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1 Introduction à la science des matériaux 1ère partie : l’aspect industriel J.

1 Introduction à la science des matériaux 1ère partie : l’aspect industriel J. Ruste EDF - Recherche et Développement Département Matériaux et Mécanique des Composants Les Renardières Moret sur Loing Tél : 01 60 73 63 68 fax : 01 60 73 8 89 e-mail : jacky.ruste@edf.fr Université de Marne la Vallée Licence/maîtrise – Option Matériaux 2 Plan Introduction et rappels… - liaison chimique et structure électronique - comportement mécanique et rupture I -Les différentes classes de matériaux - les matériaux métalliques - les matériaux semi-conducteurs - les céramiques - les polymères - les matériaux composites II - Critères de choix d ’un matériaux et caractérisation III - Quelques exemples de matériaux récents « high-tech » - boîtes de bière et aube de turbine… - un alliage étonnant : l’INVAR - la métallurgie des poudres - les supraconducteurs - les nanomatériaux - les polymères conducteurs - les vitres « intelligentes » IV - les matériaux du nucléaire - les réacteurs à eau sous pression (REP) - le cuve et ses composants (internes, gaine) - le circuit primaire - le générateur de vapeur° 3 La science des matériaux ? - nouvelle discipline dans l ’enseignement… - la plus ancienne science de l ’humanité... -2.400.000 : silex -5.000 : poterie -3000 : bronze -1500 : fer…. En pleine évolution... - nouveaux alliages - céramiques haute technologie - matériaux composites - nouveaux textiles - nouveaux bétons... Bibliographie : M.F. Ashby, D.R.H. Jones - Matériaux tome 1 - propriétés et applications tome 2 - microstructure et mise en œuvre Dunod - 1991 Verre : - carton (lait, jus de fruits..) - plastique (PVC) (huile, eau..) - métal (bière, soda..) Verre électrochrome Évolution dans les performances et dans les utilisations 4 L’Industrie des matériaux en France 48.000 entreprises 2 millions d’emplois 300 G€ Métallurgie 14.170 sociétés 530.000 emplois 82 G€ Minéraux 2.684 entreprises 124.000 emplois 21 G€ Plasturgie 3.079 216.000 emplois 31 G€ Peinture 265 entreprises 18.000 emplois 4 G€ Recherche : CNRS : 1.800 chercheurs, 3.000 enseignants-chercheurs CEA : 1.200 chercheurs 400 DAM, 300 E. Nucléaire, 200 Rech. technologie, 300 Rech. fondamentale Universités, Grandes Écoles, Industrie… 5 Perception de la science des matériaux… souvent celle du XIXème siècle… science clef du XXIème siècle ! environ la moitié des matériaux utilisés aujourd’hui n’existait pas il y a 20 ans 6 Industries - automobile - aéronautique - spatiale… Energie - nucléaire - solaire - hydraulique - biomasse - hydrogène… Micro-informatique Télécommunications Environnement toxicité pollution influence climatique recyclage économie d’énergie Connaissance maîtrise, gestion… des MATERIAUX fiabilité, coût, nouvelles technologies nouveaux composants disques durs, tête de lecture, microprocesseur fibre optique… production coût stockage durée de vie nouvelles technologies 7 Exemple : L’ énergie 1 – Les besoins Accroissement des besoins en énergie 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 2000 2010 2020 2030 2040 2050 année taux d'augmentation 2% 3% taux de croissance prévisible de la consommation française : 2 à 3% par an soit d’ici 2050, 2,5 à 4 fois plus ! 2 – respect de l’environnement d’ici 2050, réduction en France par 4 des émissions de gaz à effet de serre ! Augmentation importante des besoins des pays en voie de développement (Chine, Inde, Amérique du Sud, Afrique…) doublement d’ici 2020 de la production mondiale d’électricité ! production électrique française (TWh) 0 100 200 300 400 500 600 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 TWh total thermique hydraulique nucléaire 1995-2002 : 2%/an 1990-2002 : 3%/an 8 Les solutions : - combustibles fossiles (charbon, gaz naturel) avec séquestration du CO2 - énergie nucléaire 3ème et 4ème génération : - EPR (2010-2070) 1600 MW, technologie classique (REP) - VHTR (2040-2100) nouvelle technologie haute température (800-1100° C) avec production d’hy drogène (projet VHTR 2015) -haut rendement énergétique total (75%), -coût faible, -peu de déchets, -meilleure gestion des ressources naturelles… - énergie thermonucléaire : ITER (2005 – 500MW) 2050 : réacteur industriel - ER (énergie renouvelable) : éolienne, solaire, biomasse, géothermie… - nécessité de diminution des coûts, - problème du stockage de l’énergie… nouveaux vecteurs énergétiques : PAC (pile à combustible) hydrogène (production, stockage…) •amélioration des connaissances •développement de nouveaux matériaux… très gros investissement en science des matériaux 9 Un exemple de matériau courant mais très « high-tech » : Le pneumatique… l’exemple de Michelin… 1937 : renforts métalliques (Michelin « Metalic ») 1946 : pneumatique à carcasse radiale (Michelin X) 1889 : Fondation de la Société Michelin (balles, joints, jouets… en caoutchouc) 1891 : invention du pneu de vélo démontable (et réparable donc) 1895 : le pneumatique pour voiture 1929 : l’autorail à pneu (les « Michelines ») puis la moto (1987 pneu radial), les poids lourds , l’avion : 1981 : Mirage III, 1995 : Boeing777, Airbus A340/360/380, navette spatiale… dernières innovations : 1993 : nouveau procédé de fabrication L3M n’utilisant que l’électricité 1995 : Michelin « Energy » (faible consommation) 1998 : Michelin PAX System (pneu increvable) 2004 : équipera le métro monorail de Las Vegas 10 Les constituants des pneumatiques - élastomères naturels (latex) - élastomères synthétiques - renforts - fibres textiles (nylon, rayonne, aramide) - fibres métalliques - charges renforçantes 200 matériaux différents, 30 matériaux semi-finis noir de carbone, silice 40% 18% 28% 11 pneu conventionnel (carcasse diagonale): 20 nappes différentes : -18 nappes carcasse en nylon entrecroisées qui s’enroulent autour de 6 tringles en acier - 2 nappes de protection sur le sommet La structure d’un pneumatique moderne La carcasse radiale carcasse radiale (1946) : 16 nappes : • 7 nappes carcasse à câbles nylon • 2 tringles en acier • 9 nappes de protection sur le sommet (dont une métallique) Dans un pneumatique moderne (le XZA par exemple) il y a 4500 m de câble métallique : 12 Étapes de fabrication d’un pneumatique 1 - Conception cahier de charges solutions à définir recherches en amont anticipation •architecture •matériaux Simulation fabrication du prototype évaluation du prototype homologation technique par le constructeur automobile Mise à disposition fabrication en série 13 2 – fabrication industrielle du pneumatique tréfilage : 5,5mm / 1400MPA 0,31mm / 3000MPa 0,15mm / 4500MPa - nappes métalliques revêtement anti-corrosion (laiton ou zinc) câblage (association de plusieurs centaines de fils) nappes métalliques - mélanges polymères naturels, synthétiques, charges… sandwich de nappes métalliques et de mélanges pose des flancs pose des nappes de sommet et de roulement cuisson du pneumatique mise en forme 14 Pneus et environnement, recyclage 1 – diminution des matières premières et de la consommation d’énergie MXL (1980): 9,6 kg pneu « Energy » (1995) 7,5 kg taux de recyclage (Europe): 76% (Japon : 89%) 2 – fin de vie Pneu usagé rechapage poids lourds 2 à 3 fois 106 km mise en décharge prochainement interdite… valorisation énergétique valorisation matériaux excellent combustible 30 à 34 MJ/kg 1 T pneu=0,7 tep cimenteries • entier (remblais, murs anti-bruit…) • découpé (tapis voie ferrée…) • déchiqueté (sous couche drainant) • granulat (objet moulé, poudre renfort…) 15 PORTER pression TRANSMETTRE moteur, freins : adhérence DURER sans perte de performance AMORTIR bruit, confort GUIDER comportement routier ROULER résistance au roulement LES FONCTIONS DU PNEUMATIQUE Les fonctions du pneumatique 16 bilan énergétique : (base 100) Production de matières premières : 100 Fabrication des 4 pneus : 20 Utilisation des 4 pneus : 1366 Valorisation (gain énergétique) : -80 gains possibles GUIDER : adhérence à la route ROULER : résistance au roulement, déformation, consommation GUIDER ≠ ≠ ≠ ≠ROULER il faut choisir ! bonne adhérence forte résistance faible adhérence faible résistance 17 le remplacement des charges en noir de carbone par des charges en silice a permis de concilier une diminution de la résistance au roulement et une bonne adhérence faible résistance forte adhérence 18 Pont en béton fibré (Séoul) Un autre exemple de matériau « banal » mais à forte évolution : le béton ! 19 Viaduc de Millau 2460 m de long 343 m de haut janvier 2005 béton fibré 20 Pont de Normandie 1995 longueur totale : 2141 m longueur de travée : 856 m hauteur des pylônes : 215m pont à haubans 21 ajout de plastifiant pour réduire la quantité d’eau et donc réduire la fragilité du béton nouveaux bétons : - autoplaçants (à forte fluidité) - à hautes performances (HP, THP) - autonettoyant (par ajout de TiO2) - à revêtement métallique par projection… Optimiser l’empilement des grains pour le rendre plus compact en jouant sur la granulométrie des constituants (ciments, granulats, sables) introduction de poudres sub microscopiques (fumées de silice) Renforcement avec des fibres (de 3 à 11%) - augmentation de sa résistance mécanique -grande ductilité (peut se déformer sans se rompre) 22 Science des matériaux chimie corrosion thermodynamique Techniques d ’analyse Microscopie électronique microanalyse SIMS analyse uploads/Ingenierie_Lourd/ materiaux-i.pdf