30 séances : cours et petites classes alternés
Equipe enseignante : • Y. Bienvenu (Centre des Matériaux)
• N. Billon (CEMEF)
• M. Blétry (Centre des Matériaux)
• E. Busso (Centre des Matériaux)
• S. Cantournet (Centre des Matériaux)
• A.-F. Gourgues (Centre des Matériaux)
• J.-M. Haudin (CEMEF)
• L. Nazé (Centre des Matériaux)
Coordinateurs : A.-F. Gourgues anne-francoise.gourgues@ensmp.fr J.-M. Haudin jean-marc.haudin@ensmp.fr
Matériaux et (nouvelles) technologies
Derrière les innovations technologiques
.... se trouvent souvent les matériaux ! Propriétés gouvernées par des phénomènes
physiques chimiques mécaniques
communs à la plupart des matériaux
Etudier, comprendre et maîtriser ces phénomènes base de conception
innovation
intégrant les matériaux
Exemple : le Panthéon : un ouvrage révolutionnaire... en ruine ?
Une hauteur et une minceur de parois exceptionnelles
grâce à un nouveau procédé : la pierre renforcée de barres de fer
Exemple : le Panthéon : un ouvrage révolutionnaire... en ruine ?
Sous l’effet des chargements mécaniques... et du temps : effondrement ! - Ingénierie de pointe de l’époque : permiers essais de compression
systématiques sur la pierre
- On ignorait l’existence du... fluage (déformation lente dans le temps)
Objectifs du cours « Matériaux pour l’ingénieur »
Quel matériau pour quel produit ?
Pourquoi ?
Comment ?
compréhension
maîtrise
des relations entre
mise en œuvre (micro)structure propriétés d’usage
Organisation du cours Introduction et élaboration
comment synthétise-t-on les matériaux ? qu’y a-t-il dedans ?
4 séances
Mise en forme et propriétés
comment fabrique-t-on les matériaux ? pour quel usage et quelles performances ?
Tenue en service et ingénierie des matériaux
maîtriser la structure et les propriétés des matériaux déterminer la durée de vie et la fiabilité du produit choisir et maîtriser le « bon » matériau
13 séances
13 séances
Première séance : Structure de la matière à l’état condensé Les « briques » constitutives des matériaux et les différentes échelles
du nm au cm : 7 ordres de grandeur ! atomes
liaisons
empilements atomiques solution solide
assemblages de grains et de phases Défauts : omniprésents et essentiels !
« 0D », 1D, 2D, 3D : nature et effets
Atomes (1/6)
métaux (75% des éléments) métalloïdes
autres
halogènes gaz rares
Atomes (2/6) : Température de fusion
C : 3727°C
métaux alcalins : 29 à 180°C
alcalino-terreux : 650 à 1277°C
métaux de transition : -38 à 3410°C
W
La température de fusion indique la « force » des liaisons
Atomes (3/6) : Rayon atomique rayon atomique
rayon
atomique
He : 53 pm
Cs : 262 pm H : 37 pm
Rn : 140 pm
Atomes (4/6) : Rayon ionique (en pm) Rayon ionique ≠ rayon atomique !!!
Atomes (5/6) : Electronégativité
Attraction vis-à-vis des électrons partagés ou gagnés (mesure : Pauling)
F : 4 Cl : 3 Li : 1
K : 0,8
Fe : 1,8
Atomes (6/6) : Synthèse rayon atomique, caractère métallique
rayon ionique, électronégativité, énergie d’ionisation
électronégativité
(sauf mét. transition) rayon ionique
rayon atomique
Tfusion (autres)
Tfusion (mét. transition)
Liaisons (1/6) : Nature des liaisons
liaison covalente (deux non-métaux)
liaison ionique (un métal et un non métal) liaison métallique (deux métaux)
Liaisons physiques :
liaison hydrogène
liaison de Van der Waals Liaisons chimiques :
mixité possible (iono-covalente)
Quelques propriétés régies par les liaisons :
mécaniques (rigidité, déformabilité...)
thermiques (Tfusion, dilatation thermique...)
