Aide-mémoire: Science des Matériaux

11.2 Principaux polymères thermoplastiques

11.3 Principaux polymères thermodurcissables

11.4 Principaux élastomères

11.5 Méthodes de mise en œuvre des matériaux organiques

. t i l é d

n u t s e

e é s i r o t u a

n o n

e i p o c o t o h p

a L –

d o n u D ©

XIII

225

225 226

226

226 227

228

228 228

229

229 230

231

233

233

233 235

237 241

243

243

248

248

252

XIV

Table des matières

CHAPITRE 12 (cid:127) MATÉRIAUX MINÉRAUX

12.1 Généralités

12.1.1 Propriétés générales 12.1.2 Méthodes de mise en œuvre des matériaux minéraux 12.1.3 Propriétés mécaniques des matériaux minéraux

12.2 Verres minéraux

12.3 Céramiques traditionnelles

12.4 Céramiques techniques et cermets

12.5 Autres matériaux minéraux

CHAPITRE 13 (cid:127) MATÉRIAUX COMPOSITES, MULTIMATÉRIAUX, REVÊTEMENTS ET TRAITEMENTS DE SURFACE

13.1 Généralités

13.2 Matériaux composites

13.2.1 Renforts 13.2.2 Matrices 13.2.3 Propriétés générales des matériaux composites à fibres 13.2.4 Conception d’un panneau de matériau

composite stratifié multiplis à fibres longues

13.2.5 Caractéristiques des matériaux composites 13.2.6 Méthodes de mise en œuvre des matériaux composites

13.3 Multimatériaux

13.4 Traitements de surface et revêtements

13.4.1 Traitement d’une couche superficielle de la pièce

par modification de la microstructure et/ou de la composition initiale

13.4.2 Application d’un revêtement

de nature différente du substrat :

13.5 Matériaux cellulaires

253

253

253 254 256

259

262

264

266

269

269

270

270 275 277

282 284 285

288

289

289

291

293

Table des matières

CHAPITRE 14 (cid:127) SÉLECTION DES MATÉRIAUX

14.1 Propriétés d’usage

14.2 Adéquation matériau-fonction

14.3 Adéquation matériau-procédé

14.4 Sélection multicritères

ANNEXES

BIBLIOGRAPHIE

INDEX GÉNÉRAL

INDEX DES MATÉRIAUX

XV

297

298

298

302

307

309

313

318

331

. t i l é d

n u t s e

e é s i r o t u a

n o n

e i p o c o t o h p

a L –

d o n u D ©

Chapitre 1

Généralités : qu’est-ce qu’un matériau ?

Les objets qui nous entourent, que nous manipulons quotidiennement, sont tous constitués d’une matière choisie pour sa bonne adaptation à la fonction de l’objet en question et au procédé utilisé pour conférer à l’objet la forme souhaitée. La notion de matériau est donc rigoureuse- ment indissociable de l’intérêt que peut présenter la substance en ques- tion pour l’obtention d’un objet fini (figure 1.1).

Conception

Matériau

Objet fini

Géométrie

Production

Figure 1.1

Interactions présidant à la réalisation d’un objet fini.

1.1 DÉFINITION

De manière symbolique et résumée, un matériau est une matière dont on fait un matériel.

. t i l é d

n u t s e

e é s i r o t u a

n o n

e i p o c o t o h p

a L –

d o n u D ©

2

1 (cid:127) Généralités : qu’est-ce qu’un matériau ?

De manière plus précise et plus complète :

un matériau est la forme marchande d’une matière première choisie en raison de propriétés d’usage spécifiques et mise en œuvre par des techniques appropriées pour l’obtention d’un objet de géométrie donnée à fonction préméditée.

1.2

PROPRIÉTÉS

Les propriétés d’usage des matériaux ont essentiellement deux origines : – leur composition chimique (nature des espèces atomiques qui les

constituent);

– leur microstructure (organisation des atomes constitutifs).

La caractéristique la plus évidente de la matière non vivante qui nous entoure est son état physique : solide, liquide ou gazeux. Ces différents états physiques proviennent essentiellement des effets de la température sur la microstructure, perceptibles à travers les variations de la viscosité de la matière, c’est-à-dire sa résistance à l’écoulement (figure 1.2).

