Communication technique
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Matériaux

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Presentation Transcript


Mat riaux

Communication technique

et initiation à la conception

Les Matériaux


Mat riaux

Plan du cours

A – Généralités sur le choix des matériaux

B – Propriétés mécaniques

C – Classes des matériaux

D – Quelques cas pratiques

– Prothèse de la hanche.

– Cellule des avions.

– Disque de freins et chemise d’automobile

en composites.

E – Recyclage


Mat riaux

1 – Généralités

sur le choix des matériaux

• Beaucoup de problèmes liés à la conception, à la fabrication, à l’assemblage ou à la

tenue en service des machines et des structures proviennent d’une mauvaise

utilisation des matériaux

• Des mauvais choix peuvent être désastreux :

– sécurité

– économique


Mat riaux

1 – Généralités

sur le choix des matériaux

Objectifs du cours

• Décrire la démarche à suivre pour déterminer si un matériau convient à la fabrication d’une

pièce donnée.

• Décrire les grandes familles (classification) des matériaux

• Définir l’indice de performance des matériaux.

• Décrire quelques cas pratiques

– Prothèse de la hanche.

– Cellule des avions.

– Disque de freins et chemise d’automobile en composites

• Recyclage des matériaux


Mat riaux

1 – Généralités

sur le choix des matériaux

Nouveau produit

• Étude du concept (fonctions, exigences)

– Étude de faisabilité

• Mise au point d’un prototype

– Évaluer le comportement en service

– Tenir compte de facteurs technologiques

• Étude de production

– Équipements disponibles

– Coûts de production

• Fabrication


Mat riaux

1 – Généralités

sur le choix des matériaux

Produit existant

• Réduire les coûts

– Matières premières

– Fabrication

– Production

– Énergie

01 / 04

02 / 04

03 / 04

04 / 04

05 / 04

06 / 04

07 / 04

08 / 04

09 / 04

10 / 04

11 / 04

12 / 04

01 / 05

02 / 05

03 / 05

04 / 05

05 / 05

06 / 05

07 / 05

08 / 05

09 / 05

10 / 05

11 / 05

12 / 05

01 / 06

02 / 06

03 / 06

04 / 06

05 / 06

6,5

6

5,5

5

4,5

4

3,5

3

2,5

• Améliorer le produit

– Réduire la masse

– Fiabilité

– Longévité

2

1,5

1

0,5

0


Mat riaux

1 – Généralités

sur le choix des matériaux

Historique


Mat riaux

1 – Généralités

sur le choix des matériaux

Historique


Mat riaux

1 – Généralités

sur le choix des matériaux

Historique


Mat riaux

1 – Généralités

sur le choix des matériaux

Classification

Tous les matériaux solides sont regroupés sous trois classes:


Mat riaux

1 – Généralités

sur le choix des matériaux

Classification

• Les métaux (ferreux et non ferreux)

• Les céramiques (SiC, béton, diamant, nitrure de silicium, alumine, silice

vitreuse, etc..)

• Les polymères : élastomères, époxydes, nylons, polyéthylène(PE),

polycarbonate (PC), polypropylène (PP), etc..

• Les composites

• Autres

– Les biomatériaux (certains métaux, céramiques et polymères)

– Les matériaux de pointe (utilisés dans la haute technologie: lecteurs

de disques compacts, fibres optiques, etc)


Mat riaux

1 – Généralités

sur le choix des matériaux

Procédures de choix : Évaluations des besoins

• Conditions d’utilisation

– Contrainte

– Température

– Environnement

• Exigences fonctionnelles

• Longévité

• Fiabilité

• Sollicitations mécaniques

• Exigences technologiques

• Exigences économiques

• Exigences sociales


Mat riaux

2 – Propriétés des matériaux

Caractérisations des matériaux

• Pour connaître les propriétés d’un matériau, il faut le caractériser.

