Science des Matriaux Campus centre Mr Jean Yves Dauphin Mme Mouna Souissi1 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi30/01/2014 Plan du cours 30/01/2014 Campus centre 1- Prambule Notions gnrales 2- Liaisons atomiques Cohsion et proprits des solides 3- Proprits mcaniques 4- Equilibres de phases et Thermodynamique des solides 5- Les solides cristalliss et les dfauts cristallins 6- Les transformations ltat solide 7- Cintique des transformations. 8- Notions de base sur les traitements thermiques. 2 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiHistoire de la mtallurgieL'chelle des temps synthtise les principales avances en mtallurgie. Les matriaux sont en gnral le facteur limitant des machines dfinissent le niveau de dveloppement de lhumanit. ge de pierre, puis de bronze, puis de fer matrise de lacier: trains, automobile, matrise des semi-conducteurs: informatique moiti de la recherche du programme Apollo :matriaux nouveaux Campus centre 30/01/20143 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiGnralits Matriau=estunsolideutilisparlhommepourla fabrication dobjets La science des matriaux est ltude des relations qui existententrelastructureetlespropritsgnralesde ces matriaux La structure dun matriau correspond la faon dont sagencent ses lments constitutifs chelle subatomique chelle atomique chelle microscopique chelle macroscopique 30/01/2014 Campus centre 4 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiChapitre 1: Prambule Notions gnrales 30/01/20145 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi1- Prambule Notions gnrales

Lutilisation dun matriau dpend : de ses proprits de ses ressources de son cot des mthodes de synthse de sa compatibilit avec lenvironnement de la possibilit de mise en forme de son aspect esthtique 30/01/2014 Campus centre 6 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiChoix dun matriaux Lechoixd'unmatriaudpendde l'application.Ilfautdfinirprcismentle besoin. Cela fait appel la notion de fonction : cahier des charges fonctionnel (CDCF). Mthode APTE : diagramme pieuvre, validation du besoin30/01/2014 Campus centre 7 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi30/01/2014 Pourquoi le besoin existe-t-il ? Qu'est-ce qui peut le faire voluer ? Qu'est-ce qui peut le faire disparatre ? 8 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiChoix dun matriaux 30/01/2014 Campus centre Mthode APTE : diagramme pieuvreDiagramme des interactions pourunproduitayant deuxfonctionsdeservice principales,FP1 et FP2,six fonctions contraintes ou complmentaires, FC1 6 9 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi30/01/2014 1. La cohsion des solides dpend avant tout du type des liaisons atomiques. 2. Les matriaux se rpartissent en cramiques, mtaux ou polymres. 3. 84% des lments purs ont un comportement mtallique. 4. Il existe de nombreuses phases ltat solide, souvent mtastables. 5. Beaucoup de matriaux sont polyphass. 6. 80% des matriaux sont cristalliss, les autres sont amorphes. 7. Les matriaux cristalliss sont presque toujours polycristallins. 8. Le diamtre dun atome quelconque estvoisin de 0.25 nm. 9. On ne voit pas les atomes au microscope mais la microstructure. 10. Celle-ci caractrise la nature, la taille et la disposition interne des phases qui constituent un matriau, ainsi que les dfauts quil contient. Quelques principes gnraux de la SdM Campus centre 10 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiQuelques chiffres Rpartition mondiale de la consommation des principaux matriaux en millions de tonnes/an:

Bton environ 5000 Mt/an Aciers 1300 Mt/an Polymres 150 Mt/an Aluminium 22 Mt/an Cuivre 12 Mt/an 30/01/2014 Campus centre 11 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiRecyclage30/01/2014 Campus centre 12 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiRecyclage Intrt : Prserver les ressources naturelles et viter les dommages dus lextraction Economiser lnergie Eviter et la destruction Recyclage actuel: Acier Cuivre Aluminium Papier Verre Certains polymres30/01/2014 Campus centre 13 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiChapitre 2: Les liaisons atomiques - Cohsion et proprits des solides 30/01/2014 Campus centre 14 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiRemplissage des couches lectroniques quand Z augmente Lnergie de liaison des lectrons dpend de quatre nombres quantiques: n, nombre quantique principalvaleur : entiers 1,2,3niveau ou couche (K, L, M, N, ) taille de lorbitale l, nombre quantique angulairevaleur : de 0 n-1sous-niveaux s, p, d, f,... forme de lorbitale m, nombre quantique magntiquevaleur : de l +l orientation des orbitales s, nombre de spinvaleur : ou - sens de circulation

