Année Universitaire 2014/2015 Cycle Ingénieur UNIVERSITE HASSAN II ENSAM – CASABLANCA Module: Matériaux et Structures Cours: Sciences des matériaux Prof. : Mohammed AIT EL FQIH riz , to View Plan Généralités sur les m 2 Composition et structures Propriétés des matériaux 4 or28 Diagramme de phases Solide-Liquide des systèmes binaires Métaux et alliages matériaux Exemple: procédé de fabrication des ciments. Adjuvants: gypse, laitier de haut fourneau, cendres volantes, les schistes bitumineux, des fillers calcaires etc Ciments (selon le type de procédé industriel utilisé) 7 Généralités sur les matériaux
Conclusion: Les constitutives des matériaux passe par leur fabrication d’un ordre de grandeur allant du nm au m; atomes liaisons empilements atomiques solution solide assemblages de grains et de phases Figure 3. Ordre de grandeur d’utilisation des matériaux 8 OF Propriétés physiques: masse volumique, porosité, forme, couleur, rugosité, surface spécifique, etc – propriétés Chimiques: perméabilité, conductivité électrique, pH, Propriétés thermiques: Dilatation, point de fusion, conductivité thermique, etc V- Changements d’état de la matière V- 1 Effet de la température -Température mesure degré d’agitation et e désordre.
T forte vibration des atomes — dilatation thermique – distance importante entre atomes et molécules. T –> forces d’attraction interatomique non négligeable – atomes en désordre mais ? courte distance – passage à l’état liquide. – T forces d’attraction interatomique devenant prépondérantes – passage à l’état: Solide cristallisé (atomes ordonnés). -Solide amorphe ou vitreux (atomes en désordre). Figure 5. Changements d’état de la matière en fonction de la température. 12 V-2 Effet de la pression – La pression joue un rôle dans le chan ement de l’état de la matière. PAGF atomique). 17
Composition et structure des matériaux l- Structures (Rayon ionique). 18 l- Structures (Electronégativité). Attraction vis-à-vis des électrons partagés ou gagnés (mesure : Pauling) 19 ll- Diagramme d’énergie 20 ll- Liaisons 11-1 Nature des liaisons iaisons chimiques 0 Liaisons fortes : – liaison covalente (deux non-métaux; ex: C diamant, Ge, Si, C12, Si02 – liaison ionique (un métal et un non métal; ex: NaCl, A1203 – liaison métallique (deux métaux; ex: CuBe, CuNi, CuAl – Liaisons physiques C] Liaisons faible: – llaison hydrogène (ex: polymères organiques, ciments – liaison de Van der Waals. 1 Composition et structure PAGF OF normaux (Al, alcalins… ) : liaison assez faible – Métaux de transition C] Liaison plus forte : atomes plus proches, densité 24 11-4 Liaisons faibles (Liaison hydrogène et liaison de Van der Waals) Ce sont de simples attractions électrostatiques entre charges électriques de signes opposes. -Liaisons de Van der Waals entre macromolécules dans un polymère poly(chlorure de vinyle) (PVC): poly(ethyleneterephtalate) (PET): polyisoprene 1-4 cis (caoutchouc naturel) vulcanise au soufre tel qu’on le trouve dans les pneumatiques de voiture. Liaisons-hydrogène entre molécules d’eau H20 dans la glace. 25 III- Structures SOLIDES AMORPHES SOLIDES CRISTALLINS 111-1 Solides amorphes Dans un solide amorphe ou vitreux, les atomes sont disposés aléatoirement et proches les uns des autres (répétition non ériodique). Pas d’ordre à Ioneue dis PAGF s OF dégagement de chaleur 27 Ill Structures 111-3 Matériaux cristallins – Ils sont représentés par un modèle tripériodique caractérisé par des paramètres dits parametres cristallins (a, b, c) qui sont les distances entre les atomes les plus proches voisin dans les trois directions de Pespace. On définit aussl et Y Les angles que font les 3 axes (respectivement oy. oz, ox. oz et ox. y) entre eux. a, b, c et a, B et Y Définissent un système cristallin. Figure 8. Définition d’un système cristallin 28 Ill- Structures 111-4 Empilements d’atomes: Cristaux et symétries Combinaisons d’une rotation + translation ou inversion (symétrie centrale). euls angles de rotation possibles (opération de symétrie) : axes de rotation d’ordre 1, 2, 3, 4, 60 Rotation: 111-5 Réseaux de Bravais 29 – Sites interstitiels dans le réseau cristallin – sites octaédriques (rouge): 6 atomes en contact – sites tétraédrlques (bleu): 4 atomes en contact 32 -Calcul du rayon d’une cavité octaédrique (CFC et HC): 33 Calcul du rayon d’une cavité tétraédrique (HC): 34 35 – Caractéristiques des réseaux obliques compacité 36 – Réseaux de Bravais. 37 PAGF 7 OF 40 111-8 Effet de la composition chimique Concentration ou composition Concentrations atomiques.
