LES MATERIAUX INORGANIQUES : Métaux, Céramiques Composites, Multi-matériaux

1. Université Claude Bernard – Lyon I LES MATERIAUX INORGANIQUES : Métaux, Céramiques Composites, Multi-matériaux Des domaines scientifiques et des secteurs industriels en perpétuelle évolution Myriam SACERDOTE - PERONNET Bâtiment Berthollet (3ème étage) Myriam.Peronnet@univ-lyon1.fr UFR de Chimie-biochimie

2. Vous trouverez dans cette présentation des informations complémentaires à ce qui vous a été projeté en Amphi N’hésitez pas à me contacter si vous souhaitez des précisions sur certains points Vous pouvez venir voir des exemples de réalisation de pièces

3. Conférences complémentaires proposées en L1sur les matériaux • Matériaux organiques d’origine naturelle ou synthétique. • Matériaux minéraux ou inorganiques : verres, ciments, céramiques, métaux. • Matériaux composites et multi-matériaux. Exposé de Philippe Chaumont Exposé d’Alain Domard Exposé de Myriam Sacerdote-Peronnet

4. UN RAPIDE SURVOL DE NOTRE HISTOIRE … Matériaux et Evolution de l’Humanité

5. Un peu d’Histoire… Les différents Ages marquantl’évolution de l’humanité portent lenom des matériaux utilisés Ils témoignent à la fois des besoins et des savoir-faire Pierre taillée Travail du Silex, du Quartz Paléolithique Age de la Pierre → - 8000 av JC Age de la Pierre polie → - 5000 av JC Argile cuite → Céramiques Néolithique : sédentarisation de l’homme → évolution plus rapide qu’au Paléolithique Age des métaux→ -5000 à 1900 Age du cuivre Cuivre, Plomb, Etain Premiers métaux extraits de leur minerais Fusion du métal : début de la Métallurgie Age du bronze (Cu – Sn) Remplacement du bois et de la pierre Epées, casques Statues, bijoux

6. Au XXème siècle :Rapide avancée des technologies Matériaux et Procédés nouveaux Développement des composites et des multi-matériaux Age des métaux→ -5000 à 1900 Age du fer ( -2000) Métallurgie du fer = Sidérurgie Au XIII ème sièle : 7 métaux connus Or, Argent, Cuivre, Fer Mercure, Etain, Plomb Aujourd’hui, nous ne sommes plus à l’âge d’un seul matériau, mais à l’âge d’unéventail immense de matériau Gamme très étendue de matériaux et de procédés Evolutions très rapides Age des matériaux Avancés

7. COMMENT DEFINIR UN MATERIAU ?

8.  Un matériau est de la matière fonctionnalisée Matériau = Matière + Fonction Composant Propriétés intrinsèques Forme de la pièce Procédés Matières Matériaux Objet industriel Carbone Disques de freins Véhicule de compétition (Formule 1) Alliages d’Aluminium Pistons Culasse… COMMENT DEFINIR UN MATERIAU ? Un matériau répond à un besoin Un matériau peut aussi résulter d’une idée innovante Un matériau est le résultat des transformations de la matière qu’effectuent l’homme pour satisfaire différents besoins Un objet industriel (matériel) résulte de l’assemblage de plusieurs composants

9. Emergence et Développement d’un matériau Besoin ou Idée innovante Améliorations sur un produit existant Innovation Nouveau matériau Nouveau produit Peut nécessiter de changer de matériau Nouveau produit Nouveau matériau Le matériau perdure s’il présente un cycle de vie favorable

10. Cycle de vie favorable 1 – Axe technique (non économique) Épée  Bouclier Télévision  Magnétoscope 2 – Axe économique Développement d’un matériau remplissant la même fonction, moins chère 3 – Axe marché Demande du marché en adéquation avec les conditions économiques de production 4 – Axe de développement « soutenable » Matériau en adéquation avec les préoccupations sociétales Réglementation (environnement) D’après Conférence J.C. Prévost et Y. Bertaud Agence Rhône-Alpes pour la Maîtrise des Matériaux