2-1/ Rappels sur la structure lectronique des atomes. Campus centre 30/01/201415 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi Remplissage des couches lectroniques quand Z augmente La rgle de Pauli : Deux lectrons de mme nergie partagent la mme orbitale sils sont de spin oppos. La rgle de Hundt : Les lectrons de mme spin occupent des orbitales distinctes de mme nergie. Campus centre 2-1/ Rappels sur la structure lectronique des atomes. 30/01/201416 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi2-1/ Rappels sur la structure lectronique des atomes. Comparaison des niveaux dnergie quand Z augmente. Campus centre 30/01/201417 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi2-1/ Rappels sur la structure lectronique des atomes. Remplissage des couches lectroniques des 30 premiers lments. KLM N s(2 l.) s(2 l.) p(6 l.) s(2 l.) p(6 l.) d(10 l.) s(2 l.) 1s2 H, He 1s22s2 Li, Be 1s22s22p6 B, C, N, O, F, Ne 1s22s22p63s2 Na, Mg 1s22s22p63s23p6 Al, Si, P, S, Cl, Ar 1s22s22p63s23p6remplissage anormal4s2 K, Ca 1s22s22p63s23p63d10 Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn 4s2 30/01/201418 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiCampus centre Consquences : Les lments de la srie de transition ont des lectrons priphriques peu lis. Rayons atomiques faibles. Grande conduction thermique et lectrique. Oxydation facile (la corrosion aussi). Pas dinteraction avec les photons (rflecteurs de la lumire). Formation dune liaison de type particulier (mtallique) ltat solide. Tendance la compacit maximale. Cristallisation intense, dans des systmes simples. Les mtaux sont trs nombreux (84% des lments). 2-1/ Rappels sur la structure lectronique des atomes. 30/01/201419 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiCampus centre 2-1/ Rappels sur la structure lectronique des atomes. Le tableau priodique des lments. 30/01/201420 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiCampus centre Science des matriaux 2-2/ Les liaisons chimiques. 1-/ La liaison covalente. Exemple du chlore: Liaison covalente homopolaire Exemple du mthane Hybridation sp3 des orbitales du carbone. Formation de 4 liaisons symtriques 30/01/201421 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiCampus centre Science des matriaux Exemple du carbone diamant Liaison covalente homopolaire. Macromolcule par hybridation sp3. 4 liaisons quivalentes trs fortes. Exemple du carbone graphite Hybridation sp2. 3 liaisons fortes 120. 1 liaison faible t. 2-2/ Les liaisons chimiques. 1-/ La liaison covalente. 30/01/201422 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiCampus centre Science des matriaux Exemple de NaCl : Structure du Non Structure de lArgon 2-2/ Les liaisons chimiques. 2-/ La liaison ionique. 30/01/201423 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiCampus centre Science des matriaux 2-2/ Les liaisons chimiques. 3-/ La liaison mtallique. Exemple du magnsium : Rassemblement trs dense dions Mg2+. Formation dune orbitale unique: Mise en commun des lectrons priphriques. 30/01/201424 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiCampus centre Exemple de leau :Exemple dun polyamide linaire(Nylon 6-6) 2-2/ Les liaisons chimiques. 4-/ Les liaisons faibles ou secondaires (attraction dipolaire). 30/01/201425 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiCampus centre 2-2/ Les liaisons chimiques. Comparaison des proprits selon la nature des liaisons. Proprits : Tf = temprature de fusione = lev E = module dlasticit en tensionm = moyen o = coefficient de dilatation linairef = faible = rsistivit lectrique0 = # nulle D = ductilitLiaisonExempleProprits TfEoD CovalenteC lectrons partagseefm/e0/f IoniqueNaCl lectrons attirsm/eefe0 MtalliqueCu lectrons dlocalissm/emmfe Liaisons faiblesH2O attraction dipolaireffeem 30/01/201426 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiCampus centre 2-2/ Les liaisons chimiques. Le caractre mixte des liaisons dans les solides rels. Covalente C,Si,AsGa..FaibleH2O, N2, CH4IoniqueMgO, NaCl...Mtallique Cu,Pb..DiamantGraphiteSiO2Mg2SiWSnFe30/01/201427 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiCampus centre 2-3/ Energie de cohsion - Force de liaison. Courbes de Lennard-Jones :Variation de lnergie potentielle dune liaison avec la distance entre atomes. U a attraction lectrostatique U r rpulsion des orbitales Energie rsultante longueur d'quilibre de la liaison U U l distance d Energie dattraction noyau/lectrons Ua = -A / dm(A>0) m de 1 5 selon laliaison Energie de rpulsion des orbitales Ur = B / dn(B>0) n de 6 11 selon la liaison 30/01/201428 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiCampus centre d0 U distance d force de liaison FForce thorique de cohsion distance d 0 rigidit de la liaison rpulsion attraction 2-3/ Energie de cohsion - Force de liaison. Variation de la force thorique de liaisonavec la distance entre atomes. 