Mechanical and Resistance of Materials : Part II - Material Knowledge and Usage PDF

Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux
Rappel
Chapitre 1-Structure de la matière
Chapitre 2-Propriétés mécaniques
Chapitre 3-Elaboration des métaux
Chapitre 4-diagrammes et équilibre des phases
Chapitre 5-Alliage Fer carbone
Chapitre...

Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux
Rappel
Chapitre 1-Structure de la matière
Chapitre 2-Propriétés mécaniques
Chapitre 3-Elaboration des métaux
Chapitre 4-diagrammes et équilibre des phases
Chapitre 5-Alliage Fer carbone
Chapitre 6-Traitement des matériaux
Chapitre 7-Désignation normalisée des aciers
Chapitre 8-Corrosion des métaux
Chapitre 9-Aciers à outils & Aciers inoxydables
Références :
Aide-mémoire science des matériaux – Michel Dupeux – DUNOD
Guide de mécanique sciences et technologies industrielles – Jean-Louis - FANCHON 1 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Microscopique ou macroscopique ? Les Sciences Physiques se proposent d’étudier les phénomènes dont l’accès direct est macroscopique. L’interprétation des phénomènes repose sur les comportements microscopiques de la matière, dont l’accès est indirect. Comment faire le lien ? 2 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche Microscopique ou macroscopique ? 1. L’approche microscopique décrit le comportement individuel des constituants d’un système (atomes, molécules, particules). 2. L’approche macroscopique ne s’intéresse qu’au comportement de l’ensemble des constituants du système, à une échelle facilement accessible à l’être humain. 3 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche microscopique : Notion d’atome, d’atome molécules
L’atome et la plus petite partie d’un élément qui puisse exister.
Les atomes s’associent pour donner des molécules. H2O 4 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche microscopique : Notion d’atome, d’atome molécules H2O La molécule de dichlore Cl2 Le chlorure de sodium NaCl 5 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche microscopique : Notion d’atome, d’atome molécules Liaison métallique Cristal de sodium Na
Elle est assurée par la mise en commun d’électrons de la couche périphérique;
Le « gaz » constitué par ces électrons libres et délocalisés assure la cohésion de l’ensemble des cations restants.
Les électrons de la liaison métallique sont mobiles et disponibles pour assurer la circulation éventuelle d’un courant électrique. 6 Mécanique et résistance des matériaux Cristal de sodium Na Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche microscopique : Notion d’atome, d’atome molécules a) amas atomes de métal: la bande de conduction comporte des électrons disponibles b) amas atomes de non-métal: la bande interdite a une largeur ΔE importante) c) amas d’atomes de semi-conducteur: la bande interdite a une largeur faible). 7 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche microscopique : Notion d’atome, d’atome molécules H2O 8 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche microscopique : mole et nombre d’Avogadro
La mole est l’unité de mesure de la quantité de matière.
Le nombre d