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Science des Matériaux
Campus centre
Mr Jean Yves Dauphin
Mme Mouna Souissi
1
Science des Matériaux
J.Y.Dauphin_M.Souissi
30/01/2014
Plan du cours
30/01/2014
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1- Préambule – Notions générales
2- Liaisons atomiques – Cohésion et propriétés des solides
3- Propriétés mécaniques
4- Equilibres de phases et Thermodynamique des solides
5- Les solides cristallisés et les défauts cristallins
6- Les transformations à l’état solide
7- Cinétique des transformations.
8- Notions de base sur les traitements thermiques.
2
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Histoire de la métallurgie
•L'échelle des temps
synthétise les principales
avancées en métallurgie.
•Les matériaux sont en
général le facteur limitant des
machines définissent le
niveau de développement de
l’humanité.
•âge de pierre, puis de bronze, puis de fer
•maîtrise de l’acier: trains, automobile, …
•maîtrise des semi-conducteurs: informatique
•moitié de la recherche du programme Apollo :
matériaux nouveaux
Campus centre
30/01/2014 3
Science des Matériaux
J.Y.Dauphin_M.Souissi
Généralités
• Matériau = est un solide utilisé par l’homme pour la
fabrication d’objets
• La science des matériaux est l’étude des relations qui
existent entre la structure et les propriétés générales de
ces matériaux
• La structure d’un matériau correspond à la façon dont
s’agencent ses éléments constitutifs
Échelle
subatomique Échelle
atomique Échelle
microscopique
Échelle
macroscopique30/01/2014
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4
Science des Matériaux
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Chapitre 1:
Préambule – Notions générales
30/01/2014 5
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1- Préambule – Notions générales
• L’utilisation d’un matériau dépend :
• de ses propriétés
• de ses ressources
• de son coût
• des méthodes de synthèse
• de sa compatibilité avec l’environnement
• de la possibilité de mise en forme
• de son aspect esthétique
30/01/2014
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6
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Choix d’un matériaux
• Le choix d'un matériau dépend de
l'application. Il faut définir précisément le
besoin. Cela fait appel à la notion de fonction :
• cahier des charges fonctionnel (CDCF).
• Méthode APTE : diagramme pieuvre, validation du besoin
30/01/2014
Campus centre
7
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30/01/2014
Pourquoi le besoin existe-t-il ?
Qu'est-ce qui peut le faire évoluer ?
Qu'est-ce qui peut le faire disparaître ?
8
Science des Matériaux
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Choix d’un matériaux
30/01/2014
Campus centre
• Méthode APTE : diagramme pieuvre
Diagramme des interactions
pour un produit ayant
deux fonctions de service
principales, FP1 et FP2,
six fonctions contraintes ou
complémentaires, FC1 à 6
9
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30/01/2014
1. La cohésion des solides dépend avant tout du type des liaisons atomiques.
2. Les matériaux se répartissent en céramiques, métaux ou polymères.
3. 84% des éléments purs ont un comportement métallique.
4. Il existe de nombreuses phases à l’état solide, souvent métastables.
5. Beaucoup de matériaux sont polyphasés.
6. 80% des matériaux sont cristallisés, les autres sont amorphes.
7. Les matériaux cristallisés sont presque toujours polycristallins.
8. Le diamètre d’un atome quelconque est voisin de 0.25 nm.
9. On ne voit pas les atomes au microscope mais la microstructure.
10. Celle-ci caractérise la nature, la taille et la disposition interne des phases qui
constituent un matériau, ainsi que les défauts qu’il contient.
Quelques principes généraux de la SdM
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10
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Quelques chiffres
• Répartition mondiale de la consommation des
principaux matériaux en millions de tonnes/an:
• Béton environ 5000 Mt/an
• Aciers 1300 Mt/an
• Polymères 150 Mt/an
• Aluminium 22 Mt/an
• Cuivre 12 Mt/an
30/01/2014
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11
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Recyclage
30/01/2014
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12
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Recyclage
• Intérêt :
– Préserver les ressources naturelles et éviter les dommages dus à
l’extraction
– Economiser l’énergie
– Eviter et la destruction
• Recyclage actuel:
• Acier
• Cuivre
• Aluminium
• Papier
• Verre
• Certains polymères
30/01/2014
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13
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Chapitre 2:
Les liaisons atomiques -
Cohésion et propriétés des
solides
30/01/2014
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14
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Remplissage des couches électroniques quand Z augmente
L’énergie de liaison des électrons dépend de quatre nombres quantiques:
• n, nombre quantique principal valeur : entiers 1,2,3
niveau ou couche (K, L, M, N, )
taille de l’orbitale
• l, nombre quantique angulaire valeur : de 0 à n-1
sous-niveaux s, p, d, f,...
forme de l’orbitale
• m, nombre quantique magnétique valeur : de –l à +l
orientation des orbitales
• s, nombre de spin valeur : ½ ou - ½
sens de circulation
2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes.
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30/01/2014 15
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Remplissage des couches électroniques quand Z augmente
La règle de Pauli :
Deux électrons de même énergie partagent la même orbitale s’ils sont de spin
opposé.
La règle de Hundt :
Les électrons de même spin occupent des orbitales distinctes de même
énergie.
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2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes.
30/01/2014 16
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2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes.
Comparaison des niveaux d’énergie quand Z augmente.
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2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes.
Remplissage des couches électroniques des 30 premiers éléments.
K L M N
s
(2 él.)
s
(2 él.)
p
(6 él.)
s
(2 él.)
p
(6 él.)
d
(10 él.)
s
(2 él.)
1s2
H, He
1s2 2s2
Li, Be
1s2 2s2 2p6
B, C, N, O, F, Ne
1s2 2s2 2p6 3s2
Na, Mg
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
Al, Si, P, S, Cl, Ar
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 remplissage anormal 4s2
K, Ca
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10
Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn
4s2
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Conséquences :
• Les éléments de la série de transition ont des électrons périphériques peu liés.
• Rayons atomiques faibles. Grande conduction thermique et électrique.
• Oxydation facile (la corrosion aussi).
• Pas d’interaction avec les photons (réflecteurs de la lumière).
• Formation d’une liaison de type particulier (métallique) à l’état solide.
• Tendance à la compacité maximale.
• Cristallisation intense, dans des systèmes simples.
• Les métaux sont très nombreux (84% des éléments).
2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes.
30/01/2014 19Science des Matériaux
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2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes.
Le tableau périodique des éléments.
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Science des matériaux
2-2/ Les liaisons chimiques.
1-/ La liaison covalente.
Exemple du chlore:
Liaison covalente homopolaire
Exemple du méthane
Hybridation sp3 des orbitales du carbone.
Formation de 4 liaisons symétriques
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Science des matériaux
Exemple du carbone diamant
Liaison covalente homopolaire.
Macromolécule par hybridation sp3.
4 liaisons équivalentes très fortes.
Exemple du carbone graphite
Hybridation sp2.
3 liaisons fortes à 120°.
1 liaison faible p.
2-2/ Les liaisons chimiques.
1-/ La liaison covalente.
30/01/2014 22
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Science des matériaux
Exemple de NaCl :
Structure du Néon Structure de l’Argon
2-2/ Les liaisons chimiques.
2-/ La liaison ionique.
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Science des matériaux
2-2/ Les liaisons chimiques.
3-/ La liaison métallique.
Exemple du magnésium :
Rassemblement très dense d’ions Mg2+.
Formation d’une orbitale unique:
Mise en commun des électrons périphériques.
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Exemple de l’eau : Exemple d’un polyamide linéaire
(Nylon 6-6)
2-2/ Les liaisons chimiques.
4-/ Les liaisons faibles ou secondaires (attraction dipolaire).
30/01/2014 25
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2-2/ Les liaisons chimiques.
Comparaison des propriétés selon la nature des liaisons.
Propriétés :
Tf = température de fusion e = élevé
E = module d’élasticité en tension m = moyen
a = coefficient de dilatation linéaire f = faible
r = résistivité électrique 0 = # nulle
D = ductilité
Liaison Exemple Propriétés
Tf E a r D
Covalente C électrons partagés e e f m/e 0/f
Ionique NaCl électrons attirés m/e e f e 0
Métallique Cu électrons délocalisés m/e m m f e
Liaisons faibles H2O attraction dipolaire f f e e m
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2-2/ Les liaisons chimiques.