30/01/201429 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiCampus centre 2-3/ Energie de cohsion - Force de liaison. Application des courbes de Lennard-Jones : la dilatation des solides volution de la distance moyenneentre les atomes quand Uth augmenteUUthdistance dUllongueur moyenne de liaisonpour l'nergie de vibration Uth30/01/201430 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiCampus centre 2-3/ Energie de cohsion - Force de liaison. Comparaison des courbes de Lennard-Jones selon le type des liaisons Udistance dLiaison iono-covalenteLiaison secondaireLiaison mtalliqueU 3U 2U 1d2 d3 d130/01/201431 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiCampus centre 2-4/ Les trois classes de matriaux. Il y a trois classes de matriaux : 30/01/2014 Campus centre Mtaux et alliages mtalliquesCramiquesPolymres Les matriaux compositesMlange32 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi2-4/ Les trois classes de matriaux. Mtaux et alliagesExemples : Polymres Exemples: Cramiques (matriaux minraux) :Exemples: CompositesExemples: 30/01/2014 Campus centre 33 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi30/01/2014 Campus centre 34 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les proprits des matriaux Proprits physiques et mcaniques solides atomiques de grande densit cohsion par liaisons mtalliques tempratures de fusion moyennes tous cristalliss dans des systmes simples trs bons conducteurs lectriques et thermiques rigidit moyenne leve dformables plastiquement et tenaces opaques la lumire Proprits chimiquessensibles loxydation Caractristiques conomiques abondance et prix trs variables nombreux fabricants recyclage possible toxicit possible Mise en uvretrs nombreux procds bien connus Les mtaux et alliages mtalliques 30/01/2014 Campus centre 35 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les proprits des matriaux Les cramiques Proprits physiques et mcaniques combinaisons mtal et lment lger : O, B, C et N. solides molculaires de densit moyenne cohsion par liaisons iono-covalentes tempratures de fusion trs leves amorphes ou cristalliss grande duret rigidit leve fragiles tenue mcanique leve chaud Proprits chimiquesinertes jusquaux hautes tempratures Caractristiques conomiques cramiques traditionnelles et cramiques techniques abondance et prix trs variables nombreux fabricants recyclage difficile Mise en uvreprocds anciens et simples ou trs sophistiqus assemblage difficile 30/01/2014 Campus centre 36 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les proprits des matriaux Les polymres organiques Proprits physiques et mcaniques chanes carbones contenant des lments non-mtalliques solides molculaires de faible densit cohsion par liaisons faibles et covalentes tempratures de fusion faibles isolants thermiques et lectriques amorphes ou partiellement cristalliss dilatation thermique importante faible rsistance mcanique rigidit faible trs faible tenue mcanique trs sensible la temprature Proprits chimiques ractivit chimique trs variable, souvent trs faible dans les conditions ambiantes sensibles au vieillissement et la lumire Caractristiques conomiques abondance lie la ptrochimie prix trs variables nombreux fabricants recyclage peu efficace ou impossible Mise en uvrediffrente suivant les thermoplastiquesou les thermodurcissables procds faciles trs nombreuxfaible cot Elles concernent la dformation dun matriau soumis une force La rsistance La duret La ductilit La rigidit La tnacit 30/01/2014 Campus centre 37 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les proprits des matriaux Quand un corps est soumis laction de forces extrieures des contraintes internes stablissent: ces contraintes sont associes des dformations 30/01/2014 Campus centre 38 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les proprits des matriaux Essais normaliss Pour tudier le comportement mcanique des matriauxilfauttravailleravecdespices identiquesquelquesoitlematriaux:Ce quon appelle les prouvettes. 30/01/2014 Campus centre 39 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les proprits des matriaux Tirer sur une prouvette Enregistrer la force et lallongement de lprouvette. Analyse de lassai: 30/01/2014 Campus centre 40 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les proprits des matriaux Distinguer les notions de rsistance , de fragilit et de duret. Un matriau dur est souvent fragile : le verre Les modes de dformation sont : Elastique: La matire reprend sa forme initiale, la dformation est rversible Plastique: La matire garde une dformation rsiduelle et irrversible. Striction: la matire se concentre dans un seul endroit et il y aura une rupture prochaine. 30/01/2014 Campus centre 41 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 2-5/Les proprits des matriaux Essai de traction Courbe de traction: 30/01/2014 Rm Re 0.2 Re Domaine Plastique DomaineElastique Dformation Contrainte (MPa) Point de rupture O A B C D Campus centre 42 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiEssai de traction La surface S est soumise une contrainte normale de traction :