La température de la matière mesure essentiellement le degré d’agitation et de désordre (ou entropie) des atomes qui la constituent. Lorsqu’elle s’élève, les atomes vibrent autour de leur position moyenne à la fréquence de Debye ν D (cf. Annexe), occupant ainsi un espace plus important (d’où la dilatation thermique) et se déplaçant plus facilement (d’où la diffusion et la mobilité atomique). Ce n’est qu’au zéro absolu de l’échelle Kelvin qu’ils seraient rigoureusement immobiles. – À température élevée, la matière est à l’état gazeux, état caractérisé par une distance importante entre atomes ou molécules disposés alors en désordre. Un gaz est donc compressible et très fluide. Sa viscosité est de l’ordre de 10– 5 poiseuilles (Pl) ou Pa · s (cf. Annexe « Constantes physiques et unités de mesure »).

– À température plus basse, les forces d’attraction interatomiques ou intermoléculaires deviennent non négligeables devant l’agitation thermique et peuvent provoquer le passage à l’état liquide. Les atomes ou molécules sont alors en désordre, mais à courte distance. Un

1.2 Propriétés

3

liquide est donc fluide et peu compressible. Sa viscosité est de l’ordre de 10– 3 ou – 4 Pl.

– À température encore plus basse, les forces d’attraction inter- atomiques devenant encore plus prépondérantes, la matière peut passer à l’état solide cristallisé, augmentant ainsi en général sa compacité. Les atomes sont alors ordonnés et à courte distance. Un solide cristallin est donc très peu fluide et très peu compressible. Sa viscosité est de l’ordre de 1017 Pl.

– Si l’abaissement de température s’effectue rapidement par rapport à la mobilité atomique, les atomes n’ont pas la possibilité de s’ordonner avant que l’arrêt de la diffusion ne les immobilise. Le liquide se fige alors en solide amorphe ou vitreux, les atomes y sont en désordre à courte distance. La viscosité d’un solide vitreux varie continûment avec la température depuis celle d’un liquide jusqu’à celle d’un solide, la limite liquide/solide s’établissant à une viscosité d’environ 1015 Pl.

Viscosité (Pa · s)

1024

1016

108

1

10– 8

. t i l é d

n u t s e

e é s i r o t u a

n o n

e i p o c o t o h p

a L –

d o n u D ©

État solide vitreux

État solide cristallin

État liquide

État gazeux

T Fusion solidification

T Vaporisation condensation

Température (K)

Figure 1.2 Changements d’état de la matière en fonction de la température.

4

1 (cid:127) Généralités : qu’est-ce qu’un matériau ?

La pression joue également un rôle dans les changements d’état de la matière (figure 1.3) : une augmentation de pression tend à élever les températures de changement d’état, car son action stabilise les états condensés (solide, liquide), par rapport à l’état dispersé (gazeux). Cet effet est perceptible sur la plupart des matériaux (à l’exception notable de la glace, forme solide de l’eau).

Pression

Fusion

Liquide

Solide

Vaporisation

Sublimation

Point triple

Gaz

Température

Figure 1.3 Variation des états physiques en fonction de la pression et de la température.

Les matériaux étant destinés à la réalisation d’objets capables de résister aux manipulations et au moins aux sollicitations de leur propre poids, la suite de cet ouvrage est essentiellement consacrée aux matériaux solides, amorphes ou cristallins. Nous étudierons notamment comment ces matériaux se comportent lorsque les pièces qu’ils constituent sont sollicitées en service (figure 1.4).

Temps

Température

Sollicitations mécaniques

Sollicitations chimiques

Particules et rayonnements électromagnétiques

Figure 1.4

Types de sollicitations subies par un matériau en service.

PARTIE 1

COMPOSITION ET STRUCTURE

Chapitre 2

Composition chimique des matériaux

2.1

CLASSIFICATION DES ÉLÉMENTS CHIMIQUES

Les atomes des éléments chimiques diffèrent par leur structure à l’échelle subatomique, c’est-à-dire le nombre et la nature des particules élémen- taires qui les constituent : – noyau : protons et éventuellement neutrons; – cortège électronique gravitant autour du noyau : électrons en nombre

égal aux protons dans un atome à l’équilibre. Les protons sont chargés positivement et les électrons négative- ment, de charges élémentaires égales en valeurs absolues, de sorte que

_

_

– 3 électrons – 3 protons ⇒ numéro atomique (nombre de protons) Z = 3 Noyau : – 3 protons – 4 neutrons ⇒ masse atomique (nombre de protons et de neutrons) A = 7

_

Figure 2.1

Exemple de l’atome de lithium.