Le caractère mixte des liaisons dans les solides réels.
CovalenteC,Si,AsGa..
Faible
H2O, N2, CH4
Ionique
MgO, NaCl...
MétalliqueCu,Pb..
Diamant
Graphite
SiO2
Mg2Si
W
Sn
Fe
30/01/2014 27
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2-3/ Energie de cohésion - Force de liaison.
Courbes de Lennard-Jones :
Variation de l’énergie potentielle d’une liaison avec la distance entre atomes.
U a
attraction électrostatique
U r
répulsion des orbitales
Energie résultante
longueur d'équilibre
de la liaison
U
U
l
distance d
Energie d’attraction noyau/électrons
Ua = -A / dm (A>0)
m de 1 à 5 selon la liaison
Energie de répulsion des orbitales
Ur = B / dn (B>0)
n de 6 à 11 selon la liaison
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d0
U
distance d
force de liaison
F
Force
théorique
de cohésion
distance d0
rigidité de la liaison
répulsion
attraction
2-3/ Energie de cohésion - Force de liaison.
Variation de la force théorique de liaison
avec la distance entre atomes.
30/01/2014 29
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2-3/ Energie de cohésion - Force de liaison.
Application des courbes de Lennard-Jones : la dilatation des solides
évolution de la distance moyenne
entre les atomes quand Uth augmente
U
Uth
distance d
Ul
longueur moyenne de liaison
pour l'énergie de vibration Uth
30/01/2014 30
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2-3/ Energie de cohésion - Force de liaison.
Comparaison des courbes de Lennard-Jones selon le type des liaisons
U
distance d
Liaison iono-covalente
Liaison secondaire
Liaison métallique
U 3
U 2
U 1
d2 d3d1
30/01/2014 31
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2-4/ Les trois classes de matériaux.
• Il y a trois classes de matériaux :
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Métaux et alliages
métalliques
Céramiques Polymères
Les matériaux
composites
Mélange
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2-4/ Les trois classes de matériaux.
Métaux et alliages Exemples :
Polymères Exemples:
Céramiques (matériaux minéraux) : Exemples:
Composites Exemples:
30/01/2014
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30/01/2014
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2-5/Les propriétés des matériaux
Propriétés physiques
et mécaniques
•solides atomiques de grande densité
•cohésion par liaisons métalliques
•températures de fusion moyennes
•tous cristallisés dans des systèmes simples
•très bons conducteurs électriques et thermiques
•rigidité moyenne à élevée
•déformables plastiquement et tenaces
•opaques à la lumière
Propriétés chimiques •sensibles à l’oxydation
Caractéristiques
économiques
•abondance et prix très variables
•nombreux fabricants
•recyclage possible
•toxicité possible
Mise en œuvre •très nombreux procédés bien connus
• Les métaux et alliages métalliques
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2-5/Les propriétés des matériaux
• Les céramiques
Propriétés physiques
et mécaniques
•combinaisons métal et élément léger : O, B, C et N.
•solides moléculaires de densité moyenne
•cohésion par liaisons iono-covalentes
•températures de fusion très élevées
•amorphes ou cristallisés
•grande dureté
•rigidité élevée
•fragiles
•tenue mécanique élevée à chaud
Propriétés chimiques •inertes jusqu’aux hautes températures
Caractéristiques
économiques
•céramiques traditionnelles et céramiques techniques
•abondance et prix très variables
•nombreux fabricants
•recyclage difficile
Mise en œuvre •procédés anciens et simples
•ou très sophistiqués
•assemblage difficile
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2-5/Les propriétés des matériaux
• Les polymères organiques
Propriétés
physiques
et mécaniques
•chaînes carbonées contenant des éléments non-métalliques
•solides moléculaires de faible densité
•cohésion par liaisons faibles et covalentes
•températures de fusion faibles
•isolants thermiques et électriques
•amorphes ou partiellement cristallisés
•dilatation thermique importante
•faible résistance mécanique
•rigidité faible à très faible
•tenue mécanique très sensible à la température
Propriétés
chimiques
•réactivité chimique très variable, souvent très faible dans les
conditions ambiantes
•sensibles au vieillissement et à la lumière
Caractéristiques
économiques
•abondance liée à la pétrochimie
•prix très variables
•nombreux fabricants
•recyclage peu efficace ou impossible
Mise en œuvre •différente suivant les thermoplastiques
•ou les thermodurcissables
•procédés faciles très nombreux
•faible coût
Elles concernent la déformation d’un matériau
soumis à une force
• La résistance
• La dureté
• La ductilité
• La rigidité
• La ténacité
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2-5/Les propriétés des matériaux
• Quand un corps est soumis à l’action de forces
extérieures des contraintes internes
s’établissent:
• À ces contraintes sont associées des déformations
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2-5/Les propriétés des matériaux
• Essais normalisés
• Pour étudier le comportement mécanique des
matériaux il faut travailler avec des pièces
identiques quelque soit le matériaux : Ce
qu’on appelle les éprouvettes.
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2-5/Les propriétés des matériaux
• Tirer sur une éprouvette
• Enregistrer la force et l’allongement de
l’éprouvette.
• Analyse de l’assai:
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2-5/Les propriétés des matériaux
• Distinguer les notions de résistance , de fragilité
et de dureté.
• Un matériau dur est souvent fragile : le verre
• Les modes de déformation sont :
– Elastique: La matière reprend sa forme initiale, la
déformation est réversible
– Plastique: La matière garde une déformation
résiduelle et irréversible.
– Striction: la matière se concentre dans un seul endroit
et il y aura une rupture prochaine.
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2-5/Les propriétés des matériaux
Essai de traction
• Courbe de traction:
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Rm
Re 0.2
Re
Domaine Plastique
Domaine
Elastique
Déformation
Contrainte(MPa)
Point de rupture
O
A
B
C
D
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Essai de traction
• La surface S est soumise à une contrainte
normale de traction :
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Pour une traction simple , la
contrainte est la même sur toute la
surface S
La contrainte devient alors :
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Essai de traction
• Propriétés élastiques :
 La déformation élastique est réversible
 Les déformations sont extrêmement petites (< 0,001)
 En première approximation, les longueurs et les
surfaces restent constantes on ne distingue plus
valeurs vraies et nominales
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Essai de traction
• Propriétés élastiques :
• La loi linéaire : σ = f(ɛ)
• La loi de Hooke: σ = E.ɛ
• Si E est élevée le matériau est rigide
• Si E est faible alors le matériau est souple.
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Matériaux E(Gpa)
Diamant 1000
Céramique 550
Méteaux 70-420
Béton 20
Elastomère 0.003
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Autres essais mécaniques
• Essai de dureté
– Essai de Vickers
– Essai de Brinell
– Essai de Rockwell
• Essai de flexion de Charpy
• Essai de fatigue
• Essai de fluage
• Coefficient d’adhérence et de frottement
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Campus centre
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Essai de dureté
• La dureté quantifie la résistance d’un matériau à la
pénétration sous une charge F
• Il ne permet pas de déterminer des caractéristiques
fondamentales du matériau, mais il permet de
comparer plusieurs matériaux entre eux, et de suivre
l'évolution d'un matériau en cours de traitement
• Elle dépend de :
– Déformations élastiques et plastiques
– Forces de frottement sur la surface du matériaux
– Géométrie du pénétrateur
– Force appliquée
30/01/2014
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Essai de dureté :
essai de Vickers
30/01/2014
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• L'essai VICKERS consiste à mesurer les dimensions d de
l'empreinte laissée par un pénétrateur pyramidal.
.
Diamant de forme pyramidale à base carrée
48
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Essai de dureté :
essai Brinell
30/01/2014
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L'essai BRINELL est similaire à l'essai VICKERS, mais le pénétrateur est une bille.
La dureté HB est calculée en fonction de la force, du diamètre de le bille D et
du diamètre de l'empreinte d :
.
49
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Essai de dureté :
essai Rockwell
30/01/2014
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• on effectue un pré chargement avec une force F0 ;
• on applique une force supplémentaire F1 puis on la relâche ;
• on regarde la profondeur r que l'on a gagné.
Un degré ROCKWELL correspond donc
à un enfoncement de 0,002 mm.
