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e
Plan d cours Plan de cours
Objectifs:
Besoins de
connaissances sur les matériaux
Choix de la famille de
matériaux (métaux,céramiques...)
Choix de la classe d’un
matériaux (acier, alliage d’aluminium...)
Choix du matériau (acier inoxydable 304, 6061
Al)
Besoins du marché :
définition du problème
Concept (exploration
de solutions au
problème)
Définition générale
du produit
Détails (optimisation de
forme, fabrication et assemblage...)
Produit
Besoins de
connaissance sur
les procédés de
fabrication
Choix de la famille de
procédés (mise en forme, traitement de
surface...)
Choix de la classe de
procédés (moulage, déformation,...)
Choix du procédé (moulage par injection)
Introduction Introduction
Objectif cours 1,2 et 3:
• Vue d’ensemble du monde des matériaux et leurs implications dans le processus de conception
• Connaître les trois classes de matériaux – Caractéristiques macroscopiques
– Caractéristiques microscopiques
• Relation contrainte déformation ductile/fragile/élastique N‐L
• Analyse d’un essai de traction – Limite d’élasticité,
– limite à la rupture,
– allongement à la rupture
– module d’élasticité.
• Autres propriétés physiques des matériaux
Historique Historique
En 200 ans le nombre de matériaux disponible à l’ingénieur est passé de
quelques centaines à près de 200000
Ashby (2007)
Historique Historique
Ashby (2005)
Historique Historique
Évolution des matériaux dans les aspirateurs :
a) 1905
b) 1950
d) 1985
d) 1998
Ashby (2007)
Classification Classification
Par domaine d’application : génie mécanique
Ashby (2007)
Classification Classification
Par domaine d’application : Aéronautique
Ashby (2007)
Classification Classification
Par domaine d’application : Génie civil et architecture
Ashby (2007)
Classification Classification
Par domaine d’application : biotechnologie
Ashby (2007)
Classification Classification
Par la nature atomique :
Classification Classification
Tous les matériaux solides sont regroupés sous 3 (ou 5)classes :
Ashby (2007)
Classification Classification
To us les matériaux solides sont regroupés sous 3 (ou 5)classes :
Consommation
Mat
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n f
ort
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ois
san
ce
Consommation
Consommation mondiale annuelle des matériaux (Ashby 2007)
Matériaux de construction
dominant
10x plus que tous les autres
métaux combinés
Consommation comparables
Ashby (2007)
Classification Classification
Ashby (2007)
Les matériaux d’une même classe auront des propriétés de base similaires : •Module d’élasticité •Limite d’élasticité •Expansion thermique •Conduction thermique •Conduction électrique
Classification
Classification
Les matériaux d’une même classe auront des propriétés de base similaires : •Module d’élasticité •Limite d’élasticité •Expansion thermique •Conduction thermique •Conduction électrique
Les familles occupent des régions discrètes
Échelle logarithmique
Sélection des matériaux Sélection des matériaux
Fonction
Matériaux Forme
Tous ces choix sont interdépendants
Procédé de fabrication
Un matériau pour une application donnée doit répondre aux quatre exigences suivantes:
• Exigences physiques • Exigences techniques • Exigences économiques • Exigences sociales/environnementales • Exigences inconnues
Sélection des matériaux Sélection des matériaux
Processus de sélection dans lors de la conception d’un produit:
Fonction Que fait le
composant ? Contraintes Quelles conditions
non négociables sont rencontrées
Objectifs Qu'est‐ce qui doit être maximisé ou minimisé ?
Variables libres Quels paramètres
du problème sont modifiables par le concepteur?
Sélection des matériaux
Les
con
cep
ts
Sélection des matériaux
• Exemple de la conception d’un tire‐bouchon
La solution retenue
Ashby (2007)
Sélection des matériaux Sélection des matériaux
Choix du matériau pour le bras de levier du tire‐bouchon
Fonction Levier (poutre en flexion)
Contraintes • Assez rigide • Assez solide • Assez tenace • Résiste à la corrosion dans l’eau et le vin • Longueur est spécifiée
Objectifs Minimiser le coût
Variables libres Choix du matériau Choix de la section (normale sur le dessin)
Sélection des matériaux Sélection des matériaux
Choix du matériau pour le bras de levier du tire‐bouchon
Propriétés des matériaux Propriétés des matériaux
Pour utiliser convenablement un matériau il faut connaitre et caractériser ses propriétés physiques
Mécaniques Thermiques
Propriétés
Électriques, magnétiques et
optiques
Chimiques
Propriétés des matériaux Propriétés des matériaux
Propriétés mécaniques Propriétés thermiques
Ashby (2007)
Propriétés des matériaux Propriétés des matériaux
Propriétés électriques, magnétiques et optiques
Propriétés chimiques
Ashby (2007)
Aspect environnementaux P
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(200
6)
Aspect environnementaux
Croissance de la demande en matériaux est exponentielle:
• Augmentation du niveau de vie
• Augmentation démographique
Aspect environnementaux Aspect environnementaux
Cycle de vie d’un produit Comment réduire l’empreinte écologique ? • Concevoir le produit de manière à réduire la quantité de matériel et d’énergie nécessaire et la quantité de résidus générés à chacune des phases du cycle de vie.