propriétés de transport (charges, matière, chaleur)
Liaisons (2/6) : Liaison covalente
Mise en commun d’un ou de plusieurs électrons pour remplir la couche externe
Géométrie liée à celle des orbitales
liaison dirigée faible compacité anisotropie
Liaison forte matériaux durs, rigides
Source : www.chem.monash.edu.au
éléments d’électronégativités similaires
Liaisons (3/6) : Liaison ionique
Transfert d’un électron de valence et attraction électrostatique entre les ions
Exemples : halogène + alcalin : NaCl, LiF
Liaison forte matériaux durs, rigides
éléments d’électronégativités très différentes
certains oxydes : Al2O3, MgO
Liaison non dirigée
compacité maximale compatible avec rayons ioniques respectifs neutralité électrique locale
Source : www.chem.monash.edu.au
Liaisons (4/6) : Liaison métallique
Atomes facilement ionisables : électrons de valence faiblement liés au noyau
Liaison entre deux éléments métalliques
Métaux normaux (Al, alcalins...) : liaison assez faible Métaux de transition : composante covalente
mise en commun collective d’électron(s) de valence
Liaison non dirigée compacité maximale
« mer » d’ions positifs + nuage d’électrons délocalisés
Source :
www.chem.monash.edu.au
(effet des sous-couches incomplètes)
liaison plus forte : atomes plus proches, densité
Liaisons (5/6) : Autres liaisons
Liaison hydrogène
Liaison de Van der Waals
oscillations d’un proton entre deux anions très électronégatifs liaison faible
exemples : eau, polymères organiques, ciments
attraction électrostatique entre doublets électrons-noyau pas de recouvrement des nuages électroniques
liaison faible, non dirigée
exemples : polymères, argiles, feuillets de graphite
R R’
O O
H
Liaisons (6/6) : Récapitulation
type de liaison covalente ionique métallique hydrogène Van der Waals
enthalpie d’atomisation (kJ/mol)
Si 450
C (diamant) : 717
LiF 849 NaCl 640 MgO 1000 CaF2 1548
Na : 108 Al : 330 Fe : 414 W : 849
(sublimation à Tfusion)
H2O : 51 NH3 : 35
(sublimation àTfusion)
Ar : 7.5 O2 : 7.5 CO2 : 25 CH4 : 18
liaison dirigée oui non non non non
conductivité électrique
faible (matériaux purs), augmente en cas de dopage
basse
(électronique) à basse
température haute (ionique) à température élevée
élevée basse (isolants)
densité (compacité)
faible élevée compacité élevée
propriétés mécaniques
dureté, fragilité dureté, fragilité déformabilité, plasticité
faible résistance
faible résistance, forte compressibilité
température de fusion (°C)
élevée élevée faible à élevée faible très faible
Empilements d’atomes (1/8) : Ordre à courte distance
Coordinence : nombre de premiers voisins
Exemple : solides ioniques : en fonction de rayons ioniques respectifs
charges des cations et des anions
Gaz Matière condensée (liquide, solide)
« Courte » ou « longue » distance : par rapport aux distances interatomiques
W.D. Kingery, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann, Introduction to Ceramics, 1976, p. 26
Empilements d’atomes (2/8) : Ordre à longue distance Pas d’ordre à longue distance liquides, verres
Ordre à longue distance cristaux
cristal de silice verre de silice verre de silicate
Y-M. Chang, D.P. Birnie III, W.D. Kingery,
Empilements d’atomes (3/8) : Transition vitreuse et cristallisation
Volume
Vapeur
Liquide Liquide
surfondu Verre
Cristal
T
Volume
Ref. rapide
Ref. lent
T Liquide
Refroidissement à partir de l’état gazeux ou liquide
cristallisation : transition isotherme avec dégagement de chaleur transition vitreuse : sans dégagement de chaleur
Le verre a les propriétés d’un solide
≥
Y-M. Chiang et coll.,
Physical Ceramics, 1997, p. 81
Empilements d’atomes (4/8) : Cristaux
Disposition des atomes : périodique en 3D
ordre à longue distance Invariance par translation selon un vecteur du réseau
nœud du réseau On place généralement l’origine sur un atome
un atome sur chaque nœud du réseau
Il peut avoir des atomes ailleurs que sur les nœuds du réseau
réseau cristallin
Empilements d’atomes (5/8) : Cristaux et symétries
Isométries laissant le réseau globalement invariant
doivent être compatibles avec la périodicité
Combinaisons d’une rotation + translation ou inversion (symétrie centrale) seuls angles de rotation possibles :
1 , 2 2 , 2 3 , 2 4 , 2 6
2π π π π π
Les axes de rotation passent par un même point 32 groupes ponctuels
dont 21 ne possèdent pas de centre de symétrie exemple : matériaux piézoélectriques
Empilements d’atomes (6/8) : Réseaux de Bravais
a b c
α β γ
Empilements d’atomes (7/8) : Métaux
Liaison métallique non dirigée compacité
degré de symétrie élevés Structure de la plupart des métaux purs (normaux ou de transition) :
cubique à faces centrées (CFC)
Al, Ni, Cu, Au, Ag, Pt, Pb...
cubique centrée (CC)
Li, Na, K, Nb, Mo, Ta...
hexagonale compacte (HC)
Mg, Zn...
compacité 0,74 compacité 0,68 compacité 0,74
Empilements d’atomes (8/8) : Solides ioniques
Structure partiellement régie par le nombre de coordinence (premiers voisins) empilement quasi-compact d’anions (oxygène, soufre...)
les cations se placent périodiquement dans les interstices disponibles
CFC : NaCl, LiF, ZnS (blende), Na2O, BaTiO3...