50
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Essai de flexion
choc CHARPY
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Cet essai consiste à rompre une éprouvette entaillée par un choc. Il permet de tester le matériau
dans des conditions de fragilisation :
•vitesse de déformation élevée ;
•concentrations de contrainte (éprouvette entaillée) ;
•diverses conditions de température :
comme c'est un essai rapide, l’éprouvette n'a pas le temps de refroidir ni ne de se réchauffer.
51
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Chapitre 3:
Propriétés mécaniques
30/01/2014
Campus centre
52
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en Mpa (N/mm2).
Allongements relatifs :
Elasticité linéaire (loi de Hooke) si :
sz = E .ez
3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.
A-/ Déformation élastique en tension/compression uniaxiale.
F
x
y
z
x'
y'
z'
F
A
A
F
z
y
x



s
s
s
0
0
z
zz
e
y
yy
e
x
xx
e
z
y
x






'
'
'
Campus centre
30/01/2014 53
Grandeurs caractéristiques :
Le module d’élasticité en tension (module d’Young), en MPa ou GPa.
Le coefficient de Poisson (si le matériau est isotrope).
La variation relative du volume sous charge :
z
y
z
x
e
e
e
e

z
z
e
E
s

)21(
'


 ze
V
VV
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3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.
A-/ Déformation élastique en tension/compression uniaxiale.
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F
a
x
y
z
F
q
A
Application dans la direction x de la
contrainte de cisaillement :
en Mpa (N/mm2).
Déformation relative:
Elasticité linéaire si :
G = module de cisaillement (ou de Coulomb)
A
F
x 
z
a
tg  
 Gx 
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3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.
B-/ Déformation élastique en cisaillement
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Application d’une pression uniforme p
Déformation = variation relative du volume :
Elasticité linéaire si :
K = module de compressibilité
V
VV 

'
 Kp
p
30/01/2014 56
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3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.
C-/ Déformation élastique en compression uniforme
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Relations entre les constantes élastiques.
L’élasticité linéaire est décrite par 4 constantes : E, , G et K.
Ces constantes sont reliées par les relations :
)1(2
)21(3




GE
KE
30/01/2014 57
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3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.Campus centre
30/01/2014 58
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Energie élastique.
énergie élastique
e1
s1
A
F
0L
L
e


 
1
0
2
2
.
e
e
Ee
deU s
Ue = énergie élastique stockée sous l’effet de la contrainte s1 :
30/01/2014 59
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3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.
C-/ Déformation élastique en compression uniforme
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Energie élastique et énergie plastique.
Re est la limite d’élasticité.
Au-delà, comportement plastique
énergie élastique
énergie plastique
e2
s2
Re
30/01/2014 60
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3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.
C-/ Déformation élastique en compression uniforme
Campus centre
Viscoélasticité des polymères.
Allongement e
Contrainte
Hystérésis élastique lors du cyclage
d’une fonte grise.
Courbe de déformation élastique d’un
élastomère.
30/01/2014 61
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3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.
d/ Autres aspects de l’élasticité des solides.
Campus centre
A- L’essai de traction.
30/01/2014 62
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3-2/ Mesure des propriétés mécaniques.
Campus centre
A- L’essai de traction.
Courbe nominale de traction d’un matériau déformable plastiquement
30/01/2014 63
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3-2/ Mesure des propriétés mécaniques.
Campus centre
A- L’essai de traction.
Grandeurs mesurées sur la courbe de traction d’un matériau déformable plastiquement
Résistance Limite d’élasticité
en MPa
Re ou R0.2
Résistance à la traction
en MPa
Rm
Plasticité
ou ductilité
Allongement rémanent à la rupture
en %
A%
Coefficient de striction
en %
0
0
% .100
S
SS
S
rupt

30/01/2014 64
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3-2/ Mesure des propriétés mécaniques.
Campus centre
30/01/2014 65
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3-2/ Mesure des propriétés mécaniques.
Campus centre
A- L’essai de traction.
Courbe de traction d’un acier recuit
(crochet de traction)
F/S0
e = D L/L0
seuil
d'écoulement
rupture
module tangent
module sécant
Courbe de traction d’un polymère déformable
(T > Tg)
30/01/2014 66
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3-2/ Mesure des propriétés mécaniques.
Campus centre
A- L’essai de traction.
La courbe rationnelle de traction : changement de coordonnées
Allongemente ou e
ruptureCourbe nominale
s N = F/S0
Courbe rationnelle
s vraie = F/S
Rm
)1(
0
e
S
F
S
F
vraie s
)1()(
0
0
eLn
L
L
Ln
l
dlL
L
 
Contrainte vraie :
Allongement rationnel :
Comparaison
des courbes nominale et rationnelle de traction
30/01/2014 67
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3-2/ Mesure des propriétés mécaniques.
Campus centre
A- Les essais de dureté.
Le système de dureté VICKERS
d
P
Matériau
Vue en plan
0 20 100 350 700 1500 4000
polymères
métaux purs
alliages
céramiques traditionelles
céramiques techniques
diamant, BN
aciers spéciaux
limite d'usinabilité
500
2
.1854
d
P
H PV 
Valeur de la dureté :
P en daN
d en mm
HV en 10MPa
30/01/2014 68
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3-2/ Mesure des propriétés mécaniques.
Campus centre
A- La mesure de la ténacité.
Effet d’une fissure : la concentration des contraintes
2a
a
r x
s0
s0
smax
r
Coefficient de concentration
de contrainte Kt:
rs
s a
Kt 21
0
max

Le facteur d’intensité de contrainte critique (mode I)
CCI EGaK C
 ps
a = longueur de fissure, sC = contrainte critique, GC = énergie de création de fissure en J/m2
30/01/2014 69
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3-2/ Mesure des propriétés mécaniques.
Campus centre
30/01/2014 70
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A- La mesure de la résilience (rupture par choc).
Permet de comparer des ténacités.
100
50
0
Cristallinité
=% surface fragile
Résilience
TempératureT50
Rupture fragile
Rupture
ductileRupture
mixte
Mouton-pendule de CHARPY et échantillon
Variation de la résilience d’un acier
avec la température
30/01/2014 71
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3-2/ Mesure des propriétés mécaniques.
Campus centre
Chapitre 4:
Equilibre de phases et thermodynamique
des solides
30/01/2014 72
Campus centre
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Rappel
• L’énergie interne d’un solide est évaluée par son enthalpie libre de Gibbs:
• G = H – TS
• H : énergie des liaisons + énergie de vibration
• S : entropie de configuration (ordre interne) + entropie de
vibration
• Normalement, la phase qui existe est celle qui présente le G minimum
• Nombreux cas de phases métastables
30/01/2014
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73
Campus centre
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Phase : solide homogène caractérisé par son arrangement atomique et ses propriétés.
La nature des phases dépend de la composition, de la température et de la pression.
Nature des phases solides.
Solutions solides terminales.
Solutions intermédiaires étendues.
Composés chimiquement définis , de formule AmBn, (n et m entiers).
Diagramme de phases.
Représentation de la nature des phases dans le plan température/composition.
RappelCampus centre
30/01/2014 74
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4-1/ Phases et Diagrammes de phases
Règle de la variance de Gibbs :
v = n - f + 2
(car 2 variables thermodynamiques: T et p)
n = nombre de composants du mélange
f = nombre de phases
Pour = 1 atm.: v = n - f + 1
Campus centre
30/01/2014 75
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4-1/ Phases et Diagrammes de phases
Mélanges binaires :
n = 2 v = 3 – f
Cas d’une phase unique : v = 2 - représentation par une surface
Cas d’un mélange de 2 phases : v = 1 - à T donnée, compositions liées
Cas d’un mélange de 3 phases : v = 0 - point particulier sur le diagramme
Campus centre
30/01/2014 76
• La matière change d'état selon la pression
et la température.
• Par exemple, l'eau pure sous pression
atmosphérique est sous forme de glace en
dessous de 0 °C et sous forme de vapeur au
dessus de 100 °C ; le phénomène est un peu
plus complexe puisque l'eau peut s'évaporer à
température ambiante, mais on n'a jamais
d'eau liquide au dessus de 100 °C.
30/01/2014 77
Campus centre
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4-1/ Phases et Diagrammes de phases
30/01/2014 78
Campus centre
• Les substances se présentent sous trois états physiques
distincts : la phase gazeuse, la phase liquide et la phase solide.