11. MATIERES INORGANIQUES METAUX ET CERAMIQUES CONSTITUTION ET PROPRIETES

12. CONSTITUTION DES METAUX ET CERAMIQUES Brique élémentaire : atomes – éléments chimiques Liaison chimique Liaisons interatomiques fortes Motif élémentaire Maille élémentaire Liaisons fortes Liaisons fortes Macromolécules Répétition d’un même motif Polycristaux Liaisons fortes Liaisons faibles Matières inorganiques Etat cristallisé Métaux – Céramiques ≠ verres Matières plastiques Etat amorphe ou en partie amorphe et en partie cristallisé

13. PROPRIETES DES METAUX ET CERAMIQUES 1 – Les métaux  Liaison chimie particulière : liaison métallique Les électrons des couches périphériques abandonnent leur atome respectif Atomes ionisés Nuage d’électrons qui circulent librement dans le solide Propriétés spécifiques des métaux Bonne conductivité thermique Bonne conductivité électrique

14.  Structures cristallines : compactes : CFC : Cubique à Faces Centrées HC : Hexagonal Compact  Température de fusion élevées Aluminium (Al) = 660 °C Magnésium (Mg) = 650 °C Fer (Fe) = 1538 °C Titane (Ti) = 1668 °C Aluminium - CFC  Températures de vaporisation élevées • Densité élevée : Fe = 7,8 sauf certains métaux : Al, Mg, Ti Ti = 4,5 Al = 2,7 Mg = 1,7

15. PROPRIETES DES METAUX ET CERAMIQUES 2 – Les céramiques  Liaisons fortes et directionnelles (ionique – covalente) Les électrons ainsi liés ont du mal à se déplacer Isolants électriques  Ce type de liaison met en jeu des énergies considérables, ce qui se traduit par : une très bonne tenue en température des températures de fusion très élevées des températures de vaporisation très élevées

16. PROPRIETES MECANIQUES DES METAUX ET CERAMIQUES 1 - Elasticité et Plasticité Modes de déformation Modifications des distances entre atomes Elasticité : allongement élastique Augmentation uniforme et progressive de la distance entre les atomes Déformation réversible Métaux  Elasticité élevée Céramiques  Elasticité très élevée Plasticité : Si la force appliquée s’annule, la déformation subsiste Déformation irréversible Métaux  Bonne plasticité Céramiques  Mauvaise plasticité

17. 2 – Ductilité, Tenacité, Fragilité  Caractéristiques Ductilité : bonne capacité à se déformer dans le mode de déformation plastique Métaux  bonne ductilité Céramiques  mauvaise ductilité Tenacité (associé à fragilité) : Résistance aux déformations et à la rupture en présence d’une fissure Métaux  très bonne tenacité Céramiques  très mauvaise tenacité (fragiles)

18. 3 – Fluage et Fatigue Modes de sollicitations en service Fluage : matériau sollicité mécaniquement et à chaud Fatigue : sollicitation cyclique

19. COMPARAISON DES PROPRIETES DES METAUX ET CERAMIQUES

20. CLASSIFICATION DES METAUX ET CERAMIQUES Cette classification est valable pour tous les matériaux organiques ou inorganiques

21.  Par fonctions Pièce conductrice d’électricité Pièce résistante aux très hautes températures  Par leur propriété prédominante Matériau lubrifiant colle… CLASSIFICATION  Par ségrégation chimique Métaux et céramiques (développés dans cet exposé), verres…  Par secteur d’utilisation Emballages alimentaires (canettes), Ustensiles de cuisine (casseroles) Transports : Automobile, Ferroviaire, Aéronautique, Secteurs de l’Aérospatiale Sports et loisirs (vélos, skis) Biomédical Art, Orfévrerie…  Par degré de nouveauté Les céramiques techniques Les alliages Haute Pureté (métaux) Les composites céramique/métal Les multimatériaux métal/métal ou métal/céramique Les matériaux supra-conducteurs Les nano-matériaux

22. SECTEURS D’UTILISATION 1 – Emballages alimentaires 2 – Ustensiles de cuisine Casseroles Matériaux : Inox, Alliage d’Aluminium Casserole en métal ferreux Fond diffuseur en aluminium Canettes de boisson Multi-matériau métal / métal Base Fe / Base Al Matériaux : Acier, Alliage d’Aluminium Procédés : Emboutissage, Vernissage Procédés : Emboutissage Assemblage (brasage) 1 machine = 10 canettes / seconde 1 million / jour

23. 3 – Secteurs des transports Automobile  1893 : Premier moteur construit par Henry Ford 1896 : Première voiture construite par Henry Ford 1903 : Première voiture vendue par Henry Ford Carroserie : Squelette en bois + Tôles rivetées.  1925 : Premières voitures, construites par André Citroen, en grande série (modèles B10 et B12), dotées d'une carrosserie tout acier. Meilleure protection des passagers Volume habitable plus spacieux Carrosserie réparable par simple redressement.

