Cours Sciences des Matériaux 2010 2011

Cours
1ere A. LMD- EM
21h C & 10,5h TD
Enseignant:
Ali KHALFALLAH
Bureau: N18
Email: ali.khalfallah@gmail.com
Web: www.issatso.rnu.tn
Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse
2010-2011

Plan du Cours
I- Introduction aux matériaux
1. Introduction
2. Les classes des matériaux
3. Propriétés des matériaux
4. Utilisation des matériaux
II- Structure des Matériaux
1. Structure de l’atome
2. La liaison Chimique
3. Forces de cohésion interne
III- Structure des Matériaux Solides
1. État physique des matériau
2. Arrangement des atomes dans les solides
3. Description de l’état cristallin
4. Détermination de la structure cristalline
5. Structure des principaux matériaux

Plan du Cours
IV- Alliage et diagrammes de
phase
1. Introduction
2. Les classes des matériaux
II- Structure des Matériaux
2. La liaison Chimique
3. Forces de cohésion interne
III- Structure des Matériaux Solides
1. Structure des Métaux
2. Détermination de la structure cristalline
3. Structure des principaux matériaux

Plan du Cours
Bibliographie :
1)
* Titre : Matériaux (Microstructure et mise en oeuvre)
* Auteur: Michael Ashby –David R.H. Jones
* Référence Bib de l’Issat : 62.037
2)
• Titre : Matériaux (Propriétés et applications)
• Auteur: Michael Ashby –David R.H. Jones
• Réf. À la BIB de l’Issat : 62.036

Chapitre 1
Introduction aux matériaux

1. Introduction
Outils de l’age de la pierre

Les Matériaux défini le niveau
de développement
de notre civilisation
La conquête de l’espace
Outils de l’age du bronze
Mongonneau

• Les Matériaux défini le niveau de développement de notre civilisation
• Les Matériaux ont un rôle important dans tous les développements
technologiques.
• L’ingénieur doit savoir et tenir compte des différents propriétés
des matériaux pour concevoir et fabriquer de nouveaux produits
Les propriétés des matériaux sont liées à:
- Nature des liaisons chimiques
- Arrangement structural
- Microstructure
L’utilisation des matériaux dépend aussi :
- Disponibilité
- Coût
- Méthodes de synthèse et de fabrication

2. C’est quoi un matériau ?
• Matière est constituée par une particule élémentaire :
Ou
atome Molécule

Dans ce cours nous définissons les matériaux comme les solides utilisés
pour la fabrication des objets utiles dans notre vie
Les matériaux jouent un rôle
indispensable dans le développement
de la civilisation humaine

Ingénierie: Les métaux sont rarement utilisés à l’état pur, car leur résistance mécanique
peut être améliorée en leur ajoutant d’autres éléments (alliages métalliques (Acier=Fe-C))

3. Les classes de Matériaux
• Les matériaux sont classés suivants
leurs composition et leurs propriétés
•Les métaux et leurs alliages
• Les polymères et les matières plastiques
•Les céramiques et le verres
Les matériaux Composites
* Un matériau composite est obtenu par la
combinaison de deux ou plusieurs matériaux
appartenant aux trois premières classes
* Un matériau composite associe les propriétés
spécifiques de ces constituants

Les matériaux possèdent trois catégories de propriétés:
• Les propriétés mécaniques qui reflètent le comportement des matériaux
lorsqu’ils sont sollicités par des efforts extérieurs
Il est admit que la réalisation de nouveaux objets est limitée par les propriétés
des matériaux utilisés et leur disponibilité.
• Les propriétés physiques qui représentent le comportement des matériaux
sous l’action de la température, des champs électriques
ou magnétiques ou de la lumière.
Donc, tout progrès technologique est souvent lié au développement
de matériaux ayant des propriétés améliorées ou nouvelles.
• Les propriétés chimiques qui caractérisent le comportement des matériaux
dans un environnement réactif.

-Métaux et alliages
• Ils sont solides à la température ambiante.
• Ils sont relativement dense.
• Ils sont généralement de très bon conducteurs de le l’électricité
• Ils sont généralement de très bon conducteurs de la chaleur.
• Ils sont souvent durs, rigides et déformables plastiquement.
• Leurs températures de fusion sont généralement élevées.