• Les trois phases se distinguent par l’espacement et la
mobilité des molécules.
Substance
pure gazeuse
Substance pure solide
Mélange
homogène gazeux
Mélange
homogène liquide
Substance pure
liquide
Mélange hétérogène solide
4-1/ Phases et Diagrammes de phases
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• On s’intéresse aux changements solide-liquide, mais
aussi les transformations à l'état solide, toujours sous
pression atmosphérique.
• Nous ne prendrons en compte que la température et la
composition chimique de la matière.
• Diagramme de phases: c’est un diagramme d’équilibre.
• les variations de température sont infinies et lentes.
30/01/2014 79
Campus centre
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4-1/ Phases et Diagrammes de phases
30/01/2014 80
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Exemple: eau et sel
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4-1/ Phases et Diagrammes de phases
Les transitions entre les phases
30/01/2014 81
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Les transitions entre les phases
30/01/2014 82
Campus centre
L'état d'équilibre d'un corps pur est déterminé par le triplet
(p, V, T) ou encore un point dans l'espace; l'ensemble des états
d'équilibre forme alors une surface.
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Diagramme de
phase d’un corps pur
30/01/2014 83
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Température (°C)
Pression (kPa)
Point triple
Point critique
Solide Liquide Gaz
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Diagramme de
phase d’un corps pur
30/01/2014 84
Campus centre
Température (°C)
Pression (kPa)
100
200
300
400
-100 0 100 200 300
Liquide
Solide
Gaz
Etat physique:
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Diagramme de
phase d’un corps pur
30/01/2014 85
Campus centre
Température (°C)
Pression (kPa)
100
200
300
400
-100 0 100 200 300
Liquide
Solide
Gaz
Température de changement de phase:
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Diagramme de phase
d’un mélange binaire
30/01/2014 86
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• Il existe une multitude de cas possibles, mais nous n'en verrons
que les trois principaux :
• Diagramme à fuseau unique, dit « à miscibilité complète » ;
• Diagramme à eutectique unique ;
• Diagramme à eutectique et à eutectoïde.
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Diagrammes à
miscibilité complète
30/01/2014 87
Campus centre
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Diagramme à
miscibilité partielle
30/01/2014 88
Campus centre
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Diagramme à
miscibilité partielle
30/01/2014 89
Campus centre
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Construction d’un
diagramme de phases
30/01/2014
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90
Campus centre
Alliage de composition ABMétal pur
Lorsqu’un métal pur en fusion est refroidi,
sous pression constante, le changement de
phase s’effectue toujours à une température
fixe : le point de fusion
Pour réaliser un alliage, des proportions
définies de constituants différents sont
fondues et mélangées, puis l’ensemble
est refroidi.
Construction d’un
diagramme de phases
30/01/2014
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91
Campus centre
Pour construire le diagramme de phase d’un alliage binaire A-B, il suffit d’enregistrer les
courbes de refroidissement pour chaque concentration de B dans A en partant de A, métal
pur jusqu’à B, métal pur.
Construction d’un
diagramme de phases
• Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide
30/01/2014
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92
Campus centre
La courbe de refroidissement du cuivre avec un
palier à 1084°C et la courbe de refroidissement
du nickel avec un palier à 1453°C. Entre ces
deux extrêmes, les alliages à différentes
concentrations présentent un intervalle de
solidification non isotherme. De 0% de nickel à
100% de nickel, les points d’inflexion
supérieurs qui correspondent au début de la
solidification forment une courbe
appelée liquidus, les points d’inflexion
inférieurs qui correspondent à la solidification
totale forment une courbe appelée solidus.
Construction d’un
diagramme de phases
Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide
1°Composition des phases
30/01/2014 93
Campus centre
 La composition massique global
de l’alliage AB ?
 Composition de l’alliage AB :
Température > liquidus
liquidus>Température >Solidus
Température < Ssolidus
AB
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Construction d’un
diagramme de phases
• Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide
2°proportion en masse de chaque phase:
30/01/2014
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94
Campus centre
Soit :
 fs la proportion d’alliage solide
fl la proportion de l’alliage liquide
Cs la composition de la phase solide
Cl la composition de la phase liquide
Principe de conservation des masses
Règle de bras levier ou des segments inversés:
fs + fl = 1
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4-1/ Phases et Diagrammes de phases
Règle des segments inverses.
Fraction massique de la phase 1 =
Avec
phase 1
phase 2
composition en B
A pur B pur
1 + 2
T
X2 X1X
alliage
21
2
1
XX
XX
fPhase



121  ff
Campus centre
30/01/2014 95
AB
Application 1
30/01/2014 96
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Application 1
• Remplir le tableau suivant sachant que la composition de
l’alliage est de l’alliage AB.
30/01/2014
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97
Température Cs Cl fs fl
>1267°
1267°
1250°
1230°
1218°
<1218°
Application 2
• Soit le tableau de solidus et liquidus du Ge-Si:
30/01/2014
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98
Composition en %m de Si Température Solidus Température liquidus
0 938 938
10 1005 1147
20 1065 1226
30 1123 1278
40 1178 1315
50 1232 1346
60 1282 1367
70 1326 1385
80 1359 1397
90 1390 1408
100 1414 1414
Application 2
• Faire le diagramme d’équilibre
• Identifier chaque région
• On mélange 8.43g de Si et 14.52g de Ge
– Déterminer la fraction massique globale du Si
– Déterminer la nature et la composition massique de chaque phase à
1200°C
– Déterminer les masses des phases en présence à 1200°C
30/01/2014
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99
Construction d’un
diagramme de phases
• Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l’état solide
30/01/2014
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100
Campus centre
Diagrammes avec point eutectique
Eutectique (v=0 ) en E: liquide « solide (A) + solide (B)
Eutectique simple Eutectique avec solution solide partielle
Construction d’un
diagramme de phases
• Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l’état solide
30/01/2014
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101
Campus centre
Péritectique (v=0 ) en P: solide AB —› liquide (L) + solide (B)
Construction d’un
diagramme de phases
• Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l’état solide
30/01/2014
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102
Campus centre
Construction d’un
diagramme de phases
• Diagrammes avec point eutectoïde
• Le mécanisme de la transformation eutectoïde est très
ressemblant à la transformation eutectique, mais au cours de
cette transformation, c’est une phase solide qui se transforme
simultanément en deux nouvelles phases solides (Le
diagramme de phases Fer-Carbone est présenté en
annexe). y ↔ α + ß
30/01/2014
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103
Campus centre
Construction d’un
diagramme de phases
• Diagrammes avec point péritectique
• Dans une transformation péritectique, une phase
liquide et une phase solide se transforment en
une seule phase solide de composition définie. Le
point péritectique (point P, figure 13) est
invariant, à température fixe avec un équilibre
entre les trois phases.
α + L ↔ ß
30/01/2014
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104
Campus centre
Cas de mélange à trois phases :
1-/ Diagramme à eutectique
30/01/2014
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105
phase 1
phase 2
composition en B
A pur B pur
phase 2 + phase 3
T
X2 X3
XE
alliage eutectique
phase 3
TE
TfA
TfB
E
M N
Campus centre
Cas de mélange à trois phases :
2-/ Diagramme à péritectique.
30/01/2014
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106
phase 1
phase 2
composition en B
A pur B pur
phase 2+phase 3
T
X2 X1XP
composition péritectique
phase 3
TP
TfA
E
M N
phase 1+phase 3
phase 1+phase 2
L
P
Campus centre
Formation de la microstructure :
Exemple de la cristallisation d’une solution solide terminale.
phase solide
composition en B
T
XE
TfA
phase liquide
2
3
4
5
1
Aspect micrographique schématique
Campus centre
30/01/2014 107
Science des Matériaux
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Formation de la microstructure :
Exemple de la cristallisation d’un eutectique lamellaire.
P2
P3 Direction de croissance
du constituant eutectique
Mouvements de
diffusion des
atomes A et B
Grains d’eutectique Cu/P
Microstructure finale:
• deux phases : P2 et P3
• un constituant : l’eutectique
phase liquide
composition en B
A pur B pur
T
X2 X3
XE
alliage eutectique
TE
TfA
TfB
E
M N
P3
P2
P1
Campus centre
30/01/2014 108
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Formation de la microstructure :
Exemple de la cristallisation d’un alliage proche d’un eutectique.