24. 3 – Secteurs des transports L’Automobile aujourd’hui Alliages métalliques Base Fer (Fontes, Aciers) Base Al (Al-Si, Al-Cu) Céramiques Composites Multi-matériaux ex : pistons (Fe / Al)  Diminuer la consommation  Diminuer l’émission des gaz polluants Priorité : Allégement Métaux ferreux Alliages d’aluminium Alliages de magnésium

25.  Au niveau du moteur Pistons Bloc-cylindres Culasse • Au niveau des suspensions Jantes Freins  Au niveau de la carrosserie • Au niveau de l’Habitacle Pièces non sollicitées mécaniquement et thermiquement

26. 3 – Secteurs des transports Aéronautique civile Fuselage Réacteur Sollicitations thermiques et mécaniques très importantes

27. 3 – Secteurs des transports Aéronautique militaire

28. 4 – Secteurs de l’Aérospatiale Lanceurs spatiaux Satellites Missiles Matériaux de très hautes Performance Conditions extrêmes Composites thermostructuraux SiC / SiC - C / C

29. 5 – Sports et Loisirs Skis Vélos monocoque stratifiés Bois toujours utilisé :  combler le vide maintenir le poids du ski sur la neige Cadres : Acier Aluminium Carbone Titane « boîte de torsion » en métal donne au ski toute sa force et sa rigidité. Fer, Aluminium (ou fibre de verre) Raquettes Autres matériaux étudiés : Titane, Carbone, Fibres de bore

30. 6 – Secteurs du biomédical Tête Prothèses de hanches Cotyle Titane recouvert d’alumine (Al2O3) Multi-matériaux Polyéthylène Bio-compatibilité Bonne tenue à l’usure, au frottement Prothèses du genou Implants dentaires Titane + Oxyde de titane Zircone Titane Cobalt-Chrome

31. 7 – Art, Orfévrerie Moulage

32. DE LA MATIERE AU MATERIAU PROCEDES DE TRANSFORMATIONS

33. DE LA MATIERE AU MATERIAU Procédés de transformations Matière Matériau Deux grandes classes de procédés 1 – Procédés de mise en forme 2 – Procédés de mise en oeuvre

34. 1 – Procédés de mise en forme Pour réaliser une pièce remplissant une fonction, il faut donner à la matière une certaine forme : - plus ou moins complexe - plus ou moins précise - plus ou moins bien finie Enchaînement d’un procédé primaire avec un ou plusieurs procédés secondaires afin d’atteindre la qualité de pièce voulue On distingue : • Les procédés primaires Donnent la forme générale de la pièce Exemple : moulage des métaux •Les procédés secondaires Objectif : limitation du nombre de procédés Modifient la forme générale Exemple : Polissage, usinage

35. 2 – Procédés de mise en oeuvre Une fois la pièce ainsi réalisée, il faut lui faire subir des traitements supplémentaires pour : - la fonctionnaliser - la connecter à d’autres composants de l’objet industiel  Conférer à la pièce des propriétés que la forme ou le matériau ne sont pas capables de remplir Exemples : Améliorer la tenue à la corrosion Augmenter la résistance à l’usure Traitements thermiques Traitements de surface Procédés d’assemblage

36. PROCEDES DE MISE EN FORME DES METAUX 1 – Le forgeage ou corroyage Mise en forme à chaud par des efforts de pression et de percussion 2 – Le laminage Mise en forme à chaud ou à froid Passage d’une pièce de métal entre deux cylindres, dont l’écartement est inférieur à l’épaisseur initiale de la pièce Ecrouissage du métal

37. 3 – Le filage Mise en forme à chaud Le métal est poussé dans un orifice appelé filière. Obtention de profilés, de tubes 4 – Le tréfilage Mise en forme à chaud Par traction du métal à travers une filière Passages successifs dans des filières de diamètre décroissant Obtention des fils