30/01/2014 Campus centre Pourunetractionsimple,la contrainte est la mme sur toute la surface S La contrainte devient alors :43 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiEssai de traction Proprits lastiques : La dformation lastique est rversible Les dformations sont extrmement petites (< 0,001) En premire approximation, les longueurs et les surfaces restent constantes on ne distingue plus valeurs vraies et nominales 30/01/2014 Campus centre 44 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiEssai de traction Proprits lastiques : La loi linaire : = f() La loi de Hooke: = E. Si E est leve le matriau est rigide Si E est faible alors le matriau est souple. 30/01/2014 MatriauxE(Gpa) Diamant1000 Cramique550 Mteaux70-420 Bton20 Elastomre0.003 Campus centre 45 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiAutres essais mcaniques Essai de duret Essai de Vickers Essai de Brinell Essai de Rockwell Essai de flexion de Charpy Essai de fatigue Essai de fluage Coefficient dadhrence et de frottement30/01/2014 Campus centre 46 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiEssai de duret La duret quantifie la rsistance dun matriau la pntration sous une charge F Ilnepermetpasdedterminerdescaractristiques fondamentalesdumatriau,maisilpermetde comparerplusieursmatriauxentreeux,etdesuivre l'volution d'un matriau en cours de traitement Elle dpend de : Dformations lastiques et plastiques Forces de frottement sur la surface du matriaux Gomtrie du pntrateur Force applique 30/01/2014 Campus centre 47 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiEssai de duret :essai de Vickers 30/01/2014 Campus centre L'essai VICKERS consiste mesurer les dimensions d de l'empreinte laisse par un pntrateur pyramidal. .Diamant de forme pyramidale base carre48 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiEssai de duret :essai Brinell 30/01/2014 Campus centre L'essai BRINELL est similaire l'essai VICKERS, mais le pntrateur est une bille.La duret HB est calcule en fonction de la force, du diamtre de le bille D et du diamtre de l'empreinte d : .49 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiEssai de duret :essai Rockwell 30/01/2014 Campus centre on effectue un pr chargement avec une force F0 ; on applique une force supplmentaire F1 puis on la relche ; on regarde la profondeur r que l'on a gagn. Un degr ROCKWELL correspond donc un enfoncement de 0,002 mm. 50 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiEssai de flexionchoc CHARPY 30/01/2014 Campus centre Cet essai consiste rompre une prouvette entaille par un choc. Il permet de tester le matriau dans des conditions de fragilisation : vitesse de dformationleve ; concentrations de contrainte (prouvette entaille) ; diverses conditions de temprature :comme c'est un essai rapide, lprouvette n'a pas le temps de refroidir ni ne de se rchauffer. 51 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiChapitre 3: Proprits mcaniques 30/01/2014 Campus centre 52 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiScience des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi en Mpa (N/mm2). Allongements relatifs : Elasticit linaire (loi de Hooke) si : oz = E .ez 3-1/ Rappels sur llasticit des solides. A-/ Dformation lastique en tension/compression uniaxiale. Fxyzx'y'z'FAAFzyx===ooo00z z zey y yexx xezyx==='''Campus centre 30/01/201453 Grandeurs caractristiques : Le module dlasticit en tension(module dYoung), en MPa ou GPa. Le coefficient de Poisson(si le matriau est isotrope).

