Matériaux

1. Communication technique et initiation à la conception Les Matériaux

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 1 – Généralités sur le choix des matériaux Historique

8. 1 – Généralités sur le choix des matériaux Historique

9. 1 – Généralités sur le choix des matériaux Historique

10. 1 – Généralités sur le choix des matériaux Classification Tous les matériaux solides sont regroupés sous trois classes:

11. 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)

12. 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

13. 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.

14. 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

15. 2 – Propriétés des matériaux Contrainte-déformation Exemple de traction sur des tiges d’acier :

16. 2 – Propriétés des matériaux Contrainte-déformation La caractérisation des propriétés mécaniques des matériaux passe par la normalisation des essais :

17. 2 – Propriétés des matériaux Contrainte-déformation La caractérisation des propriétés mécaniques des matériaux passe par la normalisation des essais :

18. 2 – Propriétés des matériaux Contrainte-déformation Essai de traction normalisé a) Comportement fragile b) Comportement ductile c) Comportement élastique non-linéaire

19. 2 – Propriétés des matériaux Contrainte-déformation Exemple de matériaux fragile, ductile et élastique non-linéaire

20. 2 – Propriétés des matériaux Contrainte-déformation Essai de traction normalisé : comportement ductile

21. 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%.

22. 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 :

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

27. 3 – Classes des matériaux Classification des aciers

28. 3 – Classes des matériaux Classification des aciers

29. 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

30. 3 – Classes des matériaux Classification de l’Aluminium

31. 3 – Classes des matériaux Alliages d’Aluminium

32. 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)

33. 3 – Classes des matériaux Quels matériaux choisir ?

34. 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...

35. 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

36. 4 – Applications concrètes Cellule des avions : alliages métalliques

37. 4 – Applications concrètes Les particules de renfort (céramique) sont dures et abrasives.

38. 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.

39. 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.