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1Procédés de fabrication Ecole Nationale Supérieure des Arts et Métiers - Casab

1Procédés de fabrication Ecole Nationale Supérieure des Arts et Métiers - Casablanca Pr. KHATIB Hamza Année universitaire : 2021/2022Chapitre 1 –Cohésion et structure de la matière Objectifs du cours - Motivation 3 2 Définition d'une pièce mécanique Géométrie Matériau Procédés mécaniques Contraintes de choix : -La résistance de la pièce; -La simplicité de fabrication; -La dégradation de la pièce par l'usure; -L'interaction de la pièce avec son environnement (Oxydation…); - Température de fonctionnement… • Contraintes de choix : -La précision de la pièce; -Le temps de réalisation; -Le coût de la pièce…. • Contraintes de choix : -La résistance de la pièce; -L'encombrement; -Le Poids…. La réalisation d'une pièce mécanique nécessite la définition de trois paramètres : -Géométrie de la pièce (BE); -Matériau formant la pièce (BE); -Le procédé utilisé pour donner au matériau la géométrie finale recherchée (BM). La définition de la géométrie, du matériau et des procédés d'obtention sont des missions du BE et BM. Devant chaque projet de conception et de réalisation, plusieurs solutions se présentent pour chaque paramètre. L'ensemble des solutions admissibles doivent vérifier plusieurs critères (Cahier de charge, Optimisation (Géométrique, Poids, délais de fabrication, coût)….). 4 Le présent cours traite deux points essentiels du triangle (Géométrie, Matériau, Procédé). Il sera organisé en trois parties: Partie 1 : Elle sera consacrée à comprendre la structure de la matière et l'influence de cette structure sur les propriétés mécaniques (rigidité, ductilité, dureté, fragilité…). La maitrise de ces propriétés est fondamentale pour comprendre et mener un processus de choix d'un matériau dédié à une application précise (outil de coupe, métaux de construction….). Géométrie Matériau Pièce Procédé Une analyse à l'échelle atomique permettra de comprendre les origines de ces propriétés et les facteurs influençant ces propriétés. On va pouvoir également comprendre pourquoi certains matériaux (aciers, fontes, aluminiums….) présentent des propriétés particulières et pourquoi ils sont réservés à des applications précises. 5 3 Partie 2 : Elle sera consacrée aux matériaux métalliques ferreux. D'autres matériaux plus complexes (Composites) seront traités durant les années prochaines. Cette partie permettre de comprendre la composition des aciers et les méthodes d'élaboration ainsi que les applications pratiques de ces matériaux. Partie 3 : Elle sera consacrée aux procédés mécaniques de réalisation des pièces. Particulièrement les techniques et les paramètres opératoires de chaque procédé. 6 Chapitre 1 : Cohésion et structure de la matière 7 4 8 Partie 1 : Cohésion de la matière 1- Introduction 2- Electronégativité 3- Dipôle électrostatique et moment dipolaire 4- Energie de la liaison atomique 5-Les liaisons fortes 6-Les Liaisons faibles 7-Forces d'une une liaison interatomique Plan 9 1- Introduction 5 Quel est le matériau parfait recherché par un ingénieur ? - Haute résistance mécanique. - Poids léger (faible masse volumique). - Haute température de fusion (capable de fonctionner dans un réacteur d'avion…). - Résiste à la corrosion. - Simple à mettre en forme et à usiner (Dilemme ???) …. Avec un coût minimum. Application : Réalisation des structures minces dures et rigides : Exemples : Ailes d'avions Plastique Aluminium Acier Matériau aux fibres de Carbonne Masse volumique Faible Moyenne Importante Faible Résistance Faible Moyenne Importante Importante Coût Faible Moyen Moyen Important 1- Introduction 10 L’endommagement par rupture d’une pièce mécanique résulte de L’apparition d’une séparation de la matière et la création de deux nouvelles surfaces dissociées. La dissociation des deux surfaces montre une dissociation entre les éléments microscopiques formant la pièce. Comprendre les mécanismes de rupture macroscopique nécessite la compréhension des mécanismes de cohésion à l’échelle atomique. Plus la liaison entre les éléments microscopiques est forte plus la résistance mécanique du matériau est importante. 11 1- Introduction 6 Similairement à un ressort, une liaison interatomique est déformable et peut stocker une énergie potentielle. Pour rompre une liaison atomique, il est nécessaire d’apporter un travail mécanique ou une chaleur (énergie thermique) suffisante. Si une liaison atomique est forte, le travail mécanique (Force x déplacement) nécessaire à rompre la liaison est important. De point de vue thermique, La température de fusion (Energie cinétique nécessaire pour rompre les liaisons atomiques) nécessaire pour rompre la liaison dans un cristal est importante. 