HC : ZnS (würtzite), Al2O3, Fe2O3, Cr2O3...
Solution solide (1/3) : Position des solutés dans le réseau cristallin
Soluté en insertion (interstitiel)
Soluté en substitution (substitutionnel)
« petit » élément
dans les métaux courants : C, H, N, O
Solution solide (2/3) : Sites interstitiels dans le réseau cristallin
2 mailles
CC
CFC
Exemples : structures CC et CFC
Sites tétraédriques (coordinence 4) Sites octaédriques (coordinence 6)
RT = 0,288 Rat
RO = 0,150 Rat
RO = 0,414 Rat
Solution solide (3/3) : Ordre à courte, à longue distance La position des atomes de soluté suit-elle une distribution périodique ?
OUI NON
solution solide ordonnée solution solide désordonnée
Transitions ordre-désordre : Ni-Cr, Ti-Al...
Assemblage de cristaux (1/7) : Grains 1 grain = 1 cristal + 1 orientation
Rupture le long des interfaces entre grains
H. Gleiter, Acta Mater. 48 (2000), p. 3
Vue en coupe
Alliage Ni-20Cr
G. Calvarin-Amiri, thèse de doctorat, Orsay 1998
20 µm
Assemblage de cristaux (2/7) : Texture
Distribution de l’orientation des grains anisotropie des propriétés Texture cristallographique : distribution statistique de l’orientation des grains
400 µm
Exemple : détermination quantitative sur du nickel
Assemblage de cristaux (3/7) : Texture
Distribution de l’orientation des grains anisotropie des propriétés texture cristallographique : orientation cristalline
texture morphologique : anisotropie de forme
direction de fabrication de la barre
Exemple : alliage de cuivre (CFC)
Assemblage de cristaux (4/7) : Phases
Les phases peuvent être à l’équilibre (thermodynamique) ou hors équilibre
50 nm
verre biphasé
(microscopie électronique en transmission)
Y.M. Chiang, W.D. Kingery,
Journal of the American Ceramics Society vol. 66 (1983) pp. C171-C172
Une phase :
composition chimique
structure cristallographique (si la phase est cristalline) orientation cristalline (si la phase est cristalline)
Assemblage de cristaux (5/7) : Phases formées in situ
Plaquettes Al2Cu
dans un alliage Al-4%Cu
Monocristal biphasé à base nickel pour aubes de turbine aéronautiques Maîtrise de ces assemblages : cf. TD sur les traitements thermiques
F. Gallerneau, thèse de doctorat, F. Barlat, J. Liu, 1998
Assemblage de cristaux (6/7) : Phases formées ex situ (« composites »)
Exemple : composite pour anneau de disque de turboréacteur
Fibres SiC (âme W)
Matrice : alliage de titane (Ti6242)
Matériaux composites : une matrice (polymère, métallique, céramique) des renforts : fibres (verre, carbone, polymères...)
particules Adhésion des renforts à la matrice ???
