Remerciez-le!

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

LES MATERIAUX INORGANIQUES : Métaux, Céramiques Composites, Multi-matériaux Des

LES MATERIAUX INORGANIQUES : Métaux, Céramiques Composites, Multi-matériaux Des domaines scientifiques et des secteurs industriels en perpétuelle évolution Myriam SACERDOTE - PERONNET Bâtiment Berthollet (3ème étage) Myriam.Peronnet@univ-lyon1.fr Université Claude Bernard – Lyon I UFR de Chimie-biochimie Vous trouverez dans cette présentation des informations complémentaires à ce qui vous a été projeté en Amphi N’hésitez pas à me contacter si vous souhaitez des précisions sur certains points Vous pouvez venir voir des exemples de réalisation de pièces Matériaux organiques d’origine naturelle ou synthétique. Matériaux minéraux ou inorganiques : verres, ciments, céramiques, métaux. Matériaux composites et multi-matériaux. Exposé de Philippe Chaumont Exposé d’Alain Domard Exposé de Myriam Sacerdote-Peronnet Conférences complémentaires proposées en L1 sur les matériaux UN RAPIDE SURVOL DE NOTRE HISTOIRE … Matériaux et Evolution de l’Humanité Un peu d’Histoire… Les différents Ages marquant l’évolution de l’humanité portent le nom des matériaux utilisés Ils témoignent à la fois des besoins et des savoir-faire Age de la Pierre → - 8000 av JC Age de la Pierre polie → - 5000 av JC Age du cuivre Age du bronze (Cu – Sn) Pierre taillée Travail du Silex, du Quartz Argile cuite → Céramiques Cuivre, Plomb, Etain Premiers métaux extraits de leur minerais Fusion du métal : début de la Métallurgie Remplacement du bois et de la pierre Epées, casques Statues, bijoux Age des métaux → -5000 à 1900 Paléolithique Néolithique : sédentarisation de l’homme → évolution plus rapide qu’au Paléolithique Age du fer ( -2000) Age des métaux → -5000 à 1900 Métallurgie du fer = Sidérurgie Au XIII ème sièle : 7 métaux connus Or, Argent, Cuivre, Fer Mercure, Etain, Plomb Au XXème siècle : Rapide avancée des technologies Matériaux et Procédés nouveaux Développement des composites et des multi-matériaux Aujourd’hui, nous ne sommes plus à l’âge d’un seul matériau, mais à l’âge d’un éventail immense de matériau Gamme très étendue de matériaux et de procédés Evolutions très rapides Age des matériaux Avancés COMMENT DEFINIR UN MATERIAU ? COMMENT DEFINIR UN MATERIAU ?  Un matériau répond à un besoin  Un matériau est le résultat des transformations de la matière qu’effectuent l’homme pour satisfaire différents besoins  Un matériau peut aussi résulter d’une idée innovante  Un matériau est de la matière fonctionnalisée Matériau = Matière + Fonction Propriétés intrinsèques Forme de la pièce Procédés Composant  Un objet industriel (matériel) résulte de l’assemblage de plusieurs composants Alliages d’Aluminium Pistons Culasse… Carbone Matières Matériaux Objet industriel Véhicule de compétition (Formule 1) Disques de freins Besoin ou Idée innovante Nouveau matériau Nouveau produit Nouveau produit Nouveau matériau Améliorations sur un produit existant Peut nécessiter de changer de matériau Innovation Le matériau perdure s’il présente un cycle de vie favorable Emergence et Développement d’un matériau 1 – Axe technique (non économique) 2 – Axe économique 3 – Axe marché 4 – Axe de développement « soutenable » D’après Conférence J.C. Prévost et Y. Bertaud Agence Rhône-Alpes pour la Maîtrise des Matériaux Épée  Bouclier Télévision  Magnétoscope Développement d’un matériau remplissant