Les caractérisations mécaniques

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3	Les grandes classes de matériaux
	Classification des matériaux
	 Nature des liaisons  Trois grandes classes de matériaux solides :
			métaux, céramiques, polymères
	 Matériaux naturels
	 Matériaux composites
1. Introduction
1. Introduction
Elastomères
(caoutchouc, silicones..
Polymères,
Thermoplastiques
(polystyrene,polyéthylène,PVC
Thermodurcissables
(résines)
Mousses
(polystyrène expansé)
Bois
soie
Matériaux 
Naturels
coton, cuir
papier 
Matrice céramique
Matériaux
Composites
Matrice métallique
matrice polymère
Verres
bétons
Céramiques,
verres
céramiques techniques
(alumine, diamant,..
Porcelaine
 
Aciers
Aluminium
or
Métaux et alliages
bronze
fontes
……...
Les quelques dates rappelées ci-dessous montrent que l’évolution des techniques est étroitement liée à la découverte et à la production de masse de nouveaux matériaux : le rail de chemin de fer est produit en masse par le convertisseur Bessemer, les circuits intégrés font appel aux monocristaux, le béton que nous connaissons aujourd’hui n’existerait pas sans le ciment Portland, etc. Toutes les familles de matériaux sont concernées par une concurrence de plus en plus vive (qu’on pense à la concurrence entre béton, bois, verre et métal dans le bâtiment) et une diversification croissante (il existe à ce jour plus de 3000 nuances d’aciers, dont la moitié n’existait pas il y
a cinq ans).
-8000 Briques en boue et argile ; apparition de la poterie : vaisselle en céramique (Proche-Orient)
-8000 Martelage du cuivre natif en Asie : débuts de la métallurgie
-5000 Mortier pour joints de briques en bitume ; travail de la laine (textile)
-4000 Bronze fondu (Orient) (vers -3500 en Egypte et -1800 en Europe)
-3500 Premières utilisations du plomb (conduites)
-3000 Objets en verre (-2500 : perfectionnement par les Egyptiens)
-2500 Débuts de la sidérurgie (Orient) (>1100°C)
-1700 Première apparition de l’acier (Hittites)
-1000 Mortier de chaux et chaux hydraulique
-300 Aciers dits « de Damas » obtenus par fusion
-250 Parchemin (Pergame)
-100 Papier (Chine) ; soufflage du verre (Phéniciens) ; béton (Romains)
5e s. Transformation du fer en acier (Celtes)
7e s. Premières porcelaines en Chine (cuisson : 1200 à 1300°C)
14e s. Haut-fourneau et première fonte liquide
15e s. « Cristallo » : verre très transparent (Venise)
1590 Verre flint au plomb, pour optique (microscopes, télescopes)
18e s. Premières porcelaines dures en Europe (gisements de kaolin)
1709 Première coulée de fonte au coke (Darby)
1738 Production du zinc métallique par distillation
1784 Four de puddlage (Cort) : décarburation de la fonte par brassage
1824 Ciment Portland (J. Aspin)
1839 Vulcanisation du caoutchouc (C. Goodyear)
1848 Béton armé (première poutre en 1867 par Monier)
1855 Conversion de la fonte en acier par procédé Bessemer : production en masse de l’acier
1856 Premier colorant de synthèse : l’aniline (Perkin)
1870 Première matière plastique artificielle : le celluloïd (Hyatt)
1883 Première cellule solaire au sélénium (C. Fritts)
1886 Commercialisation de l’aluminium par le procédé Héroult/Hall
1899 Première matière plastique de synthèse : la galalithe (W. Krische et A. Spitteler)
1905 Aciers inoxydables : début de la production industrielle et de la classification
1909 Métallurgie des poudres
1909 Bakélite : premier thermodurcissable de synthèse (L. Baekeland)
1911 Découverte de la supraconductivité dans le mercure à 4K (H.K. Onnes)
1916 Monocristaux de métaux (J. Czochralski)
1924 Pyrex (Corning)
1927 Plexiglas (O. Röhm)
24 Matériaux pour l’ingénieur
1929 Béton précontraint
1931 Caoutchouc synthétique (néoprène) (J. Nieuwland)
1937 Nylon (W. Carothers) et PVC
1947 Fonte à graphite sphéroïdal
1947 Invention du transistor au germanium (Bell : J. Bardeen, W.H. Brattain, W.B. Shockley)
1947 Céramiques piézoélectriques : aiguilles de phonographe en titanate de baryum
v. 1950 Multiplication des polymères synthétiques, composites
1951 La microscopie à champ ionique montre des atomes pour la première fois
1952 Verre flotté (Pilkington) : production de vitrages en continu
1953 Polyéthylène à haute densité (catalyse Ziegler)
1954 Première vitrocéramique (découverte accidentelle, Stookey)
1958 Premier circuit intégré (Texas instruments : J.S. Kilby)
v. 1960 Début des fibres optiques
1968 Affichage par cristaux liquides (RCA)
v. 1980 Béton hautes performances (exemple : ponts à très grande portée)
1985 Fullerènes (C60)
1991 Nanostructures
2000 Béton ultra-hautes performances
Classification des matériaux de construction
.
Les matériaux de construction sont les matériaux qui ont la propriété de résister contre des forces importantes:
Pierres 
Terres cuites 
Bois 
Béton 
Métaux, etc. 
Les matériaux de protection sont les matériaux qui ont la propriété d'enrober et protéger les matériaux de construction principaux:
Enduits 
Peintures 
Bitumes, etc. 
1. Introduction
Elaboration fontes et aciers
coulée
élaboration
Élaboration Aluminium
Élaboration du Zinc
Deux groupes de minerais sont exploités : les minerais oxydés, type calamine (carbonate et silicate de zinc), et surtout les minerais sulfurés, type blende (sulfure de zinc mêlé de sulfure de plomb). L'enrichissement du minerai s'effectue généralement par flottation. Avant traitement métallurgique, on procède à un grillage pour amener les concentrés à l'état d'oxyde. Les deux procédés d'élaboration sont la voie sèche (voie thermique) et la voie humide par électrolyse (ou hydrométallurgie), aujourd'hui prépondérante.
L'extraction par voie thermique est fondée sur la réduction de l'oxyde de zinc par le carbone ou l'oxyde de carbone à haute température (environ 1 000 °C), le métal passant à l'état de vapeur, que l'on condense. Un raffinage par liquation au four ou/et par distillation fractionnée est ensuite nécessaire pour obtenir le métal pur. L'extraction par voie humide se fait par électrolyse d'une solution de sulfate de zinc obtenue par lixiviation, décantation et filtration ; elle donne un métal de grande pureté
Élaboration du Cuivre
À l'état natif, le cuivre se trouve principalement sous forme de sulfure (chalcopyrite CuFeS2). Les minerais contiennent assez peu de cuivre (moins de 5 %) mais contiennent d'autres métaux, en particulier du fer et des métaux précieux (argent, or, platine), parfois du nickel et du cobalt, qui en sont également extraits.
Les caractéristiques des matériaux
	 Classement des propriétés des matériaux en 6 catégories (en fonction des agents auxquels ils sont exposés) :
		Mécaniques	Electriques
		Thermiques	Magnétiques
		Optiques	Chimiques
	 
