Propriétés des matériaux

ENSA de Béni Mellal

Université Sultan Moulay Sliman

Pr. M. KAAB

VII-

• De nombreuses propriétés des cristaux;
• thermiques (température de fusion, chaleur spécifique, dilatation thermique, conductivité thermique),
• mécaniques (compressibilité, modules d'élasticité),
• électriques (résistivité électrique),
• magnétiques,

sont liées à la nature de la cohésion de la structure cristalline et donc à l'énergie de cohésion du matériau.

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• D'autres sont déterminées par l'agitation thermique ou par la nature des défauts contenus dans le cristal.

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• Après avoir décrit les différents types de liaisons, on peut mettre en évidence les caractéristiques générales des liaisons et les principales propriétés qui en découlent.

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 1 - Définitions

Contrainte

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 1 - Définitions

Contrainte

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 1 - Définitions

Déformation

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 1 - Définitions

Déformation

8 – 1 . Propriétés mécaniques

• La loi de Hooke est l’expression du comportement élastique d’un matériau. Elle s’exprime ainsi :

8 – 1 – 2 – Module d’élasticité

8 – 1 . Propriétés mécaniques

• Ces modules ne sont pas indépendants (essentiellement pour les métaux):

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• Le module d’élasticité mesure la résistance à la déformation élastique:

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• Pour les matériaux de module bas sont flexibles et s’allongent beaucoup lorsqu’on tire dessus,
• Pour les matériaux de module élevé sont rigide et s’allongent très peu lorsqu’on tire dessus,

8 – 1 – 2 – Module d’élasticité

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 2 – Module d’élasticité

8 – 1 . Propriétés mécaniques

• Il consiste à placer une éprouvette du matériau à étudier entre les mâchoires d’une machine de traction qui tire sur le matériau jusqu’à sa rupture. On enregistre la force et l’allongement, que l’on convertit en contrainte-déformation

Essai de traction

8 – 1 – 2 – Module d’élasticité

Phénomène d’écrouissage

• En chargeant au-delà de la limite d’élasticité et déchargeant l’éprouvette, on constate une augmentation de cette limite: Écrouissage ,
• L’écrouissage est dû au la limitation de la mobilité des dislocations au sein du matériau déformé plastiquement
• On observe en même temps que le matériau devient plus fragile et plus dur

8 – 1 . Propriétés mécaniques

Exemple: l’or est le matériau le plus ductile car le fil que l’on obtient par son étirement extrême, sans rupture, est le plus fin de tous les matériaux connus.

• La ductilité est la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. La rupture se fait lorsqu’un défaut induit par la déformation plastique devient critique et se propage.

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• La ductilité est donc l’aptitude d’un matériau à résister à cette propagation., s’il y résiste bien, il est dit ductile, sinon il est dit fragile.

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• L’origine de la ductilité d’un matériau est la mise en mouvement des dislocations dont il est le siège.

8 – 1 – 3– Ductilité et fragilité

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 3– Ductilité et fragilité

• La fragilité est l’état d’une substance qui se fracture lorsqu’on lui impose des contraintes mécanique ou qu’on lui faire subir des déformations brutales, sa fracture, dans le domaine plastique, n’exige qu’une faible énergie.

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• Si, en revanche, l’énergie à fournir pour produire la fracture est importante, on dira que la substance est tenace.

• Les matériaux à liaisons covalentes et ionique sont des matériaux fragiles: les angles entre les atomes ne peuvent pas varier. rupture fragile

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• Les matériaux à liaisons métalliques sont ductiles: la liaison est délocalisée. La rupture se fait de façon plastique, on parle de rupture plastique

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 3– Ductilité et fragilité

Absence de déformation plastique

Déformation plastique permanente

Verre,

Céramique,

Béton

Métaux,

Alliages,

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 4– Dureté

La dureté quantifie la résistance d’un matériau à la pénétration sous une certaine contrainte, elle est fonction de:

• Déformation élastique et plastiques,
• Forces de frottements sur la surface du matériau,
• Géométrie du pénétrateur,
• Force appliquée

• Un pénétrateur de géométrie connue est appliquée sur la surface à tester, plus l’empreinte laissée est petite, plus le matériau est dur

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 4– Dureté

Essai de Brinell

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 4– Dureté

Essai de Vickers

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 5– Ténacité et essai de résilience

La ténacité est la capacité d’un matériau à emmagasiner de l’énergie avant sa rupture, elle caractérise la résistance du matériau à la propagation brutale de fissures

• Elle représente l’aire située au dessous de la courbe de traction : énergie nécessaire pour rompre l’éprouvette.