12 1- Introduction 13 1- Introduction 7 14 2- Electronégativité L’électronégativité est une propriété propre à chaque élément chimique de la table de Mendeleïev. Elle caractérise le potentiel et la capacité de l’atome à attirer des électrons lors de la formation d’une liaison chimique (Linus Pauling : « La nature de la liaison chimique»). La différence de l’électronégativité entre deux atomes liés dans une molécule détermine la nature de la liaison atomique. La notion de l’électronégativité permet de comprendre également les mécanismes réactionnels et la densité de répartition électronique dans une liaison. Pauling a mis en place une échelle caractérisant l'électronégativité de chaque particule. Elle permet de comparer et calculer l’écart de cette électronégativité dans une liaison entre deux atomes. Sur la table périodique des éléments chimiques, L’électronégativité a une tendance croissante de gauche à droite (les éléments présentant un électron manquant ont une tendance attractive des électrons de l’autre atome de la liaison). 15 2- Electronégativité 8 Ainsi le fluor situé à droite en haut du tableau constitue l’élément le plus électronégative avec une valeur proche de 4. Il présente un pouvoir oxydant très élevé (arrachement des électrons pour la formation d’une liaison avec un atome). L’oxygène présente également un pouvoir électronégatif important (3,5) ce qui implique un pouvoir oxydant significatif. 16 2- Electronégativité Electronégativité des liaisons Exemple (H-Cl) : L’électronégativité du chlore est de (3,16) et celle de l’hydrogène est de (2,2). L’atome le plus électronégatif (Cl) aspire les électrons de la liaison vers son environnement proche, au détriment de l’autre atome. Les deux électrons de la liaison sont le plus souvent autour du chlore que de l’hydrogène. La figure suivante indique la répartition des électrons de liaison. Ainsi, l’atome de chlore présente une charge électrique négative partielle et l’hydrogène une charge positive partielle, d’où la présence d'un dipôle. 17 2- Electronégativité 9 Exemple (Liaison covalent apolaire) : La liaison carbone-carbone est réalisée entre deux atomes identiques de même électronégativité. La distribution des électrons de liaison est identique entre les deux atomes et la différence de l’électronégativité est nulle. On dit que la liaison est covalente apolaire. Pour considérer que la liaison est polarisée, il faut que la différence de l’électronégativité soit suffisante (généralement >0,5). 18 2- Electronégativité Si la différence de l’électronégativité est importante (dépasse généralement un seuil de 1,7). L’attraction des électrons devient plus intense, dans ce cas, la liaison est dite ionique. Exemple (Liaison Ionique) : Pour que la liaison soit ionique, il faut que la différence de l'électronégativité soit élevée. Cette condition est obtenue généralement si la liaison est établie entres atome de la partie gauche et atome de la partie droite de la table périodique. 19 2- Electronégativité 10 20 3- Dipôle électrostatique et moment dipolaire Un dipôle électrostatique se définit par une répartition de charges électriques de somme nulle tel que le barycentre des charges positives ne coïncide pas avec celui des charges négatives. Quand un objet possède une charge électrique totale nulle, on associe à cet objet un vecteur nommé moment dipolaire (P) qui représente la réparation des charges de cet objet. Si les barycentres des charges positives et négatives sont situés sur le même point, le moment dipolaire est nul on dit que l’objet est apolaire (Exemple atome de CO2), si non l’objet et dit dipolaire. Sous l’effet d’un champ électrique externe, une molécule apolaire peut devenir polarisée (il est polarisable). . 0   . 0 =  . 0   21 3- Dipôle électrostatique et moment dipolaire 11 En présence d’une réparation de (qi) charges. Le moment dipolaire est défini par l’expression : i i i O q OM P .  = q NP q ON q OP P . . . = − = En présence de deux charges opposées (+q) au point (P) et (-q) au point (N). Le moment dipolaire sera : L'unité du moment dipolaire est le Debye. 1 Debye = 3,333 10-30 C.m 22 3- Dipôle électrostatique et moment dipolaire 23 3- Dipôle électrostatique et moment dipolaire 12 24 4- Energie de la liaison atomique Il nous sera utile de classifier les liaisons atomiques en des liaisons fortes et des liaisons faibles. L'énergie d'une liaison est l’énergie nécessaire pour rompre cette liaison. Cette énergie sera un indicateur de la force de cohésion. Exemple: L’énergie de dissociation de l'hydrogène (H2) est 436 Kj/mol. Ainsi, pour dissocier une molécule H2 en deux atomes H, il faut fournir 4,52 eV. Energie de liaison = 436.103/(6,022.1023 x 1,60. 10-19) ( Nav= 6,022.1023 1ev= 1,602 .10-19 J) La température et la pression sont des paramètres qui peuvent influencer la quantité d'énergie nécessaire à la dissociation. En général, les valeurs mesurées sont à pression constante, on obtient ainsi les enthalpies de liaison au lieu des énergies. 4- Energie de la liaison atomique 25 13 26 5-Les liaisons fortes Pour briser les liaisons fortes, il faut fournir des énergies de dissociation de l’ordre de 200 à 500 kJ par mole de liaison uploads/Ingenierie_Lourd/ chapitre-1-cohe-sion-et-structure-de-la-matie-re.pdf