S. Hertz-Clémens, thèse de doctorat, ENSMP, 2002
Assemblage de cristaux (7/7) : Matériaux multi-échelles Exemple : acier inoxydable moulé pour tuyauteries
Echelle macroscopique : gros grains « de fonderie »
Echelle microscopique : deux phases percolantes
Echelle nanoscopique : la ferrite vieillie
est biphasée
20 mm
1 mm
10 nm phases au
chrome
D. Blavette et coll.,
Défauts : classification
Classification par types de défaut ponctuels (0D) linéaires (1D) surfaciques (2D) volumiques (3D)
Une structure n’est parfaite que sur des volumes très faibles Toute structure comporte des défauts
Défauts ponctuels (1/2) : Caractéristiques
Types de défauts : lacune, auto-interstitiel (rare), soluté en insertion ou en substitution Solides ioniques : préserver la neutralité électrique locale 2 défauts associés
d’après
www.ocw.mit.edu
Défauts ponctuels (2/2) : Effets Impact des défauts ponctuels sur les propriétés des matériaux Propriétés liées aux phénomènes de transport
matière : diffusion grâce aux lacunes (cf. cours 3)
charges électriques : conduction dans les solides ioniques
en particulier : propriétés mécaniques et stabilité chimique à haute température (> 0,3 Tf)
Exemple : régulation de l’injection dans les moteurs automobiles par sonde λ
conductivité par ions oxygène
zircone ZrO2 cubique stabilisée, riche en lacunes d’oxygène indice d’octane 87 : il faut 14,7 fois plus d’air que de carburant
pour minimiser les rejets nocifs
Défauts linéaires (1/6) : Définition des dislocations Distorsion locale d’un réseau cristallin parfait
Existence postulée dès 1934 (Orowan, Polanyi, Taylor, Burgers)
1 µm
dislocations dans un alliage de titane
cliché : Centre des Matériaux
Observation dans les années 1950 (microscopie électronique)
Défauts linéaires (2/6) : Dislocation coin Frontière d’un demi-plan « supplémentaire »
Définition du défaut : vecteur de Burgers b
Circuit fermé avec la dislocation
Défaut de fermeture du même circuit dans le réseau parfait défaut de fermeture d’un circuit initialement fermé
vecteur du réseau parfait b ⊥ dislocation coin
b
Défauts linéaires (3/6) : Dislocations en 3D
b b
b // dislocation : dislocation vis
b ⊥ dislocation : dislocation coin
cas extrêmes :
vis (b // dislocation) coin (b ⊥ dislocation) cas intermédiaires :
mixtes vis + coin
Défauts linéaires (4/6) : Energie d’une dislocation
d Energie par unité de longueur : µ b²
µ : module de cisaillement
b : norme du vecteur de Burgers
Les dislocations les plus probables sont celles de plus faible b
« directions denses »
Déplacement des dislocations : dans les plans les plus éloignés les uns des autres
« plans denses »
b
Défauts linéaires (5/6) : Systèmes de glissement
Exemple : structure CFC plans denses : {111}
x + y + z = constante x - y + z = constante etc...
(⊥ aux grandes diagonales du cube)
directions denses : <110>
(d’un nœud au centre d’une face voisine)
Structure CC : b = <111> (d’un nœud au centre du cube)
www.msm.cam.ac.uk/phase-trans
Défauts linéaires (6/6) : Effets
Impact des défauts linéaires sur les propriétés des matériaux Déformabilité
le déplacement des dislocations conditionne la plasticité déformation irréversible, indépendante du temps,
peu endommageante en général
exemple : mise en forme des métaux et alliages métalliques emboutissage de tôles pour l’automobile...
Phénomènes de transport
diffusion plus facile le long des dislocations que dans le réseau
à éviter à tout prix dans les semi-conducteurs purs (micro-électronique) (font chuter leur résistivité électrique)
Défauts surfaciques (1/8) : Définition
Types les plus courants de défauts surfaciques : surfaces libres
interfaces entre phases
joints de grains = interfaces entre grains fautes d’empilement
...
Défauts surfaciques (2/8) : Surfaces libres Perturbation du voisinage des atomes de surface
perte de certains premiers et seconds voisins Energie importante
adsorption facile d’espèces chimiques ou de particules (poussières) exemple : salles « blanches » en micro-électronique
L’énergie de surface d’un cristal dépend de l’orientation du cristal sous-jacent principe de la révélation des grains par attaque chimique
gouverne la réactivité de la surface (oxydation, etc...)
Alliage 600
(cliché Centre des Matériaux)
microscopie optique
après attaque oxydante
Défauts surfaciques (3/8) : Interfaces interphase
La structure de l’interface dépend de la structure et de la cristallographie des phases
incohérente (forte énergie) cohérente (distorsions élastiques)
Défauts surfaciques (4/8) : Joints de grains Joints plus ou moins cohérents (coïncidence)
Joints de macle : symétrie par rapport au plan de joint, avec coïncidence parfaite dans ce plan
H. Gleiter, Acta Mater. 48 (2000), p. 3 Alliage 600 (base nickel)
cliché : Centre des Matériaux
Défauts surfaciques (5/8) : « Nanograins » ?
