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Dr. Gilles OLIVE Chimie des Matériaux ! Etude des caractéristiques générales de

Dr. Gilles OLIVE Chimie des Matériaux ! Etude des caractéristiques générales des matériaux métalliques ! Etude des propriétés physiques, chimiques et mécaniques des matériaux ! Différentes techniques pour améliorer les propriétés mécaniques des matériaux ! Les verres ! Les céramiques ! Les liants hydrauliques ! Les matières plastiques ! ANNEXES et LABORATOIRES 3ème Edition Penser (peser) est fonction de peseur, non fonction de balance. (Alain) L'expérience est le nom que chacun donne à ses erreurs. (Oscar Wilde) Qu'il est difficile d'être simple... (Vincent van Gogh, lettre à Paul Gaugin, 1890) Dr. Gilles OLIVE 1 CHIMIE des MATERIAUX 07/01/2005 3ème Edition SOMMAIRE CHAPITRE 1: ÉTUDE DES CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DES MATERIAUX MÉTALLIQUES __________________________________________ 9 1.1. Liaisons métalliques ________________________________________________________________9 1.1.1. Les différents types de liaisons____________________________________________________________ 9 1.1.2. Les liaisons métalliques ________________________________________________________________ 10 1.1.3. Les types de solides (type de liaisons) _____________________________________________________ 10 1.1.3.1. Métalliques________________________________________________________________________ 10 1.1.3.2. Sels (liaisons ioniques)_______________________________________________________________ 10 1.1.3.3. Moléculaires_______________________________________________________________________ 10 1.1.3.4. Covalents _________________________________________________________________________ 11 Remarques sur les interactions de Van der Waals _____________________________________ 11 a) Les interactions dipôle-dipôle _______________________________________________________ 11 b) Les interactions dipôle-dipôle induit__________________________________________________ 11 c) Les interactions dipôle induit-dipôle induit_____________________________________________ 11 1.2. Le réseau cristallin ________________________________________________________________12 1.2.1. Il existe 7 réseaux cristallins_____________________________________________________________ 12 1.2.2. Les propriétés physico-chimiques_________________________________________________________ 14 REMARQUES: _______________________________________________________________ 15 1.2.3. Le nombre d'atomes par maille___________________________________________________________ 15 1.3. Les défauts au sein des solides cristallins ______________________________________________15 1.3.1. Ponctuels____________________________________________________________________________ 15 1.3.1.1. Les lacunes________________________________________________________________________ 16 1.3.1.2. Les défauts auto-interstitiels __________________________________________________________ 16 1.3.1.3. Les défauts interstitiels étrangers_______________________________________________________ 16 1.3.1.4. La substitution _____________________________________________________________________ 16 REMARQUE _________________________________________________________________ 17 1.3.2. Linéaires ____________________________________________________________________________ 17 1.3.2.1. Dislocation coin ____________________________________________________________________ 17 1.3.2.2. Dislocation vis1 ____________________________________________________________________ 19 1.3.3. De plan, de surface ____________________________________________________________________ 20 1.4. Diagramme de phases ______________________________________________________________20 1.4.1. Le corps pur (solidification) _____________________________________________________________ 21 1.4.2. Mélange (solidification) ________________________________________________________________ 21 Diagramme en fuseau _____________________________________________________________ 22 Eutectique Pb-Sb_________________________________________________________________ 23 Eutectique Ag-Cu ________________________________________________________________ 23 1.4.3. Un exemple particulier des phases: Fe-C ___________________________________________________ 24 1.4.3.1. Informations sur le fer pur ____________________________________________________________ 24 1.4.3.1.1. Plusieurs techniques pour obtenir du fer pur _________________________________________ 24 1.4.3.1.2. Dans le commerce, il y a différents types de fer qui se distinguent par leurs impuretés ________ 24 1.4.3.1.3. Propriétés du fer _______________________________________________________________ 24 1.4.3.1.3.1.Physico-chimique ____________________________________________________________ 24 1.4.3.1.3.2.Physico-chimique ____________________________________________________________ 25 1.4.3.1.4. Courbe de refroidissement du fer __________________________________________________ 25 Dr. Gilles OLIVE 2 CHIMIE des MATERIAUX 07/01/2005 3ème Edition 1.4.3.2. Alliage Fer-Carbone_________________________________________________________________ 26 Graphique simplifié Fe-C __________________________________________________________ 27 CHAPITRE 2: ETUDE DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES, CHIMIQUES ET MÉCANIQUES DES MATÉRIAUX _____________________________________ 28 2.1. Propriétés chimiques_______________________________________________________________28 2.1.1. Oxydation par les acides________________________________________________________________ 28 2.1.1.1. Le fer se dissout-il dans une solution d'acide chlorhydrique ?