-Polymères et matières plastiques
* Ils sont des matériaux organiques (C,H,O,N,P,S) constitués par des chaînes
moléculaire très longues d’atomes de C sur lesquels
sont fixés des groupements d’atomes comportant de H, Cl, S, N …
* Isolants électriques
* Isolants thermiques.
* Faible densité
* Facilement déformables
* Leurs températures de fusion sont très faible comparées à celles des métaux.

-Céramiques et verres
* Les céramiques sont des matériaux où leur structure atomique
est la combinaison d’éléments métalliques (Si, Al, Ti, …) et non métalliques
dont le plus souvent est l’oxygène.
* Généralement les céramiques sont des oxydes (silice SiO2, l’alumine Al2O3, …) .
* Les céramiques sont des matériaux réfractaires (résistance thermique élevée).
* Ils sont généralement des matériaux très durs (abrasifs)
* Ils sont très fragiles (cassant au choc), ce qui limite leur emploi pour
des applications où les chocs mécaniques et thermiques sont élevés.
* La plupart des céramiques sont en général des isolants électriques et thermiques.

Il est important de bien choisir les matériaux les mieux adaptés pour
une application donnée. Ce choix doit être basé sur plusieurs facteurs :
* Propriétés et caractéristiques des matériaux
* Fonctions principales des objets et leurs types de sollicitations
* Facilité de la fabrication et de la transformation des matériaux
* Comportement du matériaux envers l’environnement
* Le prix de revient

Exemple d’utilisation des matériaux céramiques
Les contraintes thermiques subies par la navette durant la rentrée atmosphérique :
en blanc les parties les plus chaudes
1260°C

Exemple d’utilisation des matériaux céramiques
1260°C
Tuiles en céramiques

les différents domaines d'utilisation des matières premières minérales
•La ville
-bâtiment
-monument historique
- école
- mobilier urbain
- passage
•L'habitat
-Logement
-Sanitaire
- chauffage
•Les infrastructures
-chemin de fer
- autoroute route
-enrochement
-Assainissement
•Les moyens de communication
-ordinateur
-téléphone
-Route
•Les loisirs
-jardin
- monument historique
- journaux
-livres
-Feux d'artifices
• L'automobile
-automobile
-plaquette de frein
-autoroute
-Pneu
• Le luxe
-bijouterie
Au cours d'une vie de 70ans,
un européen consomme:
- 561 tonnes de sables et graviers
- 109 tonnes de pétrole
- 14 tonnes de fer
- 13 tonnes de sel
- 12 tonnes d'argiles réfractaires
- 1,6 t d'aluminium
- 680 kg de cuivre
- 360 kg de plomb
- 343 kg de zinc

5. Données économiques
Productions mondiales en 2002
Métaux et alliages
1 milliard T/an
90% acier
POLYMERES
100 Millions T/an
http://www.mineralinfo.org/
CERAMIQUES
Béton: 15 Milliards T/an
2,5 T/habitant
Ciment: 1,5 Millard T/an
Évolution de la production mondiale d'acier,
Évolution de la production mondiale de en millions de tonnes
quelques métaux, en millions de tonnes
Al
Cu
Zn

5. Données économiques
Prix au kg
Métaux et alliages
Acier = 0,7 US$/kg
POLYMERES
Al = 2 US$/Kg
Polyéthylène = 0,5 US$/Kg
CERAMIQUES
Béton= 0,03 US$/kg

6. Ressources
Abondance moyenne des éléments dans la croûte (% mass.)
OO SSii AAll FFee CCaa NNaa KK MMgg TTii CC
4477,,33 2299,,11 88,,11 44,,66 33,,33 22,,55 33,,33 11,,77 00,,44 00,,0022
ÉÉlléémmeenntt AAgg AAuu CCuu ZZnn PPbb NNii FFee AAll
Date
D’épuisement 22002211 22002255 22003399 22002255 22003300 22004488 22008877 22113399
Source: http://terresacree.org/ressources.htm
Réserves Minières

Chapitre 2
Structure des matériaux

• L’atome est la particule élémentaire qui porte
les propriétés de la matière
Atome
* Constituants de l’atome:
• Protons (+)
-Un noyau
• neutrons (0)
- Électrons (-)
•Dans l’atome
le nombre de protons = aux nombre d’électrons
La charge électrique de l’atome
* Les protons et les neutrons sont les nucléons :ils ont pratiquement la masse de l’atome
* La masse du proton = 2000 x la masse de l’éléectron
* La charge de l’électron (charge élémentaire) = 1,6.10-19 C
Une mole = Nombre d’Avogadro d’atomes = 6,023.1023
Une mole de proton a une masse de 1 gramme
est neutre