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 5– Ténacité et essai de résilience

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 5– Ténacité et essai de résilience

• La grandeur physique pertinente pour en discuter est la facteur d’intensité de contrainte

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• On distingue trois modes fondamentaux de chargement qui peuvent éventuellement se superposer:

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 5– Ténacité et essai de résilience

8 – 1 . Propriétés mécaniques

8 – 1 – 5– Ténacité et essai de résilience

8 – 1 – 5– Effet de la température et Fluage

• L’agitation thermique, relâche l’intensité des liaisons interatomique en provoquant un éloignement des atomes,
• Toute élévation de température se traduit par une décroissance sensible de la rigidité élastique des matériaux et par conséquent du module d’élasticité

8 – 1 – 5– Effet de la température et Fluage

• L’application d’une contrainte modérée mais permanente à haute température se traduit par une compétition entre l’effet de la contrainte (qui déplace les dislocations et les multiplie) et celui de la température qui les fait disparaître.

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• Ces deux effets peuvent s’équilibrer et on observe une déformation plastique à vitesse constante,

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8 – 1 – 5– Effet de la température et Fluage

• un stade III précédant immédiatement la rupture, pendant lequel l’endommagement du matériau s’accompagne d’une accélération rapide du fluage.

8 – 2 . Propriétés thermiques

8 – 2 – 1– Capacité thermique

8 – 2 . Propriétés thermiques

8 – 2 – 1– Capacité thermique

8 – 2 . Propriétés thermiques

8 – 2 – 2– Dilatation thermique

8 – 2 . Propriétés thermiques

8 – 2 – 4– Ordre de grandeur

8 – 3 . Propriétés électromagnétiques

8 – 3 – 1 – Conductivité électrique

• Les orbites électroniques occupent dans un atome des couches successives (énergies discrètes).

• Ces couches deviennent des bandes dans les solides regroupant plusieurs atomes,
• Deux bandes successives sont séparées par des bandes interdites,
• On distingue les bandes de valence et de conduction.

• On définit l’énergie de FERMI de l’atome considéré la limite supérieure du remplissage des états d’énergie électroniques

8 – 3 . Propriétés électromagnétiques

8 – 3 – 1 – Conductivité électrique

• La conduction électrique d’un matériau dépend de la mobilité des électrons,
• Seuls les électrons dont l’énergie est supérieure au niveau de FERMI peuvent participer à la conduction:
• Forte dans les matériaux métalliques,
• Faible pour les matériaux organiques et minéraux.

8 – 3 . Propriétés électromagnétiques

8 – 3 – 1 – Conductivité électrique

8 – 3 . Propriétés électromagnétiques

8 – 3 – 2 – Permittivité électrique

8 – 3 . Propriétés électromagnétiques

8 – 3 – 3 – Propriétés optiques

• L’interaction entre un matériau et un rayonnement électromagnétique dépend essentiellement de la structure électronique des atomes concernés,

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• Les rayonnements incidents peuvent alors être en partie:
• Diffusés,
• Réfléchis,
• Absorbés,
• Réfractés et transmis

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8 – 4 . Récapitulatif

8 – 4 – 1 – Propriétés

8 – 4 . Récapitulatif

8 – 4 – 1 – Propriétés

8 – 4 . Récapitulatif

8 – 4 – 1 – Propriétés

8 – 4 . Récapitulatif

L’utilisation d’un matériau dépend non seulement de ses propriétés, mais aussi d’autres critères:

• Sa disponibilité(ressources, réserves, fournisseurs…)
• Son coût(matière première, élaboration…),
• Des méthodes de synthèse,
• Sa compatibilité avec l’environnement (température, durée de vie…),
• La possibilité de mise en forme (usinabilité, soudabilité, recyclage…),
• Son aspect esthétique(texture, couleur, goût, odeur…).

8 – 4– 2 – Critères de choix d’un matériau