_________________________________ 29 2.1.1.2. Et le cuivre ? ______________________________________________________________________ 29 2.1.2. Oxydation par l'eau____________________________________________________________________ 29 2.1.2.1. Le sodium réagit-il avec l'eau ? ________________________________________________________ 29 2.1.2.2. Et le cuivre réagira-t-il avec l'eau ? _____________________________________________________ 29 2.1.3. Observations _________________________________________________________________________ 30 2.1.4. Diagramme de Pourbaix ________________________________________________________________ 30 2.1.4.1. Cu/H2O___________________________________________________________________________ 31 2.1.4.2. Exercice: Zn/H2O___________________________________________________________________ 33 Le diagramme de Pourbaix Zn/H2O lui-même:__________________________________________ 38 2.2. Propriétés physiques _______________________________________________________________38 2.2.1. Conductivité électrique_________________________________________________________________ 38 Il existe 3 types de métaux en fonction des propriétés électriques ___________________________ 39 2.2.2. Conductivité thermique_________________________________________________________________ 39 2.2.3. Masse volumique et densité _____________________________________________________________ 39 Paramètres pour calculer la masse volumique d'un métal: _______________________________ 40 2.3. Propriétés mécaniques _____________________________________________________________40 2.3.1. La dureté de Mohs ____________________________________________________________________ 41 2.3.2. Brinell ______________________________________________________________________________ 41 HB = Indice de dureté Brinell_____________________________________________________ 42 2.3.3. Vickers _____________________________________________________________________________ 42 HV = Indice de dureté Vickers____________________________________________________ 43 2.3.4. Rockwell____________________________________________________________________________ 43 HRC (ou HRB) = Indices de dureté Rockwell ________________________________________ 43 2.3.5. Essais de dureté. ______________________________________________________________________ 43 2.3.6. Autres types de duretés_________________________________________________________________ 45 CHAPITRE 3: DIFFÉRENTES TECHNIQUES POUR AMÉLIORER LES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DES MATÉRIAUX_________________________ 46 3.1. Traitements thermiques ____________________________________________________________46 3.1.1. Le recuit ____________________________________________________________________________ 46 3.1.1.1. D'adoucissement____________________________________________________________________ 46 3.1.1.2. De normalisation ___________________________________________________________________ 46 3.1.1.3. De détente ________________________________________________________________________ 46 3.1.1.4. D'homogénéisation__________________________________________________________________ 46 3.1.2. La trempe ___________________________________________________________________________ 46 3.1.3. Le revenu ___________________________________________________________________________ 47 3.2. Traitements chimiques superficiels ___________________________________________________47 3.2.1. Cémentation2 ________________________________________________________________________ 47 3.2.1.1. Etape d’enrichissement en carbone _____________________________________________________ 47 Dr. Gilles OLIVE 3 CHIMIE des MATERIAUX 07/01/2005 3ème Edition 3.2.1.1.1. Cémentation en caisse __________________________________________________________ 47 3.2.1.1.2. Cémentation en bains de sels _____________________________________________________ 48 3.2.1.1.3. Cémentation gazeuse ___________________________________________________________ 48 3.2.1.2. Traitements thermiques après cémentation _______________________________________________ 48 3.2.2. Carbonitruration ______________________________________________________________________ 48 3.2.3. Nitruration___________________________________________________________________________ 49 Caractéristiques: _________________________________________________________________ 49 CHAPITRE 4: LES VERRES ________________________________________ 50 4.1. Généralités _______________________________________________________________________50 Verre ordinaire ou verre sodocalcique_________________________________________________ 50 Verre à vitres____________________________________________________________________ 50 Verre borosilicate ou pyrex _________________________________________________________ 50 4.2. Structure du verre_________________________________________________________________51 4.3. Propriétés du verre ________________________________________________________________52 4.3.1. Propriétés optiques ____________________________________________________________________ 52 4.3.1.1. Transparence ______________________________________________________________________ 52 4.3.1.1.1. Dans le visible ________________________________________________________________ 52 4.3.1.1.2. Dans l'ultraviolet_______________________________________________________________ 53 4.3.1.1.3. Dans l'infrarouge ______________________________________________________________ 53 4.3.1.2. Indice de réfraction (n)_______________________________________________________________ 53 4.3.2. Propriétés thermiques __________________________________________________________________ 53 4.3.2.1. Conductivité thermique ______________________________________________________________ 53 4.3.2.2. Résistance aux chocs