Dendrites primaires
de phase a
Eutectique
Phase b secondaire
composition en B
A pur B pur
T
X2 X3X
TE
TfA
TfB
E
M N
XE
a
b
Liq.
Microstructure finale:
• deux phases : a et b
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30/01/2014 109
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Cours complet matériaux

  • 1. Science des Matériaux Campus centre Mr Jean Yves Dauphin Mme Mouna Souissi 1 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 30/01/2014
  • 2. Plan du cours 30/01/2014 Campus centre 1- Préambule – Notions générales 2- Liaisons atomiques – Cohésion et propriétés des solides 3- Propriétés mécaniques 4- Equilibres de phases et Thermodynamique des solides 5- Les solides cristallisés et les défauts cristallins 6- Les transformations à l’état solide 7- Cinétique des transformations. 8- Notions de base sur les traitements thermiques. 2 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 3. Histoire de la métallurgie •L'échelle des temps synthétise les principales avancées en métallurgie. •Les matériaux sont en général le facteur limitant des machines définissent le niveau de développement de l’humanité. •âge de pierre, puis de bronze, puis de fer •maîtrise de l’acier: trains, automobile, … •maîtrise des semi-conducteurs: informatique •moitié de la recherche du programme Apollo : matériaux nouveaux Campus centre 30/01/2014 3 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 4. Généralités • Matériau = est un solide utilisé par l’homme pour la fabrication d’objets • La science des matériaux est l’étude des relations qui existent entre la structure et les propriétés générales de ces matériaux • La structure d’un matériau correspond à la façon dont s’agencent ses éléments constitutifs Échelle subatomique Échelle atomique Échelle microscopique Échelle macroscopique30/01/2014 Campus centre 4 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 5. Chapitre 1: Préambule – Notions générales 30/01/2014 5 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 6. 1- Préambule – Notions générales • L’utilisation d’un matériau dépend : • de ses propriétés • de ses ressources • de son coût • des méthodes de synthèse • de sa compatibilité avec l’environnement • de la possibilité de mise en forme • de son aspect esthétique 30/01/2014 Campus centre 6 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 7. Choix d’un matériaux • Le choix d'un matériau dépend de l'application. Il faut définir précisément le besoin. Cela fait appel à la notion de fonction : • cahier des charges fonctionnel (CDCF). • Méthode APTE : diagramme pieuvre, validation du besoin 30/01/2014 Campus centre 7 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 8. 30/01/2014 Pourquoi le besoin existe-t-il ? Qu'est-ce qui peut le faire évoluer ? Qu'est-ce qui peut le faire disparaître ? 8 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 9. Choix d’un matériaux 30/01/2014 Campus centre • Méthode APTE : diagramme pieuvre Diagramme des interactions pour un produit ayant deux fonctions de service principales, FP1 et FP2, six fonctions contraintes ou complémentaires, FC1 à 6 9 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 10. 30/01/2014 1. La cohésion des solides dépend avant tout du type des liaisons atomiques. 2. Les matériaux se répartissent en céramiques, métaux ou polymères. 3. 84% des éléments purs ont un comportement métallique. 4. Il existe de nombreuses phases à l’état solide, souvent métastables. 5. Beaucoup de matériaux sont polyphasés. 6. 80% des matériaux sont cristallisés, les autres sont amorphes. 7. Les matériaux cristallisés sont presque toujours polycristallins. 8. Le diamètre d’un atome quelconque est voisin de 0.25 nm. 9. On ne voit pas les atomes au microscope mais la microstructure. 10. Celle-ci caractérise la nature, la taille et la disposition interne des phases qui constituent un matériau, ainsi que les défauts qu’il contient. Quelques principes généraux de la SdM Campus centre 10 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 11. Quelques chiffres • Répartition mondiale de la consommation des principaux matériaux en millions de tonnes/an: • Béton environ 5000 Mt/an • Aciers 1300 Mt/an • Polymères 150 Mt/an • Aluminium 22 Mt/an • Cuivre 12 Mt/an 30/01/2014 Campus centre 11 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 12. Recyclage 30/01/2014 Campus centre 12 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 13. Recyclage • Intérêt : – Préserver les ressources naturelles et éviter les dommages dus à l’extraction – Economiser l’énergie – Eviter et la destruction • Recyclage actuel: • Acier • Cuivre • Aluminium • Papier • Verre • Certains polymères 30/01/2014 Campus centre 13 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 14. Chapitre 2: Les liaisons atomiques - Cohésion et propriétés des solides 30/01/2014 Campus centre 14 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 15. Remplissage des couches électroniques quand Z augmente L’énergie de liaison des électrons dépend de quatre nombres quantiques: • n, nombre quantique principal valeur : entiers 1,2,3 niveau ou couche (K, L, M, N, ) taille de l’orbitale • l, nombre quantique angulaire valeur : de 0 à n-1 sous-niveaux s, p, d, f,... forme de l’orbitale • m, nombre quantique magnétique valeur : de –l à +l orientation des orbitales • s, nombre de spin valeur : ½ ou - ½ sens de circulation 2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes. Campus centre 30/01/2014 15 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 16. Remplissage des couches électroniques quand Z augmente La règle de Pauli : Deux électrons de même énergie partagent la même orbitale s’ils sont de spin opposé. La règle de Hundt : Les électrons de même spin occupent des orbitales distinctes de même énergie. Campus centre 2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes. 30/01/2014 16 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 17. 2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes. Comparaison des niveaux d’énergie quand Z augmente. Campus centre 30/01/2014 17 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 18. 2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes. Remplissage des couches électroniques des 30 premiers éléments. K L M N s (2 él.) s (2 él.) p (6 él.) s (2 él.) p (6 él.) d (10 él.) s (2 él.) 1s2 H, He 1s2 2s2 Li, Be 1s2 2s2 2p6 B, C, N, O, F, Ne 1s2 2s2 2p6 3s2 Na, Mg 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Al, Si, P, S, Cl, Ar 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 remplissage anormal 4s2 K, Ca 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn 4s2 30/01/2014 18 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Campus centre
  • 19. Conséquences : • Les éléments de la série de transition ont des électrons périphériques peu liés. • Rayons atomiques faibles. Grande conduction thermique et électrique. • Oxydation facile (la corrosion aussi). • Pas d’interaction avec les photons (réflecteurs de la lumière). • Formation d’une liaison de type particulier (métallique) à l’état solide. • Tendance à la compacité maximale. • Cristallisation intense, dans des systèmes simples. • Les métaux sont très nombreux (84% des éléments). 2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes. 30/01/2014 19Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Campus centre
  • 20. 2-1/ Rappels sur la structure électronique des atomes. Le tableau périodique des éléments. 30/01/2014 20 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Campus centre
  • 21. Science des matériaux 2-2/ Les liaisons chimiques. 1-/ La liaison covalente. Exemple du chlore: Liaison covalente homopolaire Exemple du méthane Hybridation sp3 des orbitales du carbone. Formation de 4 liaisons symétriques 30/01/2014 21 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Campus centre
  • 22. Science des matériaux Exemple du carbone diamant Liaison covalente homopolaire. Macromolécule par hybridation sp3. 4 liaisons équivalentes très fortes. Exemple du carbone graphite Hybridation sp2. 3 liaisons fortes à 120°. 1 liaison faible p. 2-2/ Les liaisons chimiques. 1-/ La liaison covalente. 30/01/2014 22 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Campus centre
  • 23. Science des matériaux Exemple de NaCl : Structure du Néon Structure de l’Argon 2-2/ Les liaisons chimiques. 2-/ La liaison ionique. 30/01/2014 23 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Campus centre
  • 24. Science des matériaux 2-2/ Les liaisons chimiques. 3-/ La liaison métallique. Exemple du magnésium : Rassemblement très dense d’ions Mg2+. Formation d’une orbitale unique: Mise en commun des électrons périphériques. 30/01/2014 24 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Campus centre
  • 25. Exemple de l’eau : Exemple d’un polyamide linéaire (Nylon 6-6) 2-2/ Les liaisons chimiques. 4-/ Les liaisons faibles ou secondaires (attraction dipolaire). 30/01/2014 25 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Campus centre