2. La liaison chimique
Les atomes s’unis pour former des entités plus stables appelés molécules
Il existe quatre types de liaison :
La liaison chimique est un concept qui permet d’expliquer la cohésion de la matière
et par la suite une influence sur les propriétés des matériaux. * La liaison ionique
* La liaison covalente
* La liaison métallique
* La liaison secondaire
La liaison chimique est le résultat de l’union des couches électroniques externes des atomes
qui constitue la molécule.

2.1 Liaison ionique

2.2 Liaison Covalente
Un doublet d’électrons appartient désormais en commun aux deux atomes.
un ou plusieurs doublets sont partagé.
Le terme exact est liaison covalente
Exemple : La liaison covalente de la molécule d’H2

2.3 Liaison métallique
•Dans les métaux les électrons de valence
sont très peu nombreux.
* Les élec. De val. Sont très peu liés au noyau
(électrons libres) =délocalisés et répartis dans
l’ensemble du métal
Formation d’une structure d’ions positifs noyés
Dans un gaz d’électrons
Ce type de liaison favorise la création de structure
Cristallines simple de grandes symétrie et très compactes

2.4 Liaison secondaire
* Les liaisons secondaires sont des liaisons faibles
•Les liaisons faibles résultent surtout d’interactions électrostatiques
entre dipôles électriques
•Les liaisons secondaires ont une influence déterminante
sur les propriétés physiques et mécaniques
des polymères organiques

Liaison hydrogène

2.5 Conséquence des différentes liaisons

3. La force de cohésion
2.5 Forces et énergie de liaison

3. La force de cohésion
Attraction:

Répulsion

Bilan des forces
Force de liaison=
La dérivée de l’énergie
F=dU/dr

• La raideur S0 de la liaison au voisinage
de la position d’équilibre r=r0 est:
0
d U
2
2
æ
= ÷ø
0
S dF
0
ö
÷ ÷ø
ç çè
r r r r dr
dr
= =
= ö
• La force de liaison est alors
au voisinage de l’équilibre ( ) 0 0 F = S r - r
La raideur S0 est la façon dont les atomes sont groupés dans les solides,
permettent de comprendre le module d’élasticité des matériaux.
Le module d’élasticité ou d’Young : E
E =S
0
r
0

TTyyppee ddee
lliiaaiissoonn MMaattéérriiaauu
ÉÉnneerrggiiee ddee
lliiaaiissoonn
((kkJJ//mmooll))
PPooiinntt ddee
ffuussiioonn
((°°CC))
MMoodduullee
dd’’YYoouunngg
EE((GGPPaa))
IIoonniiqquuee NNaaCCll
MMggOO
664400
11000000
880011
22880000
3322,,77
221100
CCoovvaalleennttee SSii
CC((ddiiaammaanntt))
445500
771133
11441100
44002277
111122
11110000
MMééttaalllliiqquuee
AAll
FFee
WW
332244
440066
884499
666600
11553388
33441100
6699
221100
440000
VVaann ddeerr
WWaaaallss
PPoollyyéétthhyyllèènnee
PPVVCC
00,,11 111155
113300
00,,22
22,,44
Énergie de liaison et température de fusion de divers matériaux

Chapitre 3
Structure des matériaux SOLIDES

Structure des matériaux Solides
1. Cristal
Un cristal parfait est caractérisé par un arrangement régulier et périodique
des atomes dans l’espace.
Les matériaux métallique ont une structure polycristalline, formée d’une
d'une multitude de petits cristaux (grains) de taille et d'orientation variées
et séparés par des joints de grains.
Chaque grain constitue un monocristal.
Les matériaux cristallisent sous une forme monocristalline ou polycristalline
Un polycristal d’acier
I- Structure des solides cristallins

2. Description de l’état cristallin
2.1 Structure cristalline
Généralement, l’arrangement des atomes (ou structure) dans les solides
cristallins est décrit par:
• un réseau cristallin défini par un ensemble de noeuds,
• un motif élémentaire, qui constitue l’élément de base dont la répétition suivant
Le réseau engendre le cristal.
La structure cristalline est engendrée par translation dans l’espace du motif qui
Vient occuper les noeuds du réseau spatial.

Le cristal est engendré par la juxtaposition des mailles parallélépipédiques
Identiques de côtés a,b et c.
La maille contient le motif d’atomes
qui se répète.
La maille élémentaire est le parallélépipède défini par les trois vecteurs primitifs
a, b et c appelés également paramètres du réseau ou paramètres de la maille.
Notons que les angles entre les vecteurs a, b et c peuvent être quelconques.
La position d'un noeud quelconque du réseau est donnée par le vecteur
r = ua + vb + wc (avec u, v et w nombres entiers) qui représente également
une translation du réseau.

2.2 Réseaux et systèmes cristallins
Tous les réseaux cristallins peuvent être décrits à partir
de 7 mailles élémentaires qui définissent 7 systèmes cristallins.
Selon que la maille élémentaire est simple ou multiple, et à partir
de ces 7 systèmes cristallins, on définit les 14 réseaux de Bravais.

Historique
Auguste Bravais (1811 - 1863)
Auguste Bravais (1811 - 1863),fut un physicien français, réputé notamment
pour ses travaux en cristallographie spécialement: les réseaux de Bravais
En 1848,Auguste Bravais rend une étude purement mathématique sur la
classification des cristaux. Il décrit l'ensemble des structures possédant
des symétries d'orientation compatibles avec la triple périodicité des cristaux
dans les trois directions de l'espace. Il trouve ainsi 32 classes de symétrie
réparties en 14 types de réseaux (réseaux de Bravais) que l'on peut regrouper
en 7 systèmes définissant la forme de la maille élémentaire

2.3 Directions et plans cristallographiques
Directions cristallographiques
On appelle direction cristallographique
(ou rangée réticulaire ) toute droite passant
par deux noeuds du réseau.
Les noeuds sont repérés par leurs
coordonnées dans le système défini par
les vecteurs primitifs a, b et c, comme
cela est décrit sur le schéma suivant.

Directions cristallographiques
Si l'un des noeuds correspond à l'origine
du réseau, on peut désigner la rangée par
les coordonnées u, v et w du noeud le plus
proche de l'origine appartenant à la droite.
Ces rangées sont notées [u,v,w] et l'ensemble
des rangées se déduisant les unes des autres
par des opérations de symétrie constitue une
famille de rangée et se note <u,v,w>.
http://nte.enstimac.fr/SciMat/co/SM_uc1-4-2.html

Plans cristallographiques
On appelle un plan cristallographique ou plan réticulaire est tout plan passant
par trois noeuds du réseau.
Pour indexer les plans réticulaires, on utilise les indices de Miller
Dans un cristal qui a pour maille a,b et c,
considérons un plan réticulaire quelconque
Le plan coupe les axes de référence de la
maille en trois points (X,Y,Z) dont les
coordonnées sont respectivement égales
à Xa, Yb, et Zc.
Les indices de Miller h,k et l s’obtiennent
en prenant les inverse de X, Y et Z et en
les multipliant par n (entier) de manière à ce que
h, k et l soient entiers et le plus petit possible :
Le plan réticulaire est noté : (h,k,l)
Les indices de Miller sont identique pour une famille de plans parallèles
h = n ; = ; =
l n
Z
k n
Y
X

Les plans d'une famille (h,k,l) sont équidistants.
Cette équidistance ou distance interéticulaire
notée dhkl.
Pour le système cubique, on démontre que
(a paramètre de maille) :
d a hkl + +
h2 k 2 l2
=

2.4 Structure compacte des métaux
Les atomes des métaux adoptent l’arrangement le plus symétrique et compacte
La plupart des métaux purs cristallisent dans le système cubique ; par exemple
CFC (cubique à faces centrées) pour Cu, Ag, Al, Au, Ni, Pt, Pb, Feγ ;
CC (cubique centré) pour Feα, Mn, Cr, V, Mo, Ta, Tiβ ;
mais aussi dans le système hexagonal (hexagonal compact HC);
par exemple Tiα, Mg, Zr, Cd, Zn, Be.
Structure cristalline du carbone: (a) diamant: CFC. (b) graphite (HC)

Structure cubique à faces centrées (CFC)
(Cu, Ag, Al, Au, Ni, Pt, Pb, Feγ )
La structure CFC est constituée de 4 atomes par maille,
six sur les faces du cubes appartenant chacun à deux mailles et
huit aux sommets du cube appartenant à huit mailles chacun.
6´ 1 + ´ = + =
3 1 4
8 1
8
2
On assimile les atomes à des sphères dures

Calcul du paramètre de maille et compacité
R = a 2
4R = a 2 
4
a R CFC 2 2 ( ) =
Densité
Compacité
n M
´
r = ´
N a3
0,74
= = p p
3 2
6
4 4
3
3
= »
´ ´ ´
a
R
C V
matière
V
maille
n= 4 atomes /maille

Structure Hexagonal Compact (HC)
(Tiα, Mg, Zr, Cd, Zn, Be.)
La structure HC est définie par un motif élémentaire de deux atomes,
l'un à l'origine et l'autre en (2/3,1/3,1/2).
Elle est constituée de six atomes par maille,
* trois à l'intérieur de l'hexagone,
* deux sur les bases communs chacun à deux mailles et
* douze sur les sommets communs chacun à six mailles
Compacité
C = pa =1,633
2
c
3 3
et c C = 0,742
a

Structure cubique centrés (CC)
(Feα, Mn, Cr, V, Mo, Ta, Tiβ)
Les atomes se touchent
sur la diagonale du cube
4R = a 3 4
R = a 3
= 4 3
a R cc 3
Compacité n=2 atomes/maille
0,68
= = p p
3 3
8
2 4
3
3
= »
´ ´ ´
a
R
C V
matière
V
maille

Les sites interstitiels
Dans les réseaux cristallins, les espaces vides situés entre les atomes sphériques
constituent les sites interstitiels. Dans certains alliages, ces sites servent
de logement pour des atomes de petit diamètre.
Il existe deux types de sites interstitiels :
• aa)) lleess ssiitteess ooccttaaééddrriiqquueess ::sont formés par six sphères disposées suivant
les sommets d’un octaèdre.
bb)) lleess ssiitteess ttééttrraaééddrriiqquueess :: sont formés par empilement compact
de quatre sphères dont les centres constituent
les sommets d’un tétraèdre
CC..FF..CC CC..CC

Position, nombre et rayons des sites interstitiels
CC..FF..CC
La maille élémentaire CFC comporte un ssiittee ooccttaaééddrriiqquuee au centre de la maille,
donc interne à la maille (compte pour 1). Elle comporte aussi un site au centre
de chaque arête, partagé par 4 mailles, ce qui fait au total 12 x 1/4 = 3 sites.
La maille élémentaire cfc comporte donc 4 sites octaédriques par maille.
R R a oc + =
2
ö
æ
et R = a 2 R a a oc 0,146
4
1 2
2
2
= ÷ ÷ø
ç çè
 = -
Situés dans le tétraèdre formé par un atome de coin et les 3 atomes centraux
des faces se coupant à ce même coin. Chaque coin est lié à un site tétraédrique,
qui sont tous internes à la maille, ce qui fait 8 sites tétraédriques.
R R a 3 T + = et
4
R = a 2 ( ) 3 2
4
R =a - T
4


C.C
sites octaédriques
• centre des faces : 6 faces conjointes à 2 mailles : 6/2 = 3 sites par maille
• milieu des arêtes : 12 arêtes conjointes à 4 maille : 12/4 = 3 sites par maille
Soit au total 6 sites octaédriques par maille
sites tétraédriques
Situés aux 1/4 et 3/4 des médiatrices des arêtes :
4 sites par face conjointe à 2 mailles : 6 × 4/2 = 12 sites par maille
Soit au total 12 sites tétraédriques par maille

II- Structure des solides non cristallins (amorphes)
Les solides non cristallins se caractérisent par l’absence d’un arrangement régulier
(les solides amorphes)
Représentation schématique
bi-dimensionnelle de la silice (SiO2) cristalline
Représentation schématique
bi-dimensionnelle de la silice (SiO2)
vitreuse ou amorphe

Propriétés mécaniques des métaux
Chapitre 4
Propriétés mécaniques des
métaux

Pourquoi étudier les propriétés mécaniques des métaux ?
Comprendre comment se mesurent les divers propriétés mécaniques
et ce que celles-ci représentent.
Connaître les propriétés (résistance, dureté, ductilité,..)
pour savoir la limite de leur utilisation (pas trop déformé, pas de rupture)

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Notes de l'éditeur