Avec NA – nombre d’atomes de A dans le mélange; NB = nombre d’atomes de B dans le mélange; N = NA + NB = nombre total d’atomes du mélange. Concentrations massiques (ou pondérales).. Avec MA = masse de A dans le mélange; MB = masse de B dans le mélange; M = MA + MB = masse totale du mélange. Dans un mélange binaire A-B comportant seulement deux constituants A et B), XA + 100 % t mA + ma 100 %. Concentrations atomiques et concentrations massiques sont reliées par l’intermédiaire des masses atomiques A et B; on a ainsi par exemple • 41 Solutions solides. Si XA xB, les atomes B se disposent en général aléatoirement en solution solide dans le cristal de A. L’élément g est le soluté, A est le solvant. – Si les rayons atomiques s d’atomes sont voisins PAGF E OF de structures. Ils gouvernent les propriétés mécaniques (dureté, déformabilité, rupture) les propriétés de transport (diffusion) IV-I Défauts ponctuels Lacune: site vacant susceptible d’être occupé par un atome. Interstitiel: Atome supplémentaire disposé en un emplacement normalement inoccupé dans le cristal. Défauts produits par agitation thermique (N.
B. : à O K pas de formation d’interstitiel). Concentration des interstitiel avec T. avec ; n : nombre de défauts, N : nombre de sites du cristal, A : constante sans dimension, Q : énergie de formation du défaut ponctuel (J/mole), R : constante des gaz parfait, T : température du cristal (K). Atomes d’impureté en solution solide: Défauts d’irradiation. Impact des défauts ponctuels sur les propriétés des matériaux: Propriétés liées aux hénomènes de transport de la matière : diffusion grâce aux lacunes, charges électriques : conduction dans les solides ioniques.
IV- Défauts cristallins et défauts de structures. IV-2 Défauts linéaires – Distorsion locale d’un réseau cristallin parfait. L’amplitude du « pli discontinuité de tran PAGF ç OF de haute pureté Fe 99,999 %). Le fer a une structure cristalline C. C. avec un paramètre de maille a = 0,287 nm. Le schéma de l’éprouvette de traction est présenté à la figure cl-dessous et les dimensions de sa section utile sont les suivantes: largeur I = 8 mm; épaisseur = 4 mm. Quelle est la longueur (en nm) du vecteur de Burgers b des dislocations dans le fer ? 6 Impact des défauts linéaires sur les propriétés des matériaux : Déformabilité: le déplacement des dislocations conditionne la plasticité, déformation irréversible, peu d’endommagement. Exemple pratique: mise en forme des métaux et alliages métalliques (emboutissage de tôles pour l’industrie automobile Phénomène de transport. Diffusion plus facile le long des dislocations que dans le réseau. Semi-conducteurs ( Microélectroniques) -> abaissement de la résistivité électrique. dislocations dans un alliage de titane 47