thermiques_______________________________________________________ 54 4.3.3. Propriétés électriques __________________________________________________________________ 54 4.4. Exemples pratiques de verres________________________________________________________54 4.4.1. Verre silico-sodo-calcique ______________________________________________________________ 54 4.4.2. Verre boro silicate_____________________________________________________________________ 55 4.4.3. Silice vitreuse ________________________________________________________________________ 55 4.4.4. Alumino silicate ______________________________________________________________________ 55 4.4.5. Verre d'optique _______________________________________________________________________ 55 4.4.6. Fibres optiques _______________________________________________________________________ 55 CHAPITRE 5: LES CÉRAMIQUES ___________________________________ 56 5.1. Généralités _______________________________________________________________________56 5.2. Définitions des céramiques __________________________________________________________56 5.2.1. Deux grands types de céramiques_________________________________________________________ 56 5.2.2. Les céramiques sont des produits dont la fabrication comporte les caractéristiques suivantes: __________ 56 5.3. Eléments de structure au niveau des céramiques________________________________________57 5.4. Les différentes étapes de fabrication __________________________________________________57 5.5. Propriétés mécaniques des céramiques ________________________________________________57 5.5.1. Structure ____________________________________________________________________________ 57 5.5.2. Propriétés mécaniques _________________________________________________________________ 57 Dr. Gilles OLIVE 4 CHIMIE des MATERIAUX 07/01/2005 3ème Edition CHAPITRE 6: LES LIANTS HYDRAULIQUES _________________________ 59 6.1. Le ciment3 _______________________________________________________________________59 6.1.1. Quelques définitions ___________________________________________________________________ 59 6.1.2. Le principe de fabrication du ciment ______________________________________________________ 60 6.1.3. Le processus chimique _________________________________________________________________ 60 6.1.3.1. Production d'aluminate monocalcique, de silicate bicalcique et de chaux. _______________________ 61 6.1.3.2. Combinaison partielle à plus haute température de ces derniers, pour former des aluminates et des silicates tricalciques.________________________________________________________________________ 61 6.1.3.3. Les réactions chimiques lors de la mise en œuvre du ciment__________________________________ 61 6.2. Le béton4 ________________________________________________________________________62 6.2.1. La conception et la mise en œuvre d'un béton frais ___________________________________________ 62 6.2.2. Les propriétés du béton après l'hydratation (béton durci)_______________________________________ 63 6.2.3. Les dégradations du béton ______________________________________________________________ 63 6.2.3.1. Les problèmes d'ordre physiques _______________________________________________________ 64 6.2.3.2. les problèmes d'ordre chimique liés à la composition du béton ou à son environnement ____________ 64 6.2.3.2.1. le phénomène de la carbonatation__________________________________________________ 64 6.2.3.2.2. la corrosion par le sel ___________________________________________________________ 64 6.2.3.2.3. les réactions sulfatiques _________________________________________________________ 65 6.2.3.2.4. les réactions alcali-granulats______________________________________________________ 65 6.2.3.2.5. La réaction alcali-silice__________________________________________________________ 65 6.2.3.3. les conséquences de la réaction alcali-silice_______________________________________________ 65 6.2.3.4. La recherche_______________________________________________________________________ 66 6.3. Le plâtre5 ________________________________________________________________________66 6.3.1. Les propriétés du plâtre_________________________________________________________________ 66 6.3.1.1. Homogénéité ______________________________________________________________________ 66 6.3.1.2. Constance_________________________________________________________________________ 66 6.3.1.3. Coefficient d'expansion ______________________________________________________________ 66 6.3.1.4. Autres caractéristiques _______________________________________________________________ 66 6.3.1.5. Temps de prise et période de plasticité __________________________________________________ 67 6.3.2. Quantité plâtre-eau ____________________________________________________________________ 67 6.3.2.1. A l'œil____________________________________________________________________________ 67 6.3.2.2. En mesurant _______________________________________________________________________ 67 CHAPITRE 7: LES MATIÈRES PLASTIQUES _________________________ 68 7.1. Définition ________________________________________________________________________68 7.1.1. Réaction d'addition ____________________________________________________________________ 68 7.1.2. Réaction de condensation _______________________________________________________________ 68 7.1.2.1. Polyester__________________________________________________________________________ 69 7.1.2.2. Polyamide ________________________________________________________________________ 69 7.1.2.3. Résines à base de formol _____________________________________________________________ 70 7.2. Classification des différents polymères ________________________________________________71 