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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE Félix HOUPHOUET-BOIGNY C.R.E.F.S.E.M. STRUCTURE

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE Félix HOUPHOUET-BOIGNY C.R.E.F.S.E.M. STRUCTURES ET PROPRIETES DES MATERIAUX COURS DU PROFESSEUR Pierre DABLE Département du Génie Mécanique et Energétique 1 LA METROLOGIE ET LES MATERIAUX La métrologie est une branche de la physique concernant la « Science des mesures et ses applications ». Elle comprend tous les aspects théoriques et pratiques des mesurages quel que soit l’incertitude de mesure et le domaine d’application. Les matériaux qui sont des phases denses sont sensibles aux effets de l’environnement sur leur dimension et ce du fait de la dilatation et de la compression dont ils sont ou peuvent être l’objet. De ce fait, les paramètres que sont la température et la pression ne sont pas sans effet sur les mesures effectuées sur ces phases. Ces deux paramètres impactent les mesures sur les volumes à travers le coefficient de dilatation isobare α et, le coefficient de compressibilité isotherme χ avec : α= 1 V ( ∂V ∂T )P ; χ=−1 V ( ∂V ∂P)T Les mesures de volume subissent donc en fonction de la température et de la pression une variation: dV V =αdT −χdP Le volume étant une grandeur d’état, on en définit un étalon qui doit rester invariante quel que soit le lieu de mesure. Ainsi, toutes les grandeurs mesurables impliquant le volume doivent tenir compte de l’impact de la température et de la pression. La mécanique des matériaux fournit des données caractéristiques qui définissent les domaines d’application. Il est donc nécessaire de déterminer les incertitudes sur les mesures qui impliquent le volume et de redéfinir à une pression et une température, les limites des domaines d’application. Cette démarche est tant sécuritaire qu’économique. Il est donc nécessaire que le métrologue ait une idée des expressions mathématiques qui déterminent ces données afin de proposer un modèle de calcul d’incertitude sur ces mesures. 2 LES MATERIAUX 3 I- DEFINITION ET FAMILLES DES MATERIAUX : On définit comme matériaux, toute phase dense dont la masse, les propriétés physiques et mécaniques permettent d’élaborer des structures, du matériel d’utilité et de produire de l’énergie. A ce titre, on distinguera : - Les matériaux organiques ; - Les matériaux minéralogiques ; - Les matériaux métalliques. I-1 MATERIAUX ORGANIQUES : Les matériaux organiques sont toutes les phases constituées des atomes C ; O ; H ; N. On compte dans cette familles, le bois, le pétrole ; l’eau ; les phases moléculaires cristallines (sucre). De ces phases, on peut soient élaborer : Des structures: Construction en bois, en glace (Iglou) et en verre organique (verre plexiglass et verre de sucre); De l’énergie : Par combustion du bois et du pétrole, et l’hydroélectricité grâce à l’énergie potentiel de l’eau. Du matériel : Production de papier à partir de la cellulose du bois. Production de polymères plastifiables à partir du pétrole. Les polymères feront l’objet du chapitre sur les plastiques. I-2 MATERIAUX MINERAUX : Dans le domaine des matériaux minéralogiques, on distinguera les phases naturelles et les phases d’élaboration. II -2.1 PHASES NATURELLES : Ce sont les roches magmatiques et granitiques dont la mise en place provient de la différentiation du magma. Ces matériaux qui sont issus de transformation à haute température et pression sont très stables à température ambiante. On citera : - Le sable ou silice issu de l’érosion du granite ; - Les roches sédimentaires ; - Le marbre ; - Le granite. Ces matériaux sont généralement utilisés dans les ouvrages d’ornement et de décoration. Ils entrent pour beaucoup dans l’élaboration des phases de synthèse auxquelles ils apportent une meilleure stabilité c’est le cas du sable et du gravier. II-2.2 PHASES D’ELABORATION : Ce sont des phases de matériaux minéralogiques qui sont issu du mélange dans des proportions bien définies. Ces matériaux sont destinés généralement à la construction. On citera : - Le ciment, phase d’aluminosilicate de magnésium qui est du clinker ; roche sédimentaire est broyée finement et cuite. Ce produit à la capacité de fixer de l’eau de former un liant très stable ; 4 - Le parpaing ou brique de construction : C’est un mélange de sable, de ciment et d’eau dans des proportions définies ; - Le mortier : mélange de sable ciment et eau dans des proportions biens définies. Le mortier sert de liant entre les briques. - Le concret : Mélange de mortier et de gravier (granite concassé) qui associé aux armatures en acier conduit à