre par un choc une éprouvette entaillée - Mesure de l'énergie nécessaire à cette rupture / section au droit de l'entaille Charpy Izod Energie mesurée relative au type d'essai employé • Dispositif expérimental - Dispositif classique : mouton pendule - Mesure de la différence entre l'angle au départ et à l'arrivée Cadran Position de départ Percuteur Éprouvette appuis • Caractéristiques obtenues - Estimation de la résistance aux chocs : énergie / unité de surface - Observation des faciès de rupture → comportement du matériau Entaille Entaille Rupture fragile Rupture ductile - Paramètre important : température → Observation de la transition fragile / ductile KV Fragile Ductile Température 2.4 Essais de fatigue • Principe de l'essai - Solliciter un échantillon avec des cycles d'efforts répétés s s s t t Contraintes alternées Contraintes répétées t Contraintes ondulées - Application à la traction, compression, torsion, flexion, fissuration - Pas de forme générale d'éprouvette étant donné la variété d'essais • Caractéristiques obtenues - Diagramme de Wöhler s log(N) 103 104 105 106 107 - Limite d'endurance : plus grande contrainte pour laquelle la durée de vie est infinie - Aspect statistique : pour N donné, valeur de s correspondant à une probabilité de survie (ou de rupture) de 0,5 - Influence de la fréquence, et de l'environnement 2.5 Essais de ténacité - Essais sur éprouvettes entaillées pour déterminer K1C - 2 géométries : traction compacte (CT) ou flexion - B : épaisseur, W : largeur, Y : fonction de la longueur d'entaille PY K BW 1/ 2 2.5 Essais de fluage • Principe de l'essai - Fluage : déformation plastique évoluant avec le temps, dans un matériau soumis à une contrainte constante (rupture possible) - Application d'un effort constant, mesure de l'allongement • Machines et éprouvettes - Essais à haute température → sélection des appareils de mesure e Rupture Fluage primaire Fluage tertiaire Fluage secondaire temps tR Courbes théoriques Courbes réelles s s t t e e e0 e0 t Mise en charge t • Caractéristiques obtenues - Durée de vie pour une contrainte donnée, ou contrainte pour une durée de vie de 1000 h, 10000 h… - Loi de comportement Exemple : Loi Puissance ε C0 σ C1 t C2 e C3 T • Essai de relaxation - Souvent associé au fluage - Déformation constante imposée, mesure de la contrainte (fonction du temps) e s Temps Temps • Résistance à l’usure Caractérisation physique Qualitative • Forme • Malléabilité • Couleur • Ductilité • Etat • Magnétisme Quantitative • Viscosité • Point de fusion • Masse volumique • Point d’ ébullition • Dureté Viscosité : est définie comme étant la friction interne d'un fluide, causée par les interactions moléculaires, qui le rend résistant à l'écoulement. Un viscosimètre mesure cette friction et fonctionne donc comme un outil de rhéologie. (en pascal- seconde (Pa·s)). Lorsque la viscosité augmente, la capacité du fluide à s'écouler diminue. Pour un liquide (au contraire d'un gaz), la viscosité tend généralement à diminuer lorsque la température augmente. La viscosité d'un fluide s'accroît avec sa densité mais ce n'est pas nécessairement le cas : l’huile est moins dense que l’eau cependant elle est nettement plus visqueuse Masse volumique : La masse volumique, aussi appelée densité volumique de masse, est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par unité de volume. Elle est déterminée par le rapport : Dureté est une qualité ( kg⋅m-3 ou kg/m3). physique indiquant la résistance au toucher, à la pression, au choc et à l'usure; elle caractérise le minéral, le métal, les matériaux, l'eau et les aliments. La dureté d'un minéral est sa capacité à résister à l'abrasion ou à la rayure. On la caractérise au moyen de l‘’éxhelle de Mohs, par comparaison avec des matériaux types. Transformations de phases des matériaux Les matériaux sont rarement utilisés à l’état purs mais à l’état de mélanges (alliages) par addition d’autres éléments. Les aciers et les fontes sont des alliages Fer – carbone, le silicium en électronique n’acquière de propriétés performantes que par l’introduction de petites quantités d’un élément dopant étranger, sinon il se comporte comme un matériau isolant. • Dans les mélanges, les atomes ou molécules de nature différentes peuvent être solubles en toute proportion (Cu – Ni) ou solubles partiellement (Fe –Fe3C). • Les diagrammes de phases définissent les états d’équilibre entre les phases (loi de Gibbs) et permet d’analyser la formation des microstructures (Austénite, ferrite... Pour le fer et le carbone). Point de fusion : la température de fusion d'un corps représente la température à une pression donnée, à laquelle un élément pur ou un composé chimique fond. On passe de l'état solide à l'état liquide. Il est possible de déterminer la nature d'une substance par la mesure de sa température de fusion. point d'ébullition d'un corps les conditions de température et de pression qui doivent être réunies pour qu'il passe rapidement de l'état liquide à l'état gazeux. Diagramme d’équilibre de phases L'analyse thermique rend donc possible l'étude des changements d'état d'un matériau en fonction de la