la même fonction, moins chère Demande du marché en adéquation avec les conditions économiques de production Matériau en adéquation avec les préoccupations sociétales Réglementation (environnement) Cycle de vie favorable MATIERES INORGANIQUES METAUX ET CERAMIQUES CONSTITUTION ET PROPRIETES CONSTITUTION DES METAUX ET CERAMIQUES Brique élémentaire : atomes – éléments chimiques Motif élémentaire Maille élémentaire Macromolécules Répétition d’un même motif Matières plastiques Etat amorphe Liaisons interatomiques fortes Polycristaux Liaisons fortes Liaisons faibles ou en partie amorphe et en partie cristallisé Liaison chimique Liaisons fortes Liaisons fortes Matières inorganiques Etat cristallisé Métaux – Céramiques ≠ verres PROPRIETES DES METAUX ET CERAMIQUES  Liaison chimie particulière : liaison métallique Les électrons des couches périphériques abandonnent leur atome respectif Atomes ionisés Nuage d’électrons qui circulent librement dans le solide Propriétés spécifiques des métaux Bonne conductivité thermique Bonne conductivité électrique 1 – Les métaux  Température de fusion élevées Aluminium (Al) = 660 °C Magnésium (Mg) = 650 °C Fer (Fe) = 1538 °C Titane (Ti) = 1668 °C  Densité élevée : Fe = 7,8 sauf certains métaux : Al, Mg, Ti Ti = 4,5 Al = 2,7 Mg = 1,7 compactes : CFC : Cubique à Faces Centrées HC : Hexagonal Compact  Structures cristallines : Aluminium - CFC  Températures de vaporisation élevées  Liaisons fortes et directionnelles (ionique – covalente) Les électrons ainsi liés ont du mal à se déplacer Isolants électriques  Ce type de liaison met en jeu des énergies considérables, ce qui se traduit par : PROPRIETES DES METAUX ET CERAMIQUES 2 – Les céramiques une très bonne tenue en température des températures de fusion très élevées des températures de vaporisation très élevées PROPRIETES MECANIQUES DES METAUX ET CERAMIQUES 1 - Elasticité et Plasticité  Modes de déformation Elasticité : allongement élastique Modifications des distances entre atomes Augmentation uniforme et progressive de la distance entre les atomes Déformation réversible Métaux  Elasticité élevée Céramiques  Elasticité très élevée Plasticité : Si la force appliquée s’annule, la déformation subsiste Déformation irréversible Métaux  Bonne plasticité Céramiques  Mauvaise plasticité Ductilité : 2 – Ductilité, Tenacité, Fragilité  Caractéristiques Tenacité (associé à fragilité) : Résistance aux déformations et à la rupture en présence d’une fissure bonne capacité à se déformer dans le mode de déformation plastique Métaux  bonne ductilité Céramiques  mauvaise ductilité Métaux  très bonne tenacité Céramiques  très mauvaise tenacité (fragiles) 3 – Fluage et Fatigue  Modes de sollicitations en service Fluage : Fatigue : matériau sollicité mécaniquement et à chaud sollicitation cyclique COMPARAISON DES PROPRIETES DES METAUX ET CERAMIQUES Propriété Métaux Céramiques Elasticité Elevée Très élevée Plasticité Oui Non (peu) Ductilité Oui Non (peu) Tenacité Très tenace Très fragile Température utilisation Moyennes  Hautes Hautes  Très hautes Densité Moyenne  elevée Moyenne Prix Faible  Elevé Elevé  Faible (céramiques techniques) CLASSIFICATION DES METAUX ET CERAMIQUES Cette classification est valable pour tous les matériaux organiques ou inorganiques CLASSIFICATION  Par secteur d’utilisation Emballages alimentaires (canettes), Ustensiles de cuisine (casseroles) Transports : Automobile, Ferroviaire, Aéronautique, Secteurs