. t i l é d

n u t s e

e é s i r o t u a

n o n

e i p o c o t o h p

a L –

d o n u D ©

8

2 (cid:127) Composition chimique des matériaux

l’atome est électriquement neutre à l’état d’équilibre (figure 2.1). La masse de l’électron est négligeable devant celle du proton ou du neutron (tableau 2.1).

Les orbites des électrons occupent dans un atome des couches succes- sives, correspondant à des niveaux d’énergie discrets, qui deviennent des bandes dans les solides regroupant plusieurs atomes. Ces niveaux ne peuvent contenir qu’un nombre limité d’électrons : deux pour le premier, huit pour les niveaux suivants (du moins lorsqu’ils se trouvent en position externe), et ils sont séparés par des bandes interdites. On appelle énergie de Fermi de l’atome considéré la limite supérieure du remplissage des états d’énergie électroniques à l’équilibre thermodyna- mique et au zéro absolu.

Tableau 2.1 MASSES ET CHARGES ÉLECTRIQUES DES PARTICULES ÉLÉMENTAIRES.

Particule

Masse (au repos)

Charge électrique

Électron

Proton

Neutron

9,110 · 10– 31 kg

– 1,602 · 10– 19 C

1,673 · 10– 27 kg

+ 1,602 · 10– 19 C

1,675 · 10– 27 kg

0

Tableau de classification périodique des éléments chimiques ou tableau de Mendéléiev. (Tableaux 2.2 et 2.3). Les lignes ou périodes sont les niveaux successifs des couches électroniques. Les colonnes ou groupes sont le nombre d’électrons dans la couche externe. À partir du deuxième élément de la quatrième période (calcium), les couches électroniques internes peuvent recevoir plus de huit électrons; des éléments supplémentaires s’intercalent donc avant le passage au groupe suivant.

Les propriétés chimiques d’un élément proviennent essentiellement de ses électrons, et en particulier de ceux de la couche externe, appelés électrons de valence; ces propriétés sont donc liées au groupe (colonne du tableau de classification périodique) auquel il appartient.

2.1 Classification des éléments chimiques

9

I I I

V e p u o r G

I I

V e p u o r G

I

V e p u o r G

V e p u o r G

V

I e p u o r G

I I I

e p u o r G

I I

e p u o r G

I e p u o r G

4 = A 2 = Z

e H m u

i l é H

1 = A 1 = Z

H e n è g o r d y H

0 2 = A 0 1 = Z

9 1 = A 9 = Z

6 1 = A 8 = Z

4 1 = A 7 = Z

2 1 = A 6 = Z

1 1 = A 5 = Z

9 = A 4 = Z

7 = A 3 = Z

e N n o é N

F

r o u l F

O e n è g y x O

N e t o z A

C e n o b r a C

B e r o B

e B m u

i l l y r é B

i L m u h t i L

i

0 4 = A 8 1 = Z

5 3 = A 7 1 = Z

2 3 = A 6 1 = Z

1 3 = A 5 1 = Z

8 2 = A 4 1 = Z

7 2 = A 3 1 = Z

4 2 = A 2 1 = Z

3 2 = A 1 1 = Z

r A n o g r A

l

C e r o h C

l

S e r f u o S

P e r o h p s o h P

i S m u i c i l i S

l

i

A m u n m u A

i

l

g M m u i s é n g a M

a N m u d o S

i

0 4 = A 0 2 = Z

9 3 = A 9 1 = Z

…

e d o i r é P e r 1

)

K e d n a b (

e d o i r é P e 2

s e d n a b (

) L

t e K

e d o i r é P e 3

,

K s e d n a b (

)

M

t e L

e d o i r é P e 4

s e d n a b (

, L

,

K

)