  • 26. 2-2/ Les liaisons chimiques. Comparaison des propriétés selon la nature des liaisons. Propriétés : Tf = température de fusion e = élevé E = module d’élasticité en tension m = moyen a = coefficient de dilatation linéaire f = faible r = résistivité électrique 0 = # nulle D = ductilité Liaison Exemple Propriétés Tf E a r D Covalente C électrons partagés e e f m/e 0/f Ionique NaCl électrons attirés m/e e f e 0 Métallique Cu électrons délocalisés m/e m m f e Liaisons faibles H2O attraction dipolaire f f e e m 30/01/2014 26 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Campus centre
  • 27. 2-2/ Les liaisons chimiques. Le caractère mixte des liaisons dans les solides réels. CovalenteC,Si,AsGa.. Faible H2O, N2, CH4 Ionique MgO, NaCl... MétalliqueCu,Pb.. Diamant Graphite SiO2 Mg2Si W Sn Fe 30/01/2014 27 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Campus centre
  • 28. 2-3/ Energie de cohésion - Force de liaison. Courbes de Lennard-Jones : Variation de l’énergie potentielle d’une liaison avec la distance entre atomes. U a attraction électrostatique U r répulsion des orbitales Energie résultante longueur d'équilibre de la liaison U U l distance d Energie d’attraction noyau/électrons Ua = -A / dm (A>0) m de 1 à 5 selon la liaison Energie de répulsion des orbitales Ur = B / dn (B>0) n de 6 à 11 selon la liaison 30/01/2014 28 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Campus centre
  • 29. d0 U distance d force de liaison F Force théorique de cohésion distance d0 rigidité de la liaison répulsion attraction 2-3/ Energie de cohésion - Force de liaison. Variation de la force théorique de liaison avec la distance entre atomes. 30/01/2014 29 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Campus centre
  • 30. 2-3/ Energie de cohésion - Force de liaison. Application des courbes de Lennard-Jones : la dilatation des solides évolution de la distance moyenne entre les atomes quand Uth augmente U Uth distance d Ul longueur moyenne de liaison pour l'énergie de vibration Uth 30/01/2014 30 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Campus centre
  • 31. 2-3/ Energie de cohésion - Force de liaison. Comparaison des courbes de Lennard-Jones selon le type des liaisons U distance d Liaison iono-covalente Liaison secondaire Liaison métallique U 3 U 2 U 1 d2 d3d1 30/01/2014 31 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Campus centre
  • 32. 2-4/ Les trois classes de matériaux. • Il y a trois classes de matériaux : 30/01/2014 Campus centre Métaux et alliages métalliques Céramiques Polymères Les matériaux composites Mélange 32 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 33. 2-4/ Les trois classes de matériaux. Métaux et alliages Exemples : Polymères Exemples: Céramiques (matériaux minéraux) : Exemples: Composites Exemples: 30/01/2014 Campus centre 33 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 34. 30/01/2014 Campus centre 34 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les propriétés des matériaux Propriétés physiques et mécaniques •solides atomiques de grande densité •cohésion par liaisons métalliques •températures de fusion moyennes •tous cristallisés dans des systèmes simples •très bons conducteurs électriques et thermiques •rigidité moyenne à élevée •déformables plastiquement et tenaces •opaques à la lumière Propriétés chimiques •sensibles à l’oxydation Caractéristiques économiques •abondance et prix très variables •nombreux fabricants •recyclage possible •toxicité possible Mise en œuvre •très nombreux procédés bien connus • Les métaux et alliages métalliques
  • 35. 30/01/2014 Campus centre 35 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les propriétés des matériaux • Les céramiques Propriétés physiques et mécaniques •combinaisons métal et élément léger : O, B, C et N. •solides moléculaires de densité moyenne •cohésion par liaisons iono-covalentes •températures de fusion très élevées •amorphes ou cristallisés •grande dureté •rigidité élevée •fragiles •tenue mécanique élevée à chaud Propriétés chimiques •inertes jusqu’aux hautes températures Caractéristiques économiques •céramiques traditionnelles et céramiques techniques •abondance et prix très variables •nombreux fabricants •recyclage difficile Mise en œuvre •procédés anciens et simples •ou très sophistiqués •assemblage difficile
  • 36. 30/01/2014 Campus centre 36 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les propriétés des matériaux • Les polymères organiques Propriétés physiques et mécaniques •chaînes carbonées contenant des éléments non-métalliques •solides moléculaires de faible densité •cohésion par liaisons faibles et covalentes •températures de fusion faibles •isolants thermiques et électriques •amorphes ou partiellement cristallisés •dilatation thermique importante •faible résistance mécanique •rigidité faible à très faible •tenue mécanique très sensible à la température Propriétés chimiques •réactivité chimique très variable, souvent très faible dans les conditions ambiantes •sensibles au vieillissement et à la lumière Caractéristiques économiques •abondance liée à la pétrochimie •prix très variables •nombreux fabricants •recyclage peu efficace ou impossible Mise en œuvre •différente suivant les thermoplastiques •ou les thermodurcissables •procédés faciles très nombreux •faible coût
  • 37. Elles concernent la déformation d’un matériau soumis à une force • La résistance • La dureté • La ductilité • La rigidité • La ténacité 30/01/2014 Campus centre 37 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les propriétés des matériaux
  • 38. • Quand un corps est soumis à l’action de forces extérieures des contraintes internes s’établissent: • À ces contraintes sont associées des déformations 30/01/2014 Campus centre 38 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les propriétés des matériaux
  • 39. • Essais normalisés • Pour étudier le comportement mécanique des matériaux il faut travailler avec des pièces identiques quelque soit le matériaux : Ce qu’on appelle les éprouvettes. 30/01/2014 Campus centre 39 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les propriétés des matériaux
  • 40. • Tirer sur une éprouvette • Enregistrer la force et l’allongement de l’éprouvette. • Analyse de l’assai: 30/01/2014 Campus centre 40 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les propriétés des matériaux
  • 41. • Distinguer les notions de résistance , de fragilité et de dureté. • Un matériau dur est souvent fragile : le verre • Les modes de déformation sont : – Elastique: La matière reprend sa forme initiale, la déformation est réversible – Plastique: La matière garde une déformation résiduelle et irréversible. – Striction: la matière se concentre dans un seul endroit et il y aura une rupture prochaine. 30/01/2014 Campus centre 41 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les propriétés des matériaux
  • 42. Essai de traction • Courbe de traction: 30/01/2014 Rm Re 0.2 Re Domaine Plastique Domaine Elastique Déformation Contrainte(MPa) Point de rupture O A B C D Campus centre 42 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 43. Essai de traction • La surface S est soumise à une contrainte normale de traction : 30/01/2014 Campus centre Pour une traction simple , la contrainte est la même sur toute la surface S La contrainte devient alors : 43 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 44. Essai de traction • Propriétés élastiques :  La déformation élastique est réversible  Les déformations sont extrêmement petites (< 0,001)  En première approximation, les longueurs et les surfaces restent constantes on ne distingue plus valeurs vraies et nominales 30/01/2014 Campus centre 44 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 45. Essai de traction • Propriétés élastiques : • La loi linéaire : σ = f(ɛ) • La loi de Hooke: σ = E.ɛ • Si E est élevée le matériau est rigide • Si E est faible alors le matériau est souple. 30/01/2014 Matériaux E(Gpa) Diamant 1000 Céramique 550 Méteaux 70-420 Béton 20 Elastomère 0.003 Campus centre 45 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 46. Autres essais mécaniques • Essai de dureté – Essai de Vickers – Essai de Brinell – Essai de Rockwell • Essai de flexion de Charpy • Essai de fatigue • Essai de fluage • Coefficient d’adhérence et de frottement 30/01/2014 Campus centre 46 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 47. Essai de dureté • La dureté quantifie la résistance d’un matériau à la pénétration sous une charge F • Il ne permet pas de déterminer des caractéristiques fondamentales du matériau, mais il permet de comparer plusieurs matériaux entre eux, et de suivre l'évolution d'un matériau en cours de traitement • Elle dépend de : – Déformations élastiques et plastiques – Forces de frottement sur la surface du matériaux – Géométrie du pénétrateur – Force appliquée 30/01/2014 Campus centre 47 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 48. Essai de dureté : essai de Vickers 30/01/2014 Campus centre • L'essai VICKERS consiste à mesurer les dimensions d de l'empreinte laissée par un pénétrateur pyramidal. . Diamant de forme pyramidale à base carrée 48 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 49. Essai de dureté : essai Brinell 30/01/2014 Campus centre L'essai BRINELL est similaire à l'essai VICKERS, mais le pénétrateur est une bille. La dureté HB est calculée en fonction de la force, du diamètre de le bille D et du diamètre de l'empreinte d : . 