38. 5 – Emboutissage ou Formage Déformation d’une tôle plane appelée Flan en une surface complexe à l’aide d’une matrice fixe et d’un poinçon actionné par une presse Mise en forme à chaud Métaux moins ductiles Titane : 300 – 500°C Mise en forme à froid Métaux très ductiles Aluminium Laiton Cuivre

39. Remplissage d’un moule  Sans pression (coulée gravité) moule en sable moule en cire perdue moule métallique  Avec pression (injection) 6 - Moulage Procédés de fonderie 1 - Fusion de l’alliage  Etat liquide lingots 2 - Fusion de l’alliage  Refroidissement  Etat semi-solide billettes Thixomoulage Alliages de magnésium Diminution des risques d’inflammation du métal 7 - Frittage cf diapositive suivante

40. PROCEDES DE MISE EN FORME DES CERAMIQUES Métallurgie des poudres Ensemble des procédés d’élaboration utilisés pour les métaux et les céramiques 1 – Compression à froid Pièces en grandes séries Engrenage, plaquettes d’usinage… 2 – Compression isostatique à chaud Pièces mécaniques à haute valeur ajoutée Aéronautique, Aérospatiale, Nucléaire

41. Matière Propriétés intrinsèques Propriétés attribuées • Propriétés chimiques • et physiques • - électriques • thermiques • - optiques • Propriétés de production • Élaboration • Transformation • Assemblage • - réparation Matériau Choix du matériau Conception Désign Propriétés mécaniques - rigidité/fragilité - ductilité - fatigue - fluage Coût et disponibilité • Aspects environnementaux • Nuisance des procédés • Nuisance du bruit • Recyclabilité • - Valorisation des déchets Propriétés de surface Corrosion

42. DES MATERIAUX A L’OBJET INDUSTRIEL

43. DU MATERIAU A L’OBJET INDUSTRIEL « on ne crée pas un matériau pour construire un avion » Objet industriel Avion Ailes Fuselage Réacteurs Habitacle Assurer la portance Assurer la stabilité Assurer la force motrice Assurer le confort des voyageurs Décomposition de l’objet en composants, aussi loin que nécessaire, pour identifier clairement : - leur fonction principale - leurs conditions d’utilisation - leurs conditions de sollicitations mécaniques et/ou thermiques Conception – Elaboration de chaque composant Assemblages des composants Objetindustriel

44. CONCEPTION quelques généralités… • ETAPES DE LA PROCEDURE • DE SELECTION • Des Matériaux • Des Procédés

45. LES DIFFERENTES CLASSES DE CONCEPTION 1 - Conception originale « Qui démarre pour ainsi dire de rien » Idée innovante Nouveau principe de fonctionnement Disques vynils  disques compacts Stylo plume  stylo bille 2 - Conception adaptative Part d’un concept déjà existant Recherche d’une amélioration en affinant son principe de fonctionnement Skis : Bois  Métaux, composites à fibres de carbone Appareils électroménagers : Métaux Polymères

46. LES DIFFERENTES CLASSES DE CONCEPTION 3 - Conception de variation ou Conception dérivée Changement de taille (changement d’échelle, de dimension) Amélioration de détail sans changement de la fonction Ceci peut nécessiter un changement de matériau Petits bateaux : composites à fibres de verre Grands bateaux : Acier

47. PROCEDURE DE SELECTION Point de départ :idée innovante besoin du marché Première étape : Définir précisément le besoin à satisfaire « Il nous faut réaliser une pièce qui remplisse telle fonction » Développer des concepts qui peuvent potentiellement remplir la fonction demandée Envisager tous les concepts

48. Deuxième étape : Schéma de faisabilité • Analyse de chaque concept pour définir grossièrement : • La taille des pièces • Les contraintes auxquelles elles sont soumises • - Les températures de fonctionnement Sélection des classes de matériaux pouvant être utilisés dans ces conditions

49. Troisième étape : Etape de conception détaillée Analyse détaillée de chaque composant critique Choix définitif de la forme et des matériaux utilisés Choix définitif des procédés

50. Quatrième étape : Spécifications de production Analyse des aspects de production Analyse des coûts