N t e M

a C m u i c l a C

K m u i s s a t o P

…

… e d o i r é P e 5

. S E U Q M H C

I

I

S T N E M É L É

S E D

I

I

E U Q D O R É P N O I T A C I F I S S A L C A L

E D E P I C N R P

I

2 . 2 u a e b a T

l

. t i l é d

n u t s e

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n o n

e i p o c o t o h p

a L –

d o n u D ©

10

2 (cid:127) Composition chimique des matériaux

Isotopes. Éléments possédant le même numéro atomique (donc les mêmes propriétés électroniques et chimiques), mais des masses atomiques différentes, en raison d’un nombre différent de neutrons. Dans la nature, certains éléments chimiques existent sous forme de mélanges d’isotopes; ceci entraîne des valeurs de masses atomiques moyennes non entières (tableau 2.3). Propriétés des groupes. Les éléments du groupe VIII, appelés gaz rares, sont caractérisés par une couche externe complète; ceci leur confère une stabilité chimique exceptionnelle.

Les éléments du groupe I A (tableau 2.3) ne possèdent qu’un seul électron sur leurs couches externes : ils ont tendance à s’en défaire pour avoir une couche extérieure saturée et donner des ions positifs ou cations. Cette tendance s’étend aussi à tous les éléments de la partie gauche du tableau, appelés métaux, qui sont tous donneurs d’électrons. Les éléments du groupe VII A possèdent sept électrons sur leurs couches externes : ils ont tendance à la compléter en captant un électron dispo- nible dans leur voisinage pour donner des ions négatifs ou anions. Cette tendance s’étend aussi à certains éléments de la partie droite du tableau, appelés non-métaux, tous accepteurs d’électrons. Certains éléments situés à la limite entre ces deux zones présentent des caractères mixtes, variables selon le champ électrique auquel ils sont soumis (ils sont semi-conducteurs). La figure 2.2 illustre ces différences de comporte- ment par les structures de bandes de ces divers types d’atomes.

Bande de conduction { {

Bande de valence

Bande interdite {

∆E

∆E

Bande vide

Bande pleine

a)

b)

c)

Énergie de Fermi

M L Bande K

Figure 2.2

Schémas des structures de bandes.

a) d’un amas d’atomes de métal (la bande de conduction comporte des états disponibles); b) d’un amas d’atomes de non-métal (la bande interdite a une largeur ∆E importante); c) d’un amas d’atomes de semi-conducteur (la bande interdite a une largeur faible).