49 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 50. Essai de dureté : essai Rockwell 30/01/2014 Campus centre • on effectue un pré chargement avec une force F0 ; • on applique une force supplémentaire F1 puis on la relâche ; • on regarde la profondeur r que l'on a gagné. Un degré ROCKWELL correspond donc à un enfoncement de 0,002 mm. 50 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 51. Essai de flexion choc CHARPY 30/01/2014 Campus centre Cet essai consiste à rompre une éprouvette entaillée par un choc. Il permet de tester le matériau dans des conditions de fragilisation : •vitesse de déformation élevée ; •concentrations de contrainte (éprouvette entaillée) ; •diverses conditions de température : comme c'est un essai rapide, l’éprouvette n'a pas le temps de refroidir ni ne de se réchauffer. 51 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 52. Chapitre 3: Propriétés mécaniques 30/01/2014 Campus centre 52 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 53. Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi en Mpa (N/mm2). Allongements relatifs : Elasticité linéaire (loi de Hooke) si : sz = E .ez 3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides. A-/ Déformation élastique en tension/compression uniaxiale. F x y z x' y' z' F A A F z y x    s s s 0 0 z zz e y yy e x xx e z y x       ' ' ' Campus centre 30/01/2014 53
  • 54. Grandeurs caractéristiques : Le module d’élasticité en tension (module d’Young), en MPa ou GPa. Le coefficient de Poisson (si le matériau est isotrope). La variation relative du volume sous charge : z y z x e e e e  z z e E s  )21( '    ze V VV 30/01/2014 54 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides. A-/ Déformation élastique en tension/compression uniaxiale. Campus centre
  • 55. F a x y z F q A Application dans la direction x de la contrainte de cisaillement : en Mpa (N/mm2). Déformation relative: Elasticité linéaire si : G = module de cisaillement (ou de Coulomb) A F x  z a tg    Gx  30/01/2014 55 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides. B-/ Déformation élastique en cisaillement Campus centre
  • 56. Application d’une pression uniforme p Déformation = variation relative du volume : Elasticité linéaire si : K = module de compressibilité V VV   '  Kp p 30/01/2014 56 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides. C-/ Déformation élastique en compression uniforme Campus centre
  • 57. Relations entre les constantes élastiques. L’élasticité linéaire est décrite par 4 constantes : E, , G et K. Ces constantes sont reliées par les relations : )1(2 )21(3     GE KE 30/01/2014 57 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides.Campus centre
  • 58. 30/01/2014 58 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 59. Energie élastique. énergie élastique e1 s1 A F 0L L e     1 0 2 2 . e e Ee deU s Ue = énergie élastique stockée sous l’effet de la contrainte s1 : 30/01/2014 59 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides. C-/ Déformation élastique en compression uniforme Campus centre
  • 60. Energie élastique et énergie plastique. Re est la limite d’élasticité. Au-delà, comportement plastique énergie élastique énergie plastique e2 s2 Re 30/01/2014 60 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides. C-/ Déformation élastique en compression uniforme Campus centre
  • 61. Viscoélasticité des polymères. Allongement e Contrainte Hystérésis élastique lors du cyclage d’une fonte grise. Courbe de déformation élastique d’un élastomère. 30/01/2014 61 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-1/ Rappels sur l’élasticité des solides. d/ Autres aspects de l’élasticité des solides. Campus centre
  • 62. A- L’essai de traction. 30/01/2014 62 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre
  • 63. A- L’essai de traction. Courbe nominale de traction d’un matériau déformable plastiquement 30/01/2014 63 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre
  • 64. A- L’essai de traction. Grandeurs mesurées sur la courbe de traction d’un matériau déformable plastiquement Résistance Limite d’élasticité en MPa Re ou R0.2 Résistance à la traction en MPa Rm Plasticité ou ductilité Allongement rémanent à la rupture en % A% Coefficient de striction en % 0 0 % .100 S SS S rupt  30/01/2014 64 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre
  • 65. 30/01/2014 65 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre
  • 66. A- L’essai de traction. Courbe de traction d’un acier recuit (crochet de traction) F/S0 e = D L/L0 seuil d'écoulement rupture module tangent module sécant Courbe de traction d’un polymère déformable (T > Tg) 30/01/2014 66 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre
  • 67. A- L’essai de traction. La courbe rationnelle de traction : changement de coordonnées Allongemente ou e ruptureCourbe nominale s N = F/S0 Courbe rationnelle s vraie = F/S Rm )1( 0 e S F S F vraie s )1()( 0 0 eLn L L Ln l dlL L   Contrainte vraie : Allongement rationnel : Comparaison des courbes nominale et rationnelle de traction 30/01/2014 67 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre
  • 68. A- Les essais de dureté. Le système de dureté VICKERS d P Matériau Vue en plan 0 20 100 350 700 1500 4000 polymères métaux purs alliages céramiques traditionelles céramiques techniques diamant, BN aciers spéciaux limite d'usinabilité 500 2 .1854 d P H PV  Valeur de la dureté : P en daN d en mm HV en 10MPa 30/01/2014 68 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre
  • 69. A- La mesure de la ténacité. Effet d’une fissure : la concentration des contraintes 2a a r x s0 s0 smax r Coefficient de concentration de contrainte Kt: rs s a Kt 21 0 max  Le facteur d’intensité de contrainte critique (mode I) CCI EGaK C  ps a = longueur de fissure, sC = contrainte critique, GC = énergie de création de fissure en J/m2 30/01/2014 69 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre
  • 70. 30/01/2014 70 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 71. A- La mesure de la résilience (rupture par choc). Permet de comparer des ténacités. 100 50 0 Cristallinité =% surface fragile Résilience TempératureT50 Rupture fragile Rupture ductileRupture mixte Mouton-pendule de CHARPY et échantillon Variation de la résilience d’un acier avec la température 30/01/2014 71 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 3-2/ Mesure des propriétés mécaniques. Campus centre
  • 72. Chapitre 4: Equilibre de phases et thermodynamique des solides 30/01/2014 72 Campus centre Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 73. Rappel • L’énergie interne d’un solide est évaluée par son enthalpie libre de Gibbs: • G = H – TS • H : énergie des liaisons + énergie de vibration • S : entropie de configuration (ordre interne) + entropie de vibration • Normalement, la phase qui existe est celle qui présente le G minimum • Nombreux cas de phases métastables 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 73 Campus centre
  • 74. Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi Phase : solide homogène caractérisé par son arrangement atomique et ses propriétés. La nature des phases dépend de la composition, de la température et de la pression. Nature des phases solides. Solutions solides terminales. Solutions intermédiaires étendues. Composés chimiquement définis , de formule AmBn, (n et m entiers). Diagramme de phases. Représentation de la nature des phases dans le plan température/composition. RappelCampus centre 30/01/2014 74
  • 75. Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 4-1/ Phases et Diagrammes de phases Règle de la variance de Gibbs : v = n - f + 2 (car 2 variables thermodynamiques: T et p) n = nombre de composants du mélange f = nombre de phases Pour = 1 atm.: v = n - f + 1 Campus centre 30/01/2014 75
  • 76. Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 4-1/ Phases et Diagrammes de phases Mélanges binaires : n = 2 v = 3 – f Cas d’une phase unique : v = 2 - représentation par une surface Cas d’un mélange de 2 phases : v = 1 - à T donnée, compositions liées Cas d’un mélange de 3 phases : v = 0 - point particulier sur le diagramme Campus centre 30/01/2014 76
  • 77. • La matière change d'état selon la pression et la température. • Par exemple, l'eau pure sous pression atmosphérique est sous forme de glace en dessous de 0 °C et sous forme de vapeur au dessus de 100 °C ; le phénomène est un peu plus complexe puisque l'eau peut s'évaporer à température ambiante, mais on n'a jamais d'eau liquide au dessus de 100 °C. 30/01/2014 77 Campus centre Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 4-1/ Phases et Diagrammes de phases
  • 78. 30/01/2014 78 Campus centre • Les substances se présentent sous trois états physiques distincts : la phase gazeuse, la phase liquide et la phase solide. • Les trois phases se distinguent par l’espacement et la mobilité des molécules. Substance pure gazeuse Substance pure solide Mélange homogène gazeux Mélange homogène liquide Substance pure liquide Mélange hétérogène solide 4-1/ Phases et Diagrammes de phases Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 79. • On s’intéresse aux changements solide-liquide, mais aussi les transformations à l'état solide, toujours sous pression atmosphérique. • Nous ne prendrons en compte que la température et la composition chimique de la matière. • Diagramme de phases: c’est un diagramme d’équilibre. • les variations de température sont infinies et lentes. 30/01/2014 79 Campus centre Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 4-1/ Phases et Diagrammes de phases