la structure béton. Dans toutes ces phases, la quantité d’eau garantit les propriétés mécaniques. Les molécules d’eau présentes dans ces phases assurent le lien entre les différentes phases. Après séchage, la solidité de ces matériaux est assurée par l’eau résiduelle. De ce fait, compte tenu de la sensibilité de l’eau à la température ; pression de vapeur saturante, la perte en eau au cours du séchage devient très important à contrôler. La quantité effective d’eau résiduelle qui assure le lien entre les phases en présence et qui garantit la stabilité des phases doit être bien en accord avec l’étalon quel que soit la température et la pression au lieu d’élaboration. - Le verre minéral ; - La céramique et la vitro céramique. De ces matériaux nous nous intéresserons plus particulièrement au verre minéral, à la céramique et la vitro céramique. I-3 MATERIAUX METALLIQUES : Les matériaux métalliques sont des phases constituées d’atomes métalliques. Ce sont soient des phases métalliques pures constituées d’un seul et même atome ou d’alliage qui est constitué d’au moins deux atomes métalliques différents. On distinguera donc les métaux purs et les alliages. Les matériaux métalliques représentent plus de 80% des matériaux élaborés que sont les aciers et autres alliages spéciaux tels que les superalliages Ni-Al. Ces deux phases feront l’objet d’un chapitre qui présentera leurs différentes propriétés et procédé d’élaboration. 5 II- LES PHASES METALLIQUES : Les phases métalliques sont des phases constituées d’atomes de métaux. Les métaux sont les espèces chimiques dont les couches électroniques ns ou np ne sont pas pleines. On distingue dans cette famille d’éléments chimique, les métaux et les métaux de transitions. II-1 STRUCTURE ELECTRONIQUE DES METAUX: Les métaux alcalins sont les éléments chimiques qui ont la couche S avec un seul électron. Exemples: Le Lithium Li N=3è ; Le Sodium Na N=11è ; Le Potassium K N=19è 1s2 1s2 1s2 2s1 2s2 2p6 2s2 2p6 3s1 3s2 3p6 4s1 Les métaux alcalinoterreux sont les éléments chimiques avec deux électrons dans la couche s. Exemples: Le Beryllium Be N= 4è ; Le Magnesium Mg N=12è ; Le Calcium Ca N= 20è 1s2 1s2 1s2 2s2 2s2 2p6 2s2 2p6 3s2 3s2 3p6 d0 4s2 Les métaux de transition sont les éléments chimiques possédant des couches d incomplètes. Exemples: Le Scandium Sc N=21è ; Le Niobium Nb N=41è ; Le Fer Fe N=26 ; Le Nickel Ni N=28 1s2 1s2 1s2 1s2 2s2 2P6 2s2 2p6 2s2 2p6 2s2 2p6 3s2 3P6 3d1 3s2 3p6 3d10 3s2 3p6 3d6 3s2 3p6 3d8 4s2 4s2 4p6 4d3 4s2 4s2 5s2 Les niveaux d’énergie ns et np de nombre quantique le plus élevé représentent la couche périphérique ou couche de valence. Les niveaux d’énergie de nombre quantique inférieur représentent les couches de cœur et les électrons qui y sont ne sont pas impliqués dans les liaisons interatomiques. II-2 NOTION D’ELECTRONEGATIVITE: L’électronégativité est la propension d’une espèce chimique à adopter la structure d’un gaz rare. Le gaz rare est caractérisé par une saturation de sa couche de valence. Pour ce faire, l’espèce chimique peut devoir gagner des électrons pour saturer sa couche de valence on parlera d’élément électronégatif. Cette opération conduit à la formation d’un anion de charge négative ; soit perdre des électrons on parlera d’espèce électropositif. Cette perte d’électron conduit à la formation d’un cation de charge positive. 6 La formation d’un anion ou d’un cation dépend de l’aisance à perdre des électrons ou à en gagner. Le fluor qui est l’espèce la plus électronégative a la structure suivante : F ; N= 9 1s2 2s2 2p5 Pour avoir sa couche de valence qui est la couche de nombre quantique 2, il lui faut gagner 1 électron. Le fluor aura donc la forte capacité de prendre un électron à toute espèce qui peut en céder et former l’anion F-. De même l’oxygène : O ; N=8 1s2 2s2 2p4 devra gagner 2 électrons pour avoir sa couche de valence saturée et donner l’anion O2-. Pour les espèces métalliques tant alcalins, alcalinoterreux que de transition qui finissent en ns1 ou ns2, ils devront donc perdre 1 ou deux électrons au moins pour avoir leur couche de valence saturée. Ainsi le Nickel perdra deux électrons pour avoir sa couche de valence saturée : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s0 La couche d n’étant pas une couche périphérique mais de cœur, la couche de valence saturée est 3s2 3p6. L’espèce qui en résulte est donc de charge positive ; Ni2+, charge non neutralisée par les deux électrons éjectés. Le fer connait la même évolution dans un premier temps. En perdant les deux électrons de la couche 4s, on uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-de-materiaux.pdf