température. Les méthodes thermiques reposent toutes sur la mesure en fonction de la température ou du temps : soit d'une ou plusieurs grandeurs physiques caractéristiques (dimension, poids, conductivité électrique etc...) soit de la quantité de chaleur mise en jeu au cours de la transformation du système considéré. Les techniques d'analyse thermique sont utilisées : • pour l'étude et la construction des diagrammes de phases. • pour la caractérisation de substances chimiques, de réactions chimiques ou de matériaux. Exemple : fusion, déshydratation, polymérisation, oxydation etc... Caractérisation chimique Combustibilité Réaction avec les acides Corrosion Combustibilité Un combustible est une matière qui, en présence d’oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans chimique générant de la chaleur. une réaction Réaction avec les acides Peut-on utiliser n'importe quel matériau pour emballer des produits acides ? En effet, certains métaux ne peuvent pas servir pour cette utilisation. Le fer est attaqué par les acides, l'acier inoxydable ( fer + nickel + chrome) et le cuivre ne sont pas attaqués par les acides. Par contre, le zinc et l'aluminium, comme le fer sont attaqués par les acides. L'aluminium et le zinc réagissent avec l'acide chlorydrique pour donner respectivement du chlorure d'aluminium et du chlorure de zinc Corrosion : désigne l'altération d'un matériau par réaction chimique avec un oxydant (le dioxygène et le cation H+ en majorité). mécaniques Il faut en exclure (cela ne concerne les pas, effets purement par exemple, la rupture sous l'effet de chocs), mais la corrosion peut se combiner avec les effets mécaniques et donner de la corrosion sous contrainte et de la fatigue-corrosion ; de même, elle intervient dans certaines formes d’usure des surfaces causes sont à la fois physicochimiques et mécaniques. dont les 1°) Corrosion par voie sèche Il s'agit ici d'une corrosion des métaux par le dioxygène gazeux. Deux cas sont possibles: la couche d'oxyde forme une pellicule protectrice sur le métal, qui ne subit plus d'oxydation ultérieure (cas de l'aluminium, du nickel, du chrome, …). la couche d'oxyde est poreuse, et n'empêche pas l'oxydation en profondeur du métal (cas du fer, …). 2°) Corrosion humide On parle de corrosion humide quand les agents oxydants sont en solution (aqueuse en pratique). La corrosion constitue alors un phénomène électrochimique dans lequel l'oxygène de l'air intervient systématiquement (l'eau est régulièrement un oxydant trop faible et trop lent pour être le seul responsable de la corrosion des principaux métaux). Modes de la Corrosion Corrosion électrochimique Corrosion sous contraintes mécaniques Corrosion galvanique Corrosion par les sols Corrosion bactériologique Corrosion par courant vagabonds 27/11/2015 66 Classification des formes de la corrosion Huit types de corrosion souvent rencontrées en pratique Définitions 1) La corrosion uniforme (uniform corrosion) est une perte de matière plus ou moins régulière sur toute la surface. On trouve cette attaque notamment sur les métaux exposés aux milieux acides. 2) La corrosion galvanique (galvanic corrosion), appelée aussi corrosion bimétallique, est due à la formation d'une pile électrochimique entre deux métaux. La dégradation du métal le moins résistant s'intensifie. 27/11/2015 Classification des formes de la corrosion 3) La corrosion caverneuse (crevice corrosion) est due à une différence d'accessibilité de l'oxygène entre deux parties d'une structure, créant ainsi une pile électrochimique. On observe une attaque sélective du métal dans les fentes et autres endroits peu accessibles à l'oxygène. 4) La corrosion par piqûres (pitting corrosion) est produite par certains anions, notamment le chlorure, sur les métaux protégés par un film d'oxyde mince. Elle induit typiquement des cavités de quelques dizaines de micromètres de diamètre. 5) La corrosion intergranulaire (intergranular corrosion) est une attaque sélective aux joints de grains. Souvent, il s'agit de phases qui ont précipité lors d'un traitement thermique 27/11/2015 6) La corrosion sélective (sélective leaching) est l'oxydation d'un composant de l'alliage, conduisant à la formation d'une structure métallique poreuse 7) La corrosion érosion (érosion corrosion) est due à l'action conjointe d'une réaction électrochimique et d'un enlèvement mécanique de matière. Elle a souvent lieu sur des métaux exposés à l'écoulement rapide d'un fluide. 8) La corrosion sous contrainte (stress corrosion cracking) est une fissuration du métal, qui résulte de l'action commune d'une contrainte mécanique et d'une réaction électrochimique. Classification des formes de la corrosion Corrosion uniforme Corrosion localisée 1) Composition du milieu : • corrosion par piqûres; • corrosion caverneuse; • corrosion filiforme; • corrosion bactériologique; 2) Composition du métal : • corrosion galvanique; • corrosion intergranulaire 3) Endommagement par des forces mécaniques : • érosion et cavitation; • frottement; • fatigue; 4) 27/11/2015 Rupture induite par l’environnement : • corrosion sous contrainte; • fragilisation par l’hydrogène. 69