  • 80. 30/01/2014 80 Campus centre Exemple: eau et sel Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 4-1/ Phases et Diagrammes de phases
  • 81. Les transitions entre les phases 30/01/2014 81 Campus centre Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 82. Les transitions entre les phases 30/01/2014 82 Campus centre L'état d'équilibre d'un corps pur est déterminé par le triplet (p, V, T) ou encore un point dans l'espace; l'ensemble des états d'équilibre forme alors une surface. Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 83. Diagramme de phase d’un corps pur 30/01/2014 83 Campus centre Température (°C) Pression (kPa) Point triple Point critique Solide Liquide Gaz Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 84. Diagramme de phase d’un corps pur 30/01/2014 84 Campus centre Température (°C) Pression (kPa) 100 200 300 400 -100 0 100 200 300 Liquide Solide Gaz Etat physique: Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 85. Diagramme de phase d’un corps pur 30/01/2014 85 Campus centre Température (°C) Pression (kPa) 100 200 300 400 -100 0 100 200 300 Liquide Solide Gaz Température de changement de phase: Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 86. Diagramme de phase d’un mélange binaire 30/01/2014 86 Campus centre • Il existe une multitude de cas possibles, mais nous n'en verrons que les trois principaux : • Diagramme à fuseau unique, dit « à miscibilité complète » ; • Diagramme à eutectique unique ; • Diagramme à eutectique et à eutectoïde. Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 87. Diagrammes à miscibilité complète 30/01/2014 87 Campus centre Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 88. Diagramme à miscibilité partielle 30/01/2014 88 Campus centre Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 89. Diagramme à miscibilité partielle 30/01/2014 89 Campus centre Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 90. Construction d’un diagramme de phases 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 90 Campus centre Alliage de composition ABMétal pur Lorsqu’un métal pur en fusion est refroidi, sous pression constante, le changement de phase s’effectue toujours à une température fixe : le point de fusion Pour réaliser un alliage, des proportions définies de constituants différents sont fondues et mélangées, puis l’ensemble est refroidi.
  • 91. Construction d’un diagramme de phases 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 91 Campus centre Pour construire le diagramme de phase d’un alliage binaire A-B, il suffit d’enregistrer les courbes de refroidissement pour chaque concentration de B dans A en partant de A, métal pur jusqu’à B, métal pur.
  • 92. Construction d’un diagramme de phases • Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 92 Campus centre La courbe de refroidissement du cuivre avec un palier à 1084°C et la courbe de refroidissement du nickel avec un palier à 1453°C. Entre ces deux extrêmes, les alliages à différentes concentrations présentent un intervalle de solidification non isotherme. De 0% de nickel à 100% de nickel, les points d’inflexion supérieurs qui correspondent au début de la solidification forment une courbe appelée liquidus, les points d’inflexion inférieurs qui correspondent à la solidification totale forment une courbe appelée solidus.
  • 93. Construction d’un diagramme de phases Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide 1°Composition des phases 30/01/2014 93 Campus centre  La composition massique global de l’alliage AB ?  Composition de l’alliage AB : Température > liquidus liquidus>Température >Solidus Température < Ssolidus AB Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 94. Construction d’un diagramme de phases • Diagrammes de phases avec miscibilité totale à l’état solide 2°proportion en masse de chaque phase: 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 94 Campus centre Soit :  fs la proportion d’alliage solide fl la proportion de l’alliage liquide Cs la composition de la phase solide Cl la composition de la phase liquide Principe de conservation des masses Règle de bras levier ou des segments inversés: fs + fl = 1
  • 95. Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 4-1/ Phases et Diagrammes de phases Règle des segments inverses. Fraction massique de la phase 1 = Avec phase 1 phase 2 composition en B A pur B pur 1 + 2 T X2 X1X alliage 21 2 1 XX XX fPhase    121  ff Campus centre 30/01/2014 95
  • 96. AB Application 1 30/01/2014 96 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 97. Application 1 • Remplir le tableau suivant sachant que la composition de l’alliage est de l’alliage AB. 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 97 Température Cs Cl fs fl >1267° 1267° 1250° 1230° 1218° <1218°
  • 98. Application 2 • Soit le tableau de solidus et liquidus du Ge-Si: 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 98 Composition en %m de Si Température Solidus Température liquidus 0 938 938 10 1005 1147 20 1065 1226 30 1123 1278 40 1178 1315 50 1232 1346 60 1282 1367 70 1326 1385 80 1359 1397 90 1390 1408 100 1414 1414
  • 99. Application 2 • Faire le diagramme d’équilibre • Identifier chaque région • On mélange 8.43g de Si et 14.52g de Ge – Déterminer la fraction massique globale du Si – Déterminer la nature et la composition massique de chaque phase à 1200°C – Déterminer les masses des phases en présence à 1200°C 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 99
  • 100. Construction d’un diagramme de phases • Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l’état solide 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 100 Campus centre Diagrammes avec point eutectique Eutectique (v=0 ) en E: liquide « solide (A) + solide (B) Eutectique simple Eutectique avec solution solide partielle
  • 101. Construction d’un diagramme de phases • Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l’état solide 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 101 Campus centre Péritectique (v=0 ) en P: solide AB —› liquide (L) + solide (B)
  • 102. Construction d’un diagramme de phases • Diagrammes de phases avec miscibilité partielle à l’état solide 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 102 Campus centre
  • 103. Construction d’un diagramme de phases • Diagrammes avec point eutectoïde • Le mécanisme de la transformation eutectoïde est très ressemblant à la transformation eutectique, mais au cours de cette transformation, c’est une phase solide qui se transforme simultanément en deux nouvelles phases solides (Le diagramme de phases Fer-Carbone est présenté en annexe). y ↔ α + ß 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 103 Campus centre
  • 104. Construction d’un diagramme de phases • Diagrammes avec point péritectique • Dans une transformation péritectique, une phase liquide et une phase solide se transforment en une seule phase solide de composition définie. Le point péritectique (point P, figure 13) est invariant, à température fixe avec un équilibre entre les trois phases. α + L ↔ ß 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 104 Campus centre
  • 105. Cas de mélange à trois phases : 1-/ Diagramme à eutectique 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 105 phase 1 phase 2 composition en B A pur B pur phase 2 + phase 3 T X2 X3 XE alliage eutectique phase 3 TE TfA TfB E M N Campus centre
  • 106. Cas de mélange à trois phases : 2-/ Diagramme à péritectique. 30/01/2014 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi 106 phase 1 phase 2 composition en B A pur B pur phase 2+phase 3 T X2 X1XP composition péritectique phase 3 TP TfA E M N phase 1+phase 3 phase 1+phase 2 L P Campus centre
  • 107. Formation de la microstructure : Exemple de la cristallisation d’une solution solide terminale. phase solide composition en B T XE TfA phase liquide 2 3 4 5 1 Aspect micrographique schématique Campus centre 30/01/2014 107 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 108. Formation de la microstructure : Exemple de la cristallisation d’un eutectique lamellaire. P2 P3 Direction de croissance du constituant eutectique Mouvements de diffusion des atomes A et B Grains d’eutectique Cu/P Microstructure finale: • deux phases : P2 et P3 • un constituant : l’eutectique phase liquide composition en B A pur B pur T X2 X3 XE alliage eutectique TE TfA TfB E M N P3 P2 P1 Campus centre 30/01/2014 108 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi
  • 109. Formation de la microstructure : Exemple de la cristallisation d’un alliage proche d’un eutectique. Dendrites primaires de phase a Eutectique Phase b secondaire composition en B A pur B pur T X2 X3X TE TfA TfB E M N XE a b Liq. Microstructure finale: • deux phases : a et b • trois constituants : ap , eutectique et bs Campus centre 30/01/2014 109 Science des Matériaux J.Y.Dauphin_M.Souissi