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1 Ingénierie des Matériaux Prof. N. HAMDADOU nasreddine.hamdadou@enp-oran.dz Sp

1 Ingénierie des Matériaux Prof. N. HAMDADOU nasreddine.hamdadou@enp-oran.dz Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux École Nationale Polytechnique d’Oran – Maurice AUDIN Département de Génie des Procédés et Matériaux 2 Objectifs du cours L’ingénierie des matériaux est un domaine interdisciplinaire, dont l’objectif consiste à optimiser le choix des matériaux pour les applications technologiques. Les objectifs de ce cours se résument à la définition des critères de choix d'un matériau pour une application donnée, à la présentation des différentes classes de matériaux utilisés dans les applications et le développement, et enfin à l’étude des propriétés physiques générales des matériaux. Connaissances préalables recommandées Notions de base de mécanique classique et rationnelle, d’électricité, d’optique, de thermodynamique classique, et de chimie générale. Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux 3 Plan du cours I- Choix et classification des matériaux I.1- Introduction I.2- Les états de la matière I.3- Plan de choix des matériaux I.4- Les trois classes de matériaux II- Propriétés mécaniques et structure des matériaux II.1- Propriétés mécaniques des matériaux II.2- Structure des matériaux III- Corrosion et fatigue des matériaux III.1- La corrosion des métaux III.2- La fatigue des matériaux. Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux 4 IV- Propriétés physiques des matériaux IV.1- Les propriétés électriques IV.2- Les propriétés magnétiques IV.3- Les propriétés thermiques IV.4- Les propriétés optiques V- Les métaux V.1- Introduction V.2- Les propriétés mécaniques V.3- Les propriétés structurales V.4- Les propriétés physiques V.5- Les alliages métalliques Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux 5 VI- Les polymères VI.1- Introduction VI.2- Structure des polymères VI.3- Les familles de polymères VI.4- Les propriétés des polymères VI.5- La mise en forme des polymères VII- Les céramiques VII.1- Introduction VII.2- Les familles de céramiques VIII- Les composites VIII.1- Introduction VIII.2- Les matrices et les renforts Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux 6 IX- Le recyclage des matériaux IX.1- Introduction IX.2- Les types de recyclage Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux 7 Chapitre I Choix et classification des matériaux Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux 8 I.1- Introduction L’évolution spectaculaire de la diversité et des performances des matériaux est due à une compréhension et à une maîtrise de plus en plus fines de leur structure, ainsi que des relations entre structure et propriétés d’emploi. La diversification des matériaux est également liée à une spécialisation de plus en plus grande, qui repousse toujours plus loin les limites de mise en œuvre et d’utilisation finale de ces matériaux. Un exemple sur les matériaux utilisés dans l’industrie automobile est donné par la fig.1. Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux 9 Ronce de Noyer Cuir Plastique Verre Aluminium Caoutchouc Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux Figure 1- Exemple de matériaux utilisés dans l’industrie automobile H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H Solide - Structure rigide où les liaisons entre les molécules sont fortes I.2- Les états de la matière La matière peut exister suivant quatre états. I.2.1- L’état solide : illustré par la glace dans le cas de l’eau. 10 Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H Liquide - Les liaisons entre les molécules ne sont pas très fortes, mais une structure peut être observée. II.2.2- L’état liquide : représenté par l’eau dans cet exemple. 11 Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux H O H H O H H O H H O H H O H H O HHOH H O H H O HHOH H O H H O H Gaz- Les liaisons entre les molécules n’existent pas et aucune structure n’apparait. I.2.3- L’état gazeux : illustré par la vapeur d’eau dans cet exemple. 12 Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux H O H H O H H O H O2- H+ H O H Plasma – Les liaisons formant la molécule sont cassées. O2- O2- O2- O2- O2- H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ O2- O2- O2- H+ H+ H+ H+ H+ H+ I.2.4- L’état plasma : représenté par les ions provenant des molécules de l’eau. 13 Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux 14 I.3- Plan de choix des matériaux Le choix des matériaux est une tâche fondamentale et très complexe. En effet, dans un nombre important de cas, il ne concerne pas seulement un aspect purement technique, répondant à des exigences fonctionnelles, mais aussi à des attentes relevant des préférences des utilisateurs dans le cadre d'un marché spécifique. Ainsi, le choix des matériaux doit être analysé sous l'angle de l'ingénierie de matériaux, mais aussi sur celle du design industriel, et tenir compte de toutes les informations qui lui seront associées. Le choix des matériaux est au cœur de la relation «Produit-Matériau-Procédé». Il est impératif d'effectuer le choix du couple matériau- procédé à partir des critères du cahier des charges et dans un contexte de développement durable: - Le produit demande certaines performances de la part du matériau. - Le procédé impose des contraintes de fabrication ou de construction. Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux 15 Les étapes à suivre pour le choix des matériaux se présentent comme suit, figs 2 et 3: 1- Étudier l'information autour du nouveau produit 2- Définir les caractéristiques/exigences de conception du produit 3- Faire le choix des matériaux viables 4- Évaluer les procédés possibles 5- Prioriser et tirer des conclusions Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux Figure 2- Schéma de principe du choix des matériaux 16 Figure 3- Exemple d’un mauvais choix de matériaux: incompatibilité chimique entre le granulat et le ciment Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux 17 I.4- Les trois classes de matériaux (métaux, polymères, céramiques) Des milliers de matériaux naturels et synthétiques sont disponibles, ils sont répartis en trois classes, fig.4: 1- Les métaux 2- Les polymères 3- Les céramiques Souvent, des combinaisons de matériaux appartenant aux classes citées ci-dessus sont utilisées, c’est ce qu’on appelle: Les composites. Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux Figure 4- Les différentes classes des matériaux 18 Les contenants utilisés dans la vie quotidienne, fig.4, est un exemple sur les trois classes de matériaux. Figure 4- Exemple sur les trois classes des matériaux Les avancées spectaculaires récentes dans le domaine des matériaux ont produit de nouvelles classes telles que: Les nanomatériaux, les biomatériaux……. Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux 19 Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux Quelques propriétés des trois classes des matériaux sont portées sur le tab.1. Tableau 1- Quelques propriétés des trois classes des matériaux Classe de matériaux Propriété Métaux Polymères Céramiques Densité élevée faible faible Elasticité (Module d’Young) élevée faible élevée Coefficient de dilatation thermique moyen élevée faible Dureté, résistance élevée faible à élevée (fibres) élevée Ductilité (Déformabilité) élevée faible à élevée faible et aléatoire Conductivité électrique élevée faible (isolants) faible Conductivité thermique élevée faible élevée Résistance à l’environnement (Corrosion) faible en général élevée élevée Température maximale d’utilisation élevée faible (<200°C) très élevée Mise en forme facile (déformation) très facile (moulage) difficile (frittage) 20 Un matériau composite est un assemblage d'au moins deux composants non miscibles (mais ayant une forte capacité de pénétration) dont les propriétés se complètent. Le nouveau matériau ainsi constitué, hétérogène, possède des propriétés que les composants seuls ne possèdent pas. Les pneumatiques des automobiles et avions, fig. 5, formés par une matrice en caoutchouc (polymère) et des fibres et couches en acier (métal), sont un exemple sur les composites. Figure 5- Structure d’un pneumatique Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux 21 Chapitre II Propriétés mécaniques et structure des matériaux 22 II.1- Propriétés mécaniques des matériaux II.1.1- Définitions La relation entre les propriétés d’un matériau et la direction spatiale au sein de ce dernier, mène aux définitions suivantes: a- Matériaux anisotropes Les propriétés sont fonction de la direction, ex. bois, roches sédimentaires, fibres de verre, b- Matériaux orthotropes Les propriétés sont définies selon trois axes, ex. laminés, c- Matériaux isotropes Les propriétés sont les mêmes dans toutes les directions, ex. acier, béton, Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux 23 Un matériau possède un ensemble de propriétés qui déterminent son comportement. Selon le type de sollicitations extérieures, on distingue trois catégories de propriétés: a- Les propriétés mécaniques qui reflètent le comportement des matériaux déformés par un ensemble de forces. b- Les propriétés physiques qui mesurent le comportement des matériaux soumis à l’action de la température, des champs électriques ou magnétiques ou de la lumière. c- Les propriétés chimiques qui caractérisent le comportement des matériaux dans un environnement réactif. Les trois catégories de propriétés utilisées pour le choix des matériaux pour les applications, sont présentées sur le tab. 2. Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux 24 Spécialité: Analyse Physico-Chimique des Matériaux Tableau 2- Les trois catégories de propriétés des matériaux Propriétés mécaniques Propriétés physiques Propriétés chimiques - Elasticité - Rigidité - Dureté - Ductilité ……. - Structure cristallographique - Conductivité électrique - Permittivité électrique - Conductivité thermique - Perméabilité magnétique - Absorption optique ……. - Oxydation - Enthalpie - Electronégativité - Energie de liaison ……. uploads/Ingenierie_Lourd/ ingenierie-des-materiaux-cours.pdf