10 nm Grains « micro » :
volume de joints ≈ 0
Grains « nano » :
volume de joints jusqu’à 10%
« bi-matériau »
Défauts surfaciques (6/8) : Fautes d’empilement
Exemple : CFC
Empilement des plans denses
A B
faute
d’empilement Changement local de structure
cf. transformations de phase
Défauts surfaciques (7/8) : Energie d’interface
Métal ou alliage Surface libre (T = Tfusion)
Joints de grains Joints de macle incohérents
Joints de macle cohérents
Fautes d'empilement
Al 1080 (660°C) 324 (450°C) 100 200
Ag 1136 (961°C) 375 (950°C) 126 8 25
Au 1400 (1063°C) 378 (1000°C) 15 30 à 50
Cu 1710 (1083°C) 615 (925°C) 498 23 40 à 55
Acier inox. 304 2088 (1421°C) 835 (T= ?) 209 7 à 19 15
W 2634 (3410°C) 1080 (2000°C)
Exemple : métaux et alliages métalliques
En termes d’énergie :
surface libre > joints incohérents > fautes d’empilement > joints cohérents
Défauts surfaciques (8/8) : Effets Impact des défauts surfaciques sur les propriétés des matériaux Propriétés régies par les surfaces libres et les interfaces
lieux de diffusion rapide (conductivité, déformation à chaud, précipitation...) énergie élevée réactivité chimique élevée, fragilité possible
fissuration, corrosion
résistance à la déformation plastique (obstacle au mouvement des dislocations) dureté
durée de vie sous sollicitations mécaniques cycliques...
Défauts volumiques (1/2) : Caractéristiques
Cavités : porosités (céramiques, métallurgie des poudres) retassures (défauts de fonderie)...
Inclusions de matière étrangère au matériau poussières de creusets
oxydes lors de l’élaboration d’un métal liquide...
Phases non désirées
impuretés chimiques insolubles dans le matériau (Fe dans Al...) phases apparues en service (vieillissement)...
Phases au fer dans un alliage d’aluminium
(Asserin-Lebert et coll., 2002)
10 µm
500 µm
Défauts volumiques (2/2) : Effets
Impact des défauts volumiques sur les propriétés des matériaux perte de rigidité
briques réfractaires : accommodation de la dilatation thermique et des déformations imposées par le mortier
points faibles mécaniquement (concentrent les contraintes)
sensibilité à la corrosion par piqûre
rupture des matériaux très déformables
(couplage galvanique avec le reste du matériau)
Défauts : Synthèse
Leur existence requiert une certaine énergie
probabilité d’existence, fréquence, concentration (lacunes)...
Ils gouvernent
les propriétés mécaniques (dureté, déformabilité, rupture) les propriétés de transport (diffusion)
... et bien d’autres encore ! Ils interagissent entre eux
exemple : interaction entre les dislocations et les autres défauts cf. cours sur le durcissement des matériaux métalliques
Les grandes familles de matériaux (1/4)
Organiques
Métalliques
Composites
polymères, élastomères
métaux et alliages
matrice + renfort(s)
covalentes
H / Van der Waals métallique
Céramiques grande diffusion : ciments, briques, bétons, porcelaines techniques : oxydes,
carbures, nitrures
covalente, ionique, iono-covalente
ceux des constituants interfaces
Matériaux représentants types de liaisons
Les grandes familles de matériaux (2/4)
Famille de matériaux Métaux Polymères et élastomères Céramiques et verres
Densité élevée faible faible
Rigidité (module d’Young) élevée faible élevée
Coefficient de dilatation thermique
moyen élevé faible
Dureté élevée faible à élevée (fibres) élevée
Ductilité (déformation à rupture)
élevée (plasticité) élevée sauf à l’état vitreux faible et aléatoire Conductivité électrique,
thermique
élevée faible (isolants) électrique : faible thermique : élevée Résistance à
l’environnement (corrosion)
faible en général élevée élevée
Température max.
d’utilisation
élevée faible (toujours < 200°C) très élevée
Mise en forme facile (déformation) très facile (moulage) difficile (frittage)
Les grandes familles de matériaux (3/4)
Module d'Young (GPa)
1e-003 0.01 0.1 1 10 100
céramiques métaux et alliages
polymères
mousses métalliques mousses
organiques
cuir
liège bois
composites à fibres
Les grandes familles de matériaux (4/4)
liège
cuir bois
carbures
métaux et alliages polymères
mousses métalliques
mousses organiques
composites
verres, oxydes
brique pierre
1 1027
Conclusions
« Briques élémentaires » de la structure des matériaux
multi-échelles : du nm au cm soit au moins 7 ordres de grandeur !
Défauts : régissent les propriétés des matériaux « réels »
La suite du cours abordera l’agencement de ces différentes « briques »
Cristallographie : fondamentale pour comprendre les mécanismes de déformation l’anisotropie des propriétés
PC (séance 2) : quelques éléments indispensables en sciences des matériaux les changements de phase