• Étudier le comportement mécanique des matériaux pour mieux les utiliser.

– Concevoir des structures et des composantes avec des matériaux aux

propriétés connues pour éviter des déformations inacceptables et des ruptures.

? Notions de contrainte et de déformation

? Caractérisation des propriétés mécaniques

– Traction

– Compression

– Flexion

– Dureté

? Se familiariser avec des essais normalisés.


Mat riaux

2 – Propriétés des matériaux

Caractérisations des matériaux

Il est possible de caractériser les métaux par:

• La couleur

• La finition de surface

• Le poids

• Le point de fusion

• La malléabilité

• La dureté

• La soudabilité

• Le coefficient de dilatation

• La conductivité

• La limite d’élasticité

• La résistance

– à la traction, à la compression

– à la flexion

– à la torsion

– au cisaillement

– aux variations de températures

– à la corrosion


Mat riaux

2 – Propriétés des matériaux

Contrainte-déformation

Exemple de traction sur des tiges d’acier :


Mat riaux

2 – Propriétés des matériaux

Contrainte-déformation

La caractérisation des propriétés mécaniques des matériaux

passe par la normalisation des essais :


Mat riaux

2 – Propriétés des matériaux

Contrainte-déformation

La caractérisation des propriétés mécaniques des matériaux

passe par la normalisation des essais :


Mat riaux

2 – Propriétés des matériaux

Contrainte-déformation

Essai de traction normalisé

a) Comportement fragile

b) Comportement ductile

c) Comportement élastique non-linéaire


Mat riaux

2 – Propriétés des matériaux

Contrainte-déformation

Exemple de matériaux fragile, ductile et élastique non-linéaire


Mat riaux

2 – Propriétés des matériaux

Contrainte-déformation

Essai de traction normalisé : comportement ductile


Mat riaux

2 – Propriétés des matériaux

Contrainte-déformation

L’exploitation de la courbe de traction permet d’obtenir les valeurs suivantes des

caractéristiques mécaniques d’un matériau :

• La limite d’élasticité ou limite d’écoulement Re [MPa]

• La résistance à la traction Rm [MPa]

• L’allongement à rupture A [%]

• La striction à la rupture Z [%]

Exemple de courbe de traction

et propriétés caractéristiques

mécaniques d’un acier doux (Fe-0.15% C) :

Re=210 MPa,

Rm=450 MPa, A=27%.


Mat riaux

2 – Propriétés des matériaux

Rigidité

Dans la zone de déformation élastique

on observe un comportement linéaire de σ en fonction de ε.

• E, module d’Young en Mpa, est une mesure de la

rigidité de matériau.

• Capacité des matériaux à subir une charge sans

une déformation excessive. Plus le métal est rigide,

plus il est difficile à former.

• Les alliages de nickel (E=207 GPa) sont plus

rigides que les alliages d’aluminium (E=70GPa)

Loi de Hooke :


Mat riaux

2 – Propriétés des matériaux

Microstructure

Les propriétés mécaniques (Re, Rm, A%) dépendent de la constitution du matériau :

– Composition chimique,

– Microstructure : organisation des phases (taille, forme, distribution)

Structure

cristalline

Structure

amorphe


Mat riaux

2 – Propriétés des matériaux

Autres essais de caractérisation

• Mécanique

– Ténacité: Résistance à la propagation des fissures ou

énergie de déformation requise pour la rupture.

– Résilience: Comportement au choc

– Fluage: Comportement à haute température sous charge constante

– Fatigue: Comportement sous charges variables

• Mise en forme

– Formabilité : Aptitude à la mise en forme par déformation plastique

– Soudabilité: Aptitude au soudage

– Usinabilité : Aptitude à l’usinage


Mat riaux

3 – Classes des matériaux

Les métaux ferreux et les fontes

?Production mondiale 20 fois plus élevée que celle des autres métaux.