• Prévoir ce qui advient du produit une fois sa durée de vie terminée.
Puisque les ressources
de la planète ne sont pas infinies, la vie d’un produit doit être
considérée comme un
cycle et non comme
un processus linéaire allant de l’extraction à
l’élimination.
Ashby (2007)
Aspect environnementaux Aspect environnementaux
Comment réduire l’empreinte écologique ? Mettre de l’emphase sur la phase la plus énergivore du cycle de vie du produit. Pour la gestion des matières résiduelles : 3RVE (prioriser cet ordre)
– Réduction à la source; – Réutilisation; – Recyclage; – Valorisation; – Enfouissement.
Ashby (2007)
Aspect environnementaux Aspect environnementaux
• Facteurs influençant la quantité de matériaux et d’énergie utilisés
Ashby (2007)
Aspect environnementaux Aspect environnementaux
Comparaison de l’énergie de production des matériaux (par masse)
Ashby (2007)
Aspect environnementaux Aspect environnementaux
Comparaison de l’énergie de production des matériaux (par volume)
Ashby (2007)
Aspect environnementaux Aspect environnementaux
Étude de cas: Eco‐sélection du matériau (i) barrière d’autoroute et (ii) pare-choc
Ashby (2007)
Aspect environnementaux In
dic
es
de
per
form
ance
d
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iau
Aspect environnementaux
Exemple d’éco‐sélection du matériau (i) barrière d’autoroute et (ii) parechoc
Ashby (2007)
Aspect environnementaux Aspect environnementaux
Exemple d’éco‐sélection du matériau (i) barrière d’autoroute
Ashby (2007)
Aspect environnementaux Aspect environnementaux
Exemple d’éco‐sélection du matériau (ii) pare-choc
Ashby (2007)
Rappel sur les dimensions et unités Rappel sur les dimensions et unités
Dimensions et unités ?
Rappel sur les dimensions et unités Rappel sur les dimensions et unités
Dimensions fondamentales ou de base: – Longueur L – Masse M – Temps t – Température – Courant électrique I – Intensité lumineuse Iv
– Quantité de matière N Dimensions secondaires (groupements formés à partir d’unités fondamentales) exemple:
- Volume L3
- Densité M/L3
- Force ML/t2
- Pression M/(t2L) - Etc…
Rappel sur les dimensions et unités Rappel sur les dimensions et unités
Système International (SI) voir site http://www.utc.fr/~tthomass/Themes/Unites/
Rappel sur les dimensions et unités Rappel sur les dimensions et unités
Attention à l’uniformité des dimensions et des unités dans les formules
Préfixe Symbole Facteur
Yotta Y 1024
Zetta Z 1021
Exa E 1018
Peta P 1015
Tera T 1012
Giga G 109
Mega M 106
Kilo k 103
Hecto h 102
Deka da 101
Préfixe Symbole Facteur
Deci d 10‐1
centi c 10‐2
milli m 10‐3
micro 10‐6
nano n 10‐9
pico p 10‐12
femto f 10‐15
atto a 10‐18
zepto z 10‐21
yocto y 10‐24
Rappel sur les dimensions et unités Rappel sur les dimensions et unités
Nombre sans dimension et effets d’échelle
Les matériaux de la semaine A
ttributs
Les matériaux de la semaine
Béton
Classification Céramique
Prix ($/kg) 0.05
Densité (kg/m3) 2300 ‐ 2600
Module d’élasticité (GPa) 15 ‐ 25
Résistance compression (MPa) 14 ‐ 70
Résistance traction(Mpa) ‐
Le béton est un composite très complexe et peu cher. La matrice est du ciment; le renfort, un mélange de sable et de gravier ('agrégat'), occupant 60‐80% du volume. L'agrégat accroît la rigidité et réduit le coût. Le béton est résistant en compression mais craque facilement en traction. Ceci est combattu en ajoutant des renforts d'acier. Le béton renforcé peut supporter des charges utiles même lorsque craqué. Composition (résumé) 6:1:2:4 Eau: ciment Portland : Agrégat fin : Agrégat grossier