La variation relative du volume sous charge : zyzxeeee = = vzzeEo=) 2 1 ('v == AzeVV V30/01/201454 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 3-1/ Rappels sur llasticit des solides. A-/ Dformation lastique en tension/compression uniaxiale. Campus centre FaxyzFqAApplication dans la direction x de la contrainte de cisaillement : en Mpa (N/mm2). Dformation relative:

Elasticit linaire si :

G = module de cisaillement (ou de Coulomb) AFx= tzatg = = u t Gx=30/01/201455 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 3-1/ Rappels sur llasticit des solides. B-/ Dformation lastique en cisaillement Campus centre Application dune pression uniforme p Dformation = variation relative du volume : Elasticit linaire si : K = module de compressibilit VV V = A'A = K pp 30/01/201456 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 3-1/ Rappels sur llasticit des solides. C-/ Dformation lastique en compression uniforme Campus centre Relations entre les constantes lastiques. Llasticit linaire est dcrite par 4 constantes : E, v, G et K. Ces constantes sont relies par les relations : ) 1 ( 2) 2 1 ( 3vv+ = =G EK E30/01/201457 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 3-1/ Rappels sur llasticit des solides. Campus centre 30/01/201458 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi Energie lastique. nergie lastiquee1 o1 AF0LLeA=}= =1022.eeEede U oUe = nergie lastique stocke sous leffet de la contrainte o1 : 30/01/201459 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 3-1/ Rappels sur llasticit des solides. C-/ Dformation lastique en compression uniforme Campus centre Energie lastique et nergie plastique. Re est la limite dlasticit. Au-del, comportement plastique nergie lastiquenergie plastiquee2 o2 Re 30/01/201460 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 3-1/ Rappels sur llasticit des solides. C-/ Dformation lastique en compression uniforme Campus centre Viscolasticit des polymres. AllongementeContrainteHystrsis lastique lors du cyclage dune fonte grise. Courbe de dformation lastique dun lastomre. 30/01/201461 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 3-1/ Rappels sur llasticit des solides. d/ Autres aspects de llasticit des solides. Campus centre A- Lessai de traction.30/01/201462 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi3-2/ Mesure des proprits mcaniques. Campus centre A- Lessai de traction. Courbe nominale de traction dun matriau dformable plastiquement

30/01/201463 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi3-2/ Mesure des proprits mcaniques. Campus centre A- Lessai de traction. Grandeurs mesures sur la courbe de traction dun matriau dformable plastiquement

RsistanceLimite dlasticit en MPa Re ou R0.2 Rsistance la traction en MPa Rm Plasticit ou ductilit Allongement rmanent la rupture en % A% Coefficient de striction en % 00%. 100SS SSrupt=30/01/201464 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi3-2/ Mesure des proprits mcaniques. Campus centre 30/01/201465 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi3-2/ Mesure des proprits mcaniques. Campus centre A- Lessai de traction.

