Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Chapitre 2 Cohésion et rigidité des matériaux Plan Rigidité des matériaux (stre

Chapitre 2 Cohésion et rigidité des matériaux Plan Rigidité des matériaux (strength of materials) Energie élastique L’élasticité et les atomes Les liaisons Les liaisons fortes… Les liaisons faibles… Forces de cohésion interne Modèle des ressorts Modèle électrostatique: élasticité, Dilatation thermique Conductibilité électrique 1 Question Un matériau fragile est il résistant ou non? 2 • Liaisons ↔propriétés 3 Rigidité des matériaux (strength of materials) • La mesure de la rigidité du matériau est en fait la constante de proportionnalité E. • Pour une valeur donnée de la contrainte, un matériau est d'autant plus rigide que sa déformation élastique est faible. • En cas de cisaillement la rigidité G. • La rigidité est fonction de l'intensité des liaisons qui existent entre les atomes. 4 t = Gg DP = K (DV/Vo) s= Ee 5 G = E/2(1+u) 6 V = (E/r)1/2 – On peut aussi mesurer la vitesse du son dans le matériau qui nous intéresse, et en déduire le module de Young sachant qu'on a la relation • On mesure V en excitant une extrémité d’une tige du matériau (en y collant un cristal piézoélectrique) et en appliquant une ddp aux surfaces du cristal), puis en mesurant le temps mis par le son pour atteindre l’autre extrémité (où il est détecté par un second cristal piézoélectrique) 7 8 ) GPa Quelques valeurs du module d ’Young E ( L’énergie élastique de déformation stockée dans un solide élastique par unité de volume est l’aire sous la courbe du diagramme de traction Energie élastique Donc il suffit d’intégrer la fonction s=f(e) sur de. E s e e s  2 1 él U Uel = (elastique) s . d e 9 La matière est composée d’atomes. Dans un solide, les atomes sont liés entre eux. Le type de liaison déterminera en grande partie le comportement macroscopique du matériau solide. 10 Liaisons • Fortes (primaires) • Métallique • Ionique • covalente • Faibles (secondaires) • Van der Waals • Hydrogène 11 Les liaisons Les liaisons fortes ionique covalente métallique partage... perte ou gain... abandon... ... des électrons de valence 12 * Liaison covalente - partage d’électrons de valence entre 2 atomes - liaison directionnelle et très stable - la couche extérieure des éléments doit être au moins à moitié pleine - la liaison est d’autant plus forte que les atomes périphériques sont près du noyau - ex. : le diamant Si, Ge, C, 13 14 Tableau de Mendeleiev * Liaison ionique - perte ou gain d’électrons de valence - attraction entre les ions de signes différents - liaison non-directionnelle - très stable (couches remplies) - liaison d ’autant plus forte que les atomes périphériques sont près du noyau et que D électronégativité est - liaison entre les éléments qui ont beaucoup et peu d’électrons de valence - ex.1: NaCl Na+ + Cl- le sodium cède son é- au chlore - ex.2 : les oxydes métalliques (MgO, Al2O3, Fe2O3, etc.) 15 Les céramiques (liaisons ioniques, solides inorganiques) • Ce sont les matériaux les plus anciens et les plus couramment utilisés en génie civil (pierre, brique, verre, …). On peut (ex. béton) généralement les mettre en œuvre à l’état pâteux. Ils ne deviennent fragiles qu’après la prise. • Ces matériaux sont résistants à l’abrasion, mais pas aux chocs, moins denses que les métaux, isolants thermique et électrique, généralement poreux et fragiles 16 Caractère ionique dans une liaison • Le pourcentage approximatif de caractère ionique dans une liaison entre A et B (A étant le plus électronégatif) est donné par : %caractère ionique = [1-exp(-0.25(XA-XB)2)] x 100 17 *Liaison métallique - abandon, délocalisation des électrons de valence - formation d’une structure d’ions + noyés dans un gaz d’électrons - concerne des éléments possédant peu d’é- de valence ou très éloignés du noyau - les é- mobiles expliquent les conductibilités thermique et électrique des métaux - ex. : Ni, Fe, Cu, Al, etc. 18 Les métaux (liaisons métalliques) • Ce sont les matériaux les plus employés pour les applications structurales et pour l’essentiel des métaux ferreux. Ils sont capables de se déformer de manière permanente (ductiles) ce qui permet de réaliser des opérations de mise en forme par déformation plastique (emboutissage, forge, estampage, …) ou d’assemblage par déformation plastique (ex : rivetage) et leur donne • une excellente résistance à la rupture en service. • • Denses, et bons conducteurs thermiques et électriques 19 * Remarque H H H Cl Na Cl liaison covalente pure liaison mixte liaison ionique 20 Les liaisons faibles * Modification minime de la position des électrons * Les liaisons faibles sont crées par les interactions électrostatiques entre les dipôles électriques. * Dipôle électrique - dans une molécule, le centre des charges + n’est pas confondu avec celui des charges - - (1) création d’un dipôle induit (a, b et c) - (2) dipôle permanent (d) 21 * Liaison de Van der Waals - liaison entre 2 molécules polarisées - ex.: les polymères, le graphite * Pont hydrogène - cas particulier, lorsque l’hydrogène est impliqué - ex.: formation de glace 22 23 Les polymères (liaisons covalentes + liaisons faibles, solides organiques) • Ces matériaux sont récents si on se réfère aux matériaux de synthèse mais il existe également un grand nombre de polymères • naturels (fibres végétales par exemple). • En général mauvais conducteurs thermique et électrique et très peu denses 24 Question • Expliquez pourquoi les matériaux liés par covalence sont généralement moins denses que ceux possédant des liaisons ioniques ou métalliques Densité r [kg/m3] 8000 Métaux 4000 Céramiques 1000 Polymères 25 Deux modèles • Pour être en mesure d’interpréter le comportement élastique d’un matériau, il faut élaborer, à l’échelle atomique, des modèles qui permettent de déduire le comportement macroscopique. • Modèle des ressorts • Modèle électrostatique 26 27 Forces et énergie de cohésion interne * Modèle des ressorts Contraction latérale en traction coefficient de Poisson ou E/10 28 29 * Modèle électrostatique Forces et énergie de cohésion interne (n=8 à 12) et m dépend du type de liaison (de 1 à 8 selon le type de liaison) 30 * Modèle électrostatique Uo énergie de cohésion atomique ao distance inter-atomique au zéro absolu r rayon de courbure Ua potentiel électrostatique d’attraction Ur potentiel électrostatique de répulsion 31 Energie de liaison ou de cohésion U0 32 Energie qu’il faut fournir aux atomes pour que le matériau passe de l’état solide à l’état gazeux • pic pointu, profondeur Uo élevée, pente raide - liaisons covalentes, ioniques, métalliques • pic évasé, profondeur Uo faible, courbe évasée - force de Van der Waals * Modèle électrostatique 33 T e , a ), Dorlot thermique ( Dilatation e = a DT e = eT + em 34 Explication de la résistance à la traction théorique, de la rigidité, de la dilatation thermique et de la température de fusion / sublimation 35 36 37 K↗U↗E↗Tf↗a↘ * Conséquences des différentes liaisons 38 uploads/Ingenierie_Lourd/ liaisons-atomiques.pdf