de l’Aérospatiale Sports et loisirs (vélos, skis) Biomédical Art, Orfévrerie…  Par fonctions Pièce conductrice d’électricité Pièce résistante aux très hautes températures  Par degré de nouveauté Les céramiques techniques Les alliages Haute Pureté (métaux) Les composites céramique/métal Les multimatériaux métal/métal ou métal/céramique Les matériaux supra-conducteurs Les nano-matériaux  Par leur propriété prédominante Matériau lubrifiant colle…  Par ségrégation chimique Métaux et céramiques (développés dans cet exposé), verres… SECTEURS D’UTILISATION 1 – Emballages alimentaires 2 – Ustensiles de cuisine Canettes de boisson Matériaux : Acier, Alliage d’Aluminium Procédés : Emboutissage, Vernissage 1 machine = 10 canettes / seconde 1 million / jour Casseroles Matériaux : Inox, Alliage d’Aluminium Procédés : Emboutissage Assemblage (brasage) Multi-matériau métal / métal Base Fe / Base Al Casserole en métal ferreux Fond diffuseur en aluminium 3 – Secteurs des transports Automobile  1896 : Première voiture construite par Henry Ford  1903 : Première voiture vendue par Henry Ford  1925 : Premières voitures, construites par André Citroen, en grande série (modèles B10 et B12), dotées d'une carrosserie tout acier. Meilleure protection des passagers Volume habitable plus spacieux Carrosserie réparable par simple redressement. Carroserie : Squelette en bois + Tôles rivetées.  1893 : Premier moteur construit par Henry Ford 3 – Secteurs des transports L’Automobile aujourd’hui Métaux ferreux Alliages d’aluminium Alliages de magnésium Priorité : Allégement  Diminuer la consommation  Diminuer l’émission des gaz polluants Alliages métalliques Base Fer (Fontes, Aciers) Base Al (Al-Si, Al-Cu) Céramiques Composites Multi-matériaux ex : pistons (Fe / Al) Pistons Culasse Freins Jantes Bloc-cylindres  Au niveau du moteur Au niveau des suspensions Au niveau de l’Habitacle Pièces non sollicitées mécaniquement et thermiquement  Au niveau de la carrosserie 3 – Secteurs des transports Aéronautique civile Fuselage Réacteur Sollicitations thermiques et mécaniques très importantes 3 – Secteurs des transports Aéronautique militaire 4 – Secteurs de l’Aérospatiale Lanceurs spatiaux Satellites Missiles Matériaux de très hautes Performance Conditions extrêmes Composites thermostructuraux SiC / SiC - C / C 5 – Sports et Loisirs Cadres : Acier Aluminium Carbone Titane Bois toujours utilisé :  combler le vide  maintenir le poids du ski sur la neige donne au ski toute sa force et sa rigidité. Vélos Skis Raquettes « boîte de torsion » en métal monocoque stratifiés Autres matériaux étudiés : Titane, Carbone, Fibres de bore Fer, Aluminium (ou fibre de verre) 6 – Secteurs du biomédical 1 : Os Iliaque 2 : Cotyle 3 : Tête 4 : Col 5 : Fémur Prothèses de hanches Prothèses du genou Implants dentaires Tête Cotyle Polyéthylène Titane Multi-matériaux 1.Fémur 2.Tibia 3.Rotule 4.Ménisque 5.Capsule articulaire 6.Ligament latéral 7.Ligament croisé antérieur 8.Ligament croisé postérieur. Titane + Oxyde de titane Cobalt-Chrome Titane recouvert d’alumine (Al2O3) Zircone Bio-compatibilité Bonne tenue à l’usure, au frottement 7 – Art, Orfévrerie Moulage DE LA MATIERE AU MATERIAU PROCEDES DE TRANSFORMATIONS DE LA MATIERE AU MATERIAU Matière Matériau Procédés de transformations 1 – Procédés de mise en forme 2 – Procédés de mise en oeuvre Deux grandes classes de procédés 1 uploads/Ingenierie_Lourd/ materiaux-inorganiques 1 .pdf