Courbe de traction dun acier recuit (crochet de traction) F/S0e = DL/L0seuild'coulementrupturemodule tangentmodule scantCourbe de traction dun polymre dformable (T > Tg) 30/01/201466 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi3-2/ Mesure des proprits mcaniques. Campus centre A- Lessai de traction. La courbe rationnelle de traction : changement de coordonnes Allongement e ou eruptureCourbe nominalesN = F/S0Courbe rationnellesvraie = F/SRm) 1 (0eSFSFvraie+ = = o) 1 ( ) (00e LnLLLnldl LL+ = = =}cContrainte vraie :Allongement rationnel :Comparaisondes courbes nominale et rationnelle de traction 30/01/201467 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi3-2/ Mesure des proprits mcaniques. Campus centre A- Les essais de duret. Le systme de duret VICKERS dPMatriauVue en plan0 20 100 350 700 1500 4000polymresmtaux pursalliagescramiques traditionellescramiques techniquesdiamant, BNaciers spciauxlimite d' usinabilit5002. 1854dPHPV=Valeur de la duret : P en daN d en mm HV en 10MPa 30/01/201468 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi3-2/ Mesure des proprits mcaniques. Campus centre A- La mesure de la tnacit. Effet dune fissure : la concentration des contraintes 2aarxo0 o0 omax Coefficient de concentration de contrainte Kt: oo aKt2 10max+ = =Le facteur dintensit de contrainte critique (mode I) C C IEG a K C= = t oa = longueur de fissure, oC = contrainte critique, GC = nergie de cration de fissure en J/m2 30/01/201469 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi3-2/ Mesure des proprits mcaniques. Campus centre 30/01/201470 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi A- La mesure de la rsilience (rupture par choc). Permet de comparer des tnacits. 100500Cristallinit=% surface fragileRsilienceTempratureT50Rupture fragileRupture ductile RupturemixteMouton-pendule de CHARPY et chantillon Variation de la rsilience dun acier avec la temprature 30/01/201471 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi3-2/ Mesure des proprits mcaniques. Campus centre Chapitre 4: Equilibre de phases et thermodynamique des solides 30/01/201472 Campus centre Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiRappel Lnergie interne dun solide est value par son enthalpie libre de Gibbs: G = H TS H : nergie des liaisons + nergie de vibration S : entropie de configuration (ordre interne) + entropie de vibration Normalement, la phase qui existe est celle qui prsente le G minimum Nombreux cas de phases mtastables 30/01/2014 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi73 Campus centre Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiPhase : solide homogne caractris par son arrangement atomique et ses proprits. La nature des phases dpend de la composition, de la temprature et de la pression. Nature des phases solides.

Solutions solides terminales. Solutions intermdiaires tendues. Composs chimiquement dfinis , de formule AmBn, (n et m entiers). Diagramme de phases. Reprsentation de la nature des phases dans le plan temprature/composition. Rappel Campus centre 30/01/201474 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 4-1/ Phases et Diagrammes de phases

Rgle de la variance de Gibbs : v = n - | + 2 (car 2 variables thermodynamiques: T et p) n = nombre de composants du mlange | = nombre de phases Pour= 1 atm.:v = n - | + 1

Campus centre 30/01/201475 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 4-1/ Phases et Diagrammes de phases

Mlanges binaires : n = 2v = 3 | Cas dune phase unique : v = 2 -reprsentation par une surface Cas dun mlange de 2 phases : v = 1 - T donne, compositions lies Cas dun mlange de 3 phases : v = 0 - point particulier sur le diagramme Campus centre 30/01/201476 Lamatirechanged'tatselonlapression et la temprature. Parexemple,l'eaupuresouspression atmosphriqueestsousformedeglaceen dessousde0Cetsousformedevapeurau dessusde100C;lephnomneestunpeu plus complexe puisque l'eau peut s'vaporer tempratureambiante,maisonn'ajamais d'eau liquide au dessus de 100 C. 30/01/201477 Campus centre Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 4-1/ Phases et Diagrammes de phases