2.1 Classification des éléments chimiques

11

e X

n o n é X

3 , 1 3 1

4 5

n R

n o d a R

6 8

I

e d o I

9 , 6 2 1

t

A

e t a t s A

3 5

5 8

e T

e r u

l l

e T

2 5

b S

i

e n o m

i t n A

1 5

n S

i

n a t É

0 5

n

I

i

m u d n I

9 4

d C

i

m u m d a C

8 4

g A

t n e g r A

7 4

m u d a

i

l l

d P

6 4

a P

i

m u d o h R

i

m u n é h t u R

m u i t é n h c e T

e n è d b y o M

l

i

m u b o N

i

i

m u n o c r i Z

h R

5 4

u R

c T

3 4

o M

2 4

b N

1 4

r Z

0 4

6 , 7 2 1

5 7 , 2 2 1

9 6 , 8 1 1

2 8 , 4 1 1

4 , 2 1 1

9 , 7 0 1

4 , 6 0 1

9 , 2 0 1

7 0 , 1 0 1

8 9

4 9 , 5 9

1 9 , 2 9

2 2 , 1 9

i

m u n o o P

l

h t u m s B

i

o P

4 8

i

B

3 8

b P

b m o P

l

2 8

m u

i l l

a h T

e r u c r e M

l

T

1 8

g H

0 8

u A

r

O

9 7

t

P

e n i t a P

l

8 7

m u d i r I

i

i

m u m s O

i

m u n é h R

e n è t s g n u T

l

e a t n a T

i

m u n f a H

r I

7 7

s O

6 7

e R

5 7

W

4 7

a T

3 7

f

H

2 7

0 , 2 2 2

0 , 0 1 2

0 , 0 1 2

0 , 9 0 2

2 , 7 0 2

4 , 4 0 2

6 , 0 0 2

7 9 , 6 9 1

1 , 5 9 1

2 , 2 9 1

2 , 0 9 1

2 , 6 8 1

5 8 , 3 8 1

5 9 , 0 8 1

5 , 8 7 1

A

) 0

I I I

V

u o (

e H

m u

i l

é H

3 0 0 , 4

e N

n o é N

8 1 , 0 2

r A

n o g r A

5 9 , 9 3

0 1

8 1

6 3

r K

n o t p y r K

2

. e r u t a n a l

s n a d s a p t n e t s i x e ’ n s e u q

i l a t i

n e

s t n e m é l é

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I

É L É D N E M

E D U A E L B A T (

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I

I

S E D E U Q D O R É P N O I T A C I F I S S A L C

3 . 2 u a e b a T

l

E P U O R G

A

I

e n è g o r d y H

H

1

A

I I

V

A

I

V

A V

A V

I

A

I I I

A

I I

8 0 0 , 1

. t i l é d

n u t s e

e é s i r o t u a

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e i p o c o t o h p

a L –

d o n u D ©

l

C

e r o h C

l

7 1

F

r o u F

l

9

0 0 , 9 1

0 0 , 6 1

e n è g y x O

O

S

8

6 1

N

e t o z A

1 0 , 4 1

P

7

5 1

C

e n o b r a C

1 0 , 2 1

m u c

i

i l i

i

S

4 1

S

6

e r f u o S

e r o h p s o h P

l

A

i

i

m u n m u A

l

5 4 , 5 3

6 0 , 2 3

7 9 , 0 3

9 0 , 8 2

8 9 , 6 2

B

e r o B

1 8 , 0 1

5

3 1

l

e o b m y S

m o N

C

e n o b r a C

1 0 , 2 1

6

i

e u q m o t a o r é m u N

i

e u q m o t a

e s s a M

l

e r u t a n

t n e m é é

l

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B

I I

B

I

I I I

V

B

I I

V

B

I

V

B V

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I

B

I I I

e B

m u

i l l

y r é B

4

i

L

i

m u h t i L

3

1 0 , 9

4 9 , 6

i

m u s é n g a M

i

m u d o S

1 3 , 4 2

9 9 , 2 2

g M

2 1

a N

1 1

0 8 , 3 8

1 9 , 9 7

6 9 , 6 7

2 9 , 4 7

9 5 , 2 7

2 7 , 9 6

7 3 , 5 6

4 5 , 3 6

r B

e m o r B

5 3

i

m u n é é S

l

i

c n e s r A

i

m u n a m r e G

m u

i l l

a G

e S

4 3

s A

3 3

e G

2 3

a G

1 3

n Z

c n Z

i

0 3

u C

e r v u C

i

9 2

i

N

l

e k c N

i

8 2

o C

t l a b o C

7 2

1 7 , 8 5

3 9 , 8 5

e F

r e F

5 8 , 5 5

e s è n a g n a M

e m o r h C

i

m u d a n a V

n M

5 2

r C

4 2

V

3 2

i

T

e n a t i

T

2 2

i

m u d n a c S

i

m u c a C

l

i

m u s s a t o P

c S

1 2

a C

0 2

K

9 1

4 9 , 4 5

0 0 , 2 5

4 9 , 0 5

0 9 , 7 4

6 9 , 4 4

8 0 , 0 4

0 1 , 9 3

6 2

4 4

m u i r t t

Y

Y

9 3

1 9 , 8 8

:

1 7

à

7 5

e i r é S

s e d

i

s e d n a h t n a

l

:

3 0 1

à

9 8

e i r é S

s e d

i

s e d n i t c a

m u i t n o r t

S

i

m u d b u R

i

2 6 , 7 8

7 4 , 5 8

r S

8 3

b R

7 3

a B

m u y r a B

6 5

s C

i

m u s é C

5 5

4 3 , 7 3 1

9 , 2 3 1

i

m u d a R

i

m u c n a r F

0 , 6 2 2

0 , 3 2 2

a R

8 8

r F

7 8

i

m u n é t u L

i

m u b r e t t

Y

u L

1 7

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0 7

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9 6

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8 6

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6 6

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5 6

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4 6

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3 6

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2 6

m P

1 6

d N

0 6

r P

9 5

e C

8 5

9 , 4 7 1

0 , 3 7 1

9 , 8 6 1

2 , 7 6 1

9 , 4 6 1

5 , 2 6 1

9 , 8 5 1

2 , 7 5 1

9 , 1 5 1

5 3 , 0 5 1

7 4 1

2 , 4 4 1

9 , 0 4 1

1 , 0 4 1

i

m u c n e r w a L

m u

i l

é b o N

i

l

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i

m u m r e F

i

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3 0 1

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2 0 1

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1 0 1

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0 0 1

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m u n r o f i l

f

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8 9

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k B

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i l

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7 9

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m u i r u C

6 9

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4 5 2

9 4 2

7 4 2

7 4 2

3 4 2

2 4 2

0 , 7 3 2

0 , 8 3 2

0 , 1 3 2

0 , 2 3 2

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0 , 7 2 2

9 8

:

i

s e d n i t c A

12

2 (cid:127) Composition chimique des matériaux

2.2

LIAISONS CHIMIQUES

2.2.1

Liaisons fortes

Liaison covalente. Elle est assurée par la mise en commun de deux électrons pour compléter la couche externe de chaque atome.

Elle apparaît entre deux atomes de non- métaux (liaison assurée par des électrons de la bande de valence).

Exemple. La molécule de dichlore Cl2.

Cl

Cl

Cl2

Na

Cl

Liaison ionique. Elle est assurée par le transfert d’un électron d’un atome à l’autre. Elle apparaît entre un atome d’un métal

et un atome d’un non-métal.

Après leur liaison, les deux atomes devien-

nent des ions chargés électriquement.

Cation Na+ Anion Cl–

Exemple. Le chlorure de sodium NaCl.

Liaison métallique. Elle est assurée par la mise en commun d’élec- trons de la couche périphérique; le « gaz » constitué par ces électrons libres et délocalisés assure la cohésion de l’ensemble des cations restants.

Elle apparaît entre les éléments d’un amas d’atomes métalliques (liaison assurée par les électrons de la bande de conduction).

Les électrons de la liaison métallique sont mobiles et disponibles pour assurer la circulation éventuelle d’un courant élec- trique.

Exemple. Cristal de sodium Na.

2.3 Classification des matériaux et des propriétés

13

2.2.2

Liaisons faibles ou liaisons secondaires

+

H

H +

O

–

–

H +

+ H

–

O

–

H +

+ H

–

O –

+

H

H +

O –

–

Ce sont de simples attractions élec- trostatiques entre charges électriques de signes opposés.

Elles apparaissent entre les pôles + et – de molécules à répartitions de charges inhomogènes ou polarisables. Elles agissent à plus longue dis- tance, mais avec une intensité plus faible que les liaisons fortes.

Exemples. (cid:127) Liaisons de Van der Waals entre macromolécules dans un polymère. (cid:127) Liaisons-hydrogène entre molécules d’eau H2O dans la glace (cf. schéma

ci-dessus).

2.3

CLASSIFICATION DES MATÉRIAUX ET DES PROPRIÉTÉS

2.3.1

Les grandes classes de matériaux

De nombreuses propriétés physico-chimiques et propriétés d’usage des matériaux sont étroitement liées à la nature des liaisons chimiques entre les atomes qui les constituent. C’est sur cette base qu’est établie la distinction entre les principales classes de matériaux.

Matériaux métalliques. Ce sont les métaux purs et leurs mélanges, ou alliages, comportant essentiellement des liaisons métalliques.

Matériaux organiques. Ce sont les matériaux d’origine biologique, les polymères et élastomères de synthèse, comportant des liaisons cova- lentes et des liaisons faibles.

Matériaux minéraux. Ce sont les roches, oxydes, verres minéraux, céramiques comportant des liaisons ioniques et/ou des liaisons covalentes.

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d o n u D ©

14

2 (cid:127) Composition chimique des matériaux

Matériaux composites. Ils associent de manière structurée à fine échelle des matériaux différents, appartenant éventuellement à des classes différentes parmi les trois précédentes.

2.3.2

Les propriétés d’usage

Les propriétés physico-chimiques et les propriétés d’usage des maté- riaux sont multiples et peuvent faire l’objet de diverses cl