7.2.1. Classement lié à la structure _____________________________________________________________ 71 7.2.1.1. Polymères linéaires _________________________________________________________________ 71 7.2.1.1.1. Homopolymères _______________________________________________________________ 71 Remarques:___________________________________________________________________ 72 Quelques propriétés dues à la tacticité:______________________________________________ 72 7.2.1.1.2. Copolymères__________________________________________________________________ 72 7.2.1.2. Polymères ramifiés__________________________________________________________________ 72 7.2.1.3. Polymères à cycles dans la chaîne ______________________________________________________ 74 7.2.1.4. Polymères tridimensionnels ___________________________________________________________ 74 Dr. Gilles OLIVE 5 CHIMIE des MATERIAUX 07/01/2005 3ème Edition 7.2.2. Classement lié à certaines propriétés ______________________________________________________ 74 7.2.2.1. Thermoplastiques___________________________________________________________________ 74 7.2.2.2. Thermodurcissables _________________________________________________________________ 75 7.2.2.3. Elastomères _______________________________________________________________________ 75 7.2.3. Classement lié à la morphologie__________________________________________________________ 75 7.2.3.1. Polymères amorphes ________________________________________________________________ 75 7.2.3.2. Polymères semi-cristallins ____________________________________________________________ 76 7.2.3.3. Polymères à deux phases amorphes _____________________________________________________ 77 Remarque: ______________________________________________________________________ 77 7.3. Transition de phase au niveau des polymères___________________________________________77 7.3.1. Transition vitreuse ____________________________________________________________________ 77 7.3.2. Fusion ______________________________________________________________________________ 77 7.3.3. Remarques et explications ______________________________________________________________ 78 7.4. Les adjuvants _____________________________________________________________________78 7.4.1. Plastifiants___________________________________________________________________________ 78 7.4.2. Stabilisants __________________________________________________________________________ 79 7.4.2.1. Anti-oxygènes _____________________________________________________________________ 79 7.4.2.2. Thermiques _______________________________________________________________________ 79 7.4.2.3. Lumières _________________________________________________________________________ 79 7.4.3. Colorants et Pigments __________________________________________________________________ 80 7.4.4. Anti-chocs___________________________________________________________________________ 80 7.4.5. Antistatiques _________________________________________________________________________ 80 7.4.6. Ignifugeants _________________________________________________________________________ 80 7.4.7. Lubrifiants___________________________________________________________________________ 80 7.4.8. Charges _____________________________________________________________________________ 81 7.5. Quelques polymères historiques20____________________________________________________81 7.6. Quelques utilisations de polymères courants21 _________________________________________87 Gamme type des propriétés des thermoplastiques du commerce (sans charge et sans renforcement) ____________________________________________________________________________ 88 Propriétés mécaniques générales des thermoplastiques du commerce (sans charge et sans renforcement) _________________________________________________________________ 89 CHAPITRE 8: ANNEXES ET LABORATOIRES ________________________ 90 8.1. ANNEXE 1 - Joints de Grain22 ______________________________________________________90 8.2. ANNEXE 2 - Interactions dipolaires23 ________________________________________________91 8.2.1. Dipôle électrique______________________________________________________________________ 91 8.2.1.1. Moment dipolaire permanent __________________________________________________________ 91 8.2.1.2. Moment dipolaire induit______________________________________________________________ 92 8.2.1.3. Etude expérimentale de la polarisation __________________________________________________ 93 8.2.2. Interactions moléculaires _______________________________________________________________ 94 8.2.2.1. Force de Coulomb __________________________________________________________________ 94 8.2.2.2. Forces de Van der Waals: ____________________________________________________________ 94 8.2.2.2.1. interaction dipôle permanent/dipôle permanent (forces de Keesom) _______________________ 94 8.2.2.2.2. interaction dipôle permanent/dipôle induit (forces de Debye) ____________________________ 94 8.2.2.2.3. interaction dipôle induit/dipôle induit (forces de London)_______________________________ 95 8.2.2.2.4. Cas particulier: la liaison hydrogène _______________________________________________ 95 8.2.3. Conséquences des forces de Van der Waals _________________________________________________ 95 8.2.3.1. Energie de cohésion dans solides moléculaires ____________________________________________ 95 8.2.3.2. solubilisation et miscibilité ___________________________________________________________ 95 Dr. Gilles OLIVE 6 CHIMIE des MATERIAUX 07/01/2005 3ème Edition 8.2.3.3. tension superficielle, formation de micelles_______________________________________________ uploads/Ingenierie_Lourd/ chimie-des-materiaux.pdf