30/01/201478 Campus centre Lessubstancesseprsententsoustroistatsphysiques distincts : la phase gazeuse, la phase liquide et la phase solide. Lestroisphasessedistinguentparlespacementetla mobilit des molcules. Substance pure gazeuse Substance pure solide Mlange homogne gazeux Mlange homogne liquide Substance pure liquide Mlange htrogne solide 4-1/ Phases et Diagrammes de phases

Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi Onsintresseauxchangementssolide-liquide,mais aussilestransformationsl'tatsolide,toujourssous pression atmosphrique. Nous ne prendrons en compte que la temprature et la composition chimique de la matire. Diagramme de phases: cest un diagramme dquilibre. les variations de tempraturesont infinies et lentes. 30/01/201479 Campus centre Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 4-1/ Phases et Diagrammes de phases

30/01/201480 Campus centre Exemple: eau et selScience des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi 4-1/ Phases et Diagrammes de phases

Les transitions entre les phases 30/01/201481 Campus centre Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiLes transitions entre les phases 30/01/201482 Campus centre L'tat d'quilibre d'un corps pur est dtermin par le triplet(p,V,T)ouencoreunpointdansl'espace;l'ensembledestats d'quilibre forme alors une surface. Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiDiagramme dephase dun corps pur30/01/201483 Campus centre Temprature (C) Pression (kPa) Point triple Point critique SolideLiquideGaz Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiDiagramme dephase dun corps pur30/01/201484 Campus centre Temprature (C) Pression (kPa) 100 200 300 400 -1000100200300 Liquide Solide Gaz Etat physique: Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiDiagramme dephase dun corps pur30/01/201485 Campus centre Temprature (C) Pression (kPa) 100 200 300 400 -1000100200300 Liquide Solide Gaz Temprature de changement de phase: Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiDiagramme de phasedun mlange binaire 30/01/201486 Campus centre Il existe une multitude de cas possibles, mais nous n'en verrons que les trois principaux : Diagramme fuseau unique, dit miscibilit complte ; Diagramme eutectique unique ; Diagramme eutectique et eutectode. Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiDiagrammes miscibilit complte 30/01/201487 Campus centre Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiDiagramme miscibilit partielle 30/01/201488 Campus centre Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiDiagramme miscibilit partielle 30/01/201489 Campus centre Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.SouissiConstruction dun diagramme de phases 30/01/2014 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi90 Campus centre Alliage de composition ABMtal purLorsquunmtalpurenfusionestrefroidi, souspressionconstante,lechangementde phaseseffectuetoujoursunetemprature fixe : le point de fusion Pourraliserunalliage,desproportions dfiniesdeconstituantsdiffrentssont fonduesetmlanges,puislensemble est refroidi.Construction dun diagramme de phases 30/01/2014 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi91 Campus centre PourconstruirelediagrammedephasedunalliagebinaireA-B,ilsuffitdenregistrerles courbes de refroidissement pour chaque concentration de B dans A en partant de A, mtal pur jusqu B, mtal pur. Construction dun diagramme de phases Diagrammes de phases avec miscibilit totale ltat solide 30/01/2014 Science des MatriauxJ.Y.Dauphin_M.Souissi92 Campus centre La courbe de refroidissement du cuivre avec un palier 1084C et la courbe de refroidissement dunickelavecunpalier1453C.Entreces deuxextrmes,lesalliagesdiffrentes concentrationsprsententunintervallede solidification non isotherme. De 0% de nickel 100%denickel,lespointsdinflexion suprieursquicorrespondentaudbutdela solidificationformentunecourbe appeleliquidus,lespointsdinflexion infrieursquicorrespondentlasolidification totale forment une courbe appele solidus. Construction dun diagramme de phases Diagrammes de phases avec miscibilit totale ltat solide 1Composition des phases 30/01/201493 Campus centre La composition massique global de lalliage AB ? Composition de lalliage AB : Temprature>liquidus liquidus>Temprature >SolidusTemprature 1267 1267 1250 1230 1218