• Excellentes propriétés mécaniques

• Grande facilité de travail

• Prix de revient peu élevé

• Très sensibles à la corrosion

• Moins appropriés pour applications nécessitant rigidité et poids faible


Mat riaux

3 – Classes des matériaux

Classification des aciers

1 Le premier chiffre indique le type d’acier; il donne l’alliage prédominant dans l’acier

2. Le deuxième chiffre indique la teneur en % de l’élément d’alliage principal autre que le

carbone

Les 2 derniers chiffres indiquent la teneur en

carbone en centième de pourcentage


Mat riaux

3 – Classes des matériaux

Classification des aciers


Mat riaux

3 – Classes des matériaux

Classification des aciers


Mat riaux

3 – Classes des matériaux

Métaux non-ferreux

• Aluminium; magnésium, cuivre, titane, zinc, plomb etc.

• Métaux réfractaires (Tf élevée): niobium, molybdène, tungstène, tantale .

• Superalliages à base de nickel ou de cobalt

• Avantages des métaux non ferreux

- Grande résistance à la corrosion

- Grande facilité de formage, de travail à l’outil et à la forge

- Meilleur fini de surface

- Meilleures propriétés mécaniques et physiques que les métaux

ferreux (à poids égal)

• Plus coûteux que les métaux ferreux


Mat riaux

3 – Classes des matériaux

Classification de l’Aluminium


Mat riaux

3 – Classes des matériaux

Alliages d’Aluminium


Mat riaux

3 – Classes des matériaux

Métaux vs Composites

• Avantage poids !!!

? attentions, les composites requièrent des compromis

– concentration des charges dans des montages métalliques

» épaisseurs pour éviter la corrosion bimétallique

– pauvre résistance aux impacts: requiert des épaisseurs importantes

» inspection sur le champ difficiles (délamination !)

– on peut permettre le flambages des structure métalliques, pas des composites

– Avantages coûts : métaux

– Amélioration de la ténacité (effets d’interfaces)


Mat riaux

3 – Classes des matériaux

Quels matériaux choisir ?


Mat riaux

3 – Classes des matériaux

Quels matériaux choisir ?

• Historiquement, l’aluminium s’est avéré le meilleur compromis

entre force, rigidité, poids et prix

– en plus de résistance à la corrosion, fatigue, facilité d’usinage, etc...


Mat riaux

4 – Applications concrètes

Prothèse de hanche

• Biocompatible pour minimiser le rejet.

• Résistance à la corrosion

(moins de 2.5 x 10-4 mm/année).

• Résister aux forces de gravité

- Re min : 500 Mpa ;

- Rm : 650 Mpa (traction)

- E = celui de l’os : 17.4 Gpa

• Résister à la fatigue

– limite de fatigue en flexion: 400 Mpa

à 107 cycles.

• Autre: reproductibilité des propriétés

et coût

Acier inox ou alliage de titane


Mat riaux

4 – Applications concrètes

Cellule des avions : alliages métalliques


Mat riaux

4 – Applications concrètes

Les particules de renfort (céramique) sont dures et abrasives.


Mat riaux

5 – Recyclages

• Les alliages ferreux subissent la corrosion et sont donc biodégradables.

• Alliages de Al

– Résistent à la corrosion et donc ne sont pas biodégradables

– Ré-utilisables

• Argent et plomb toxiques : enfouissement dangereux

• Verre inerte donc pas biodégradable; recyclage non économique

• Composites difficilement recyclables (nature multiphasée)

• Polymères : non biodégradables mais recyclables.


Mat riaux

A retenir !

• Une bonne conception mécanique dépend d’une bonne sélection du

matériau.

• Les matériaux sont divisés en plusieurs classes.

• L’ingénieur doit être capable de déchiffrer la classification des matériaux

usuels.

• Il existe des méthodes de choix des matériaux qui nous aident à

sélectionner un ou plusieurs matériaux pour une application donnée.


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