1. Introduction
Caractérisation mécanique
	 Caractéristiques mécaniques des matériaux doivent être définissables sans ambiguïté en fonction des qualités ou des capacités attendues
	 Pas indépendantes des conditions de mesure
Présentation des grandeurs mesurables
Essais permettant de les obtenir
1	Propriétés mécaniques des matériaux
1.1	Qualités mécaniques attendues
	 Rigidité : déformation réversible faible par rapport au chargement 
appliqué (≠ souplesse)
	 Résistance aux efforts : 
 (a) rupture : aptitude à ne pas se rompre sous l'effet d'un chargement
 (b) plastification : aptitude à ne pas se déformer de manière irréversible sous l'effet d'un chargement
	 Ductilité : capacité à se déformer avant de rompre
	 Résilience : capacité à emmagasiner de l'énergie au cours d'une déformation élastique
	 Ténacité : capacité à absorber de l'énergie au cours d'une évolution
irréversible (plastification, rupture)
	 Résistance à la fatigue : capacité à supporter des sollicitations mécaniques cycliques plus ou moins régulières, alternées, répétées…
	 Résistance aux chocs : capacité à absorber de l'énergie lors d'une rupture par choc
	 Dureté : résistance à l'enfoncement d'un pénétrateur (liée à la résistance à la plastification)
	 Résistance au fluage : aptitude à durer sous l'effet d'une charge imposée à température élevée
	 Résistance à la propagation de fissures : sensibilité à l'effet d'entailleAmortissement : incapacité à restituer au cours de la relaxation des sollicitations qui lui sont appliquées toute l'énergie emmagasinée lors de la mise en charge 
	 Résistance à l'usure : résistance à l'enlèvement de matière par frottement (couple de matériaux)
	 Corrosion sous contrainte : couplage de deux sollicitations (chimique et mécanique)
1.2	Caractéristiques mécaniques des matériaux
	Modules d'élasticité



E
G
Module de Young E
Pente de la courbe contrainte - déformation 
dans le domaine élastique en traction pure 
ou en flexion (unité : Pa)
Module de Coulomb G
Pente de la courbe cisaillement - glissement 
dans le domaine élastique en torsion pure
(unité : Pa)
	Résistance à la rupture
	Charge maximale applicable à une section d'éprouvette sollicitée en traction pure sans rupture (unité : Pa)
	Limite d'élasticité
	Charge maximale applicable à une section d'éprouvette sollicitée en traction pure sans entraîner de déformation plastique (unité : Pa)
R=
Fmax
S0
e=
Fe
S0
	Allongement et striction
	- Allongement relatif de l'éprouvette de longueur initiale 0 après rupture
	- Striction : variation relative de la section après rupture
	Ténacité
	
	- Résistance à la rupture d'un matériau en présence d'une fissure (ou résistance à la propagation de fissure)
	- K1C facteur d'intensité de contrainte critique (unité : )
A%=

0
%=
S
S0
m
MPa
	- Amplitude des contraintes à la pointe de la fissure
	- I indique le mode de sollicitation tendant à ouvrir l'entaille
Mode I
(ouverture)
Mode II
(glissement droit)
Mode III
(glissement vis)
	Résistance aux chocs ou résilience
	
	- Energie absorbée lors de la rupture par choc en traction ou en flexion
	(unité : J/cm2)
	- Dépend des conditions de choc (plusieurs types d'essais)
	- KCV, KV, KCU
	Limite d'endurance conventionnelle
	- Contrainte maximale pour laquelle le matériau peut endurer une infinité de cycles sans rompre (unité : Pa)

log(N)
107
106
105
104
103
	Résistance au fluage
	
	- Contrainte qui à une température donnée entraîne une vitesse de déformation de 0,001% par heure
	- Contrainte 1000 , 10000 … entraînant à une température donnée la rupture après une durée de 1000h, 10000h…
	Dureté
	- Plusieurs échelles de dureté : Vickers, Rockwell, Brinell…
	- Force appliquée sur le pénétrateur / surface de l'empreinte
	- Profondeur de pénétration de l'indenteur
	- Considérée comme une grandeur repérable (sans unité)
	Seuil de non propagation en corrosion sous contrainte
	
	- K1SCC = limite inférieure de K1C obtenue en milieu corrosif 
	- Valeur maximale de K1C pour laquelle une fissure ne se propage pas quel que soit le temps de maintien en milieu corrosif
	Capacité d'amortissement
	- Frottement interne au matériau
	- énergie dissipée par le matériau au cours de sollicitations cycliques
K1C
log(t)
K1SCC
	Coefficient de frottement et vitesse d'usure
	
	- Caractérisation de deux matériaux et de l'environnement (air, graisse…)
	- Coefficient de frottement f
Pn
Pn
Pt
Pt
	- vitesse d'usure proportionnelle à
			(1) action normale de contact Pn
			(2) probabilité de détacher un fragment de matériau par usure
			(3) inverse de la dureté du matériau
	- Quantité de matière enlevée par unité de distance de frottement
f =
Pt
Pn
2	Essais mécaniques
Objectif : définir les principaux essais mécaniques 
	- définition du principe
	- description des appareillages
	- analyse des résultats, critique
	- paramètres à prendre en compte
2.1	Essai de traction
	 Principe de l'essai
	
	- Appliquer un effort de tension croissant suivant l'axe de l'éprouvette 
	- Choix d'imposer un effort ou une déformation avec une vitesse constante
	 Eprouvettes
	- Forme déterminée par le système de fixation
	- Contrainte et déformation uniformes sur une longueur significative
	- Pas de rupture dans les zones d'application des efforts
0
	 Dispositif
	
	- Alignement de l'éprouvette avec l'axe de traction
	- Capteurs d'efforts dynamométriques ou à jauges
	- Allongements : déplacement des mors, extensomètre ou jauges
Traverse supérieure 
mobile
Capteur de force
Eprouvette
Mors de serrage
	 Résultat : courbe de traction
	
	- Courbe représentant l'effort F exercé en fonction de l'allongement  ou de la déformation 
- Courbe contrainte – déformation
OA : élastique linéaire (réversible)
AB : plastique (irréversible, non linéaire)
Déformation vraie : réelle = ln (1+)
Contrainte vraie : réelle =  (1+)
F

O
A
B


O
vraie
conventionnelle
	 Caractéristiques mécaniques conventionnelles obtenues	
	- limite d'élasticité : généralement la limite conventionnelle à 0,2 ou 0,02 %
	- résistance à la traction
	- allongement à la rupture
	- coefficient de striction
	- module d'Young
	- coefficient de Poisson
	 Paramètres influençant les résultats
	température, raideur de la machine, vitesse de déformation
E =
k0
S0
%=
S
S0
2.2	Essai de torsion
	 Principe de l'essai
	
	- Appliquer un moment de torsion et mesurer l'angle de rotation d'une 	extrémité à l'autre de la barre
	 Intérêt de l'essai
	- Sollicitation non uniforme sur la section
	- Permet obtenir le module de Coulomb (cisaillement)
 =
Mtx
IX
r
G =
k0
IX
2.3	Essais de dureté
	 Principe de l'essai
	
	- Plusieurs types : Indentation, rayure, rebondissement…
	- Pénétrateur enfoncé dans le matériau sous l'effet d'une force constante
	- Mesure de la taille de l'empreinte ou de sa profondeur
	- Peu destructifs  employés dans l'industrie
	- Liée à la limite d'élasticité et résistance en traction
	 Essai Meyer – Essai Brinell
	- Pénétrateur : bille polie (acier trempé ou carbure de tungstène)
	- Mesure du diamètre de l'empreinte
	- Expressions de la dureté :
 
	 Essai Vickers
	
	- Même principe que Brinell et Meyer avec pénétrateur pyramidal (136°)
	- Nécessite un très bon état de surface
HM =
d2
4F
HB =
2F
(surface apparente)
(surface calotte sphérique)
HV =
2×0,102 F sin (68°)
d2
D (D - D2-d2 )
	 Essai Rockwell
	- Mesure de l'enfoncement rémanent du pénétrateur après une surcharge
	(profondeur de l'empreinte)
	- Plusieurs types de pénétrateur : cône diamant ou bille d'acier
a
b
c
e = a-c
F0
F0 + F1
F0
HRC = 100 -
e
0,002
HRB (ou F) = 130 -
e
0,002
2.4	Essais de choc
	 Principe de l'essai
	
	- Rompre par un choc une éprouvette entaillée
	- Mesure de l'énergie nécessaire à cette rupture / section
	au droit de l'entaille 
Charpy
Izod
Energie mesurée relative au type d'essai employé
	 Dispositif expérimental
	
	- Dispositif classique : mouton pendule
	- Mesure de la différence entre l'angle au départ et à l'arrivée
Position de départ
Percuteur 
Éprouvette
Cadran
appuis
	 Caractéristiques obtenues
	
	- Estimation de la résistance aux chocs : énergie / unité de surface
	- Observation des faciès de rupture → comportement du matériau
	- Paramètre important : température
		→ Observation de la transition fragile / ductile
Entaille
Entaille
Rupture fragile
Rupture ductile
KV
Température
Fragile
Ductile
2.4	Essais de fatigue
	 Principe de l'essai
	
	- Solliciter un échantillon avec des cycles d'efforts répétés
	- Application à la traction, compression, torsion, flexion, fissuration
	- Pas de forme générale d'éprouvette étant donné la variété d'essais
Contraintes alternées
Contraintes répétées
Contraintes ondulées
t
t
t



	 Caractéristiques obtenues
	
	- Diagramme de Wöhler
	- Limite d'endurance : plus grande contrainte pour laquelle la durée de vie 	est infinie
	- Aspect statistique : pour N donné, valeur de  correspondant à une 	probabilité de survie (ou de rupture) de 0,5
	- Influence de la fréquence, et de l'environnement

log(N)
107
106
105
104103
2.5	Essais de ténacité
	
	- Essais sur éprouvettes entaillées pour déterminer K1C
	- 2 géométries : traction compacte (CT) ou flexion 
	- B : épaisseur, W : largeur, Y : fonction de la longueur d'entaille
2.5	Essais de fluage
	 Principe de l'essai
	
	- Fluage : déformation plastique évoluant avec le temps, dans un 	matériau soumis à une contrainte constante (rupture possible)
	- Application d'un effort constant, mesure de l'allongement
	 Machines et éprouvettes
	- Essais à haute température → sélection des appareils de mesure
Mise en charge
Courbes réelles
Courbes théoriques
t
0
t


t

0
t


temps
Fluage primaire
Fluage secondaire
Fluage tertiaire
tR
Rupture
	 Caractéristiques obtenues
	
	- Durée de vie pour une contrainte donnée, ou contrainte pour une durée 	de vie de 1000 h, 10000 h…
	- Loi de comportement
	Exemple : Loi Puissance
	 Essai de relaxation
	- Souvent associé au fluage
	- Déformation constante imposée, mesure de la contrainte (fonction du temps)

Temps

Temps
Conclusions
	 Grande variété de propriétés → nombreux essais possibles
	 Difficulté de mettre en pratique les conditions théoriques
	 Nécessité des normes d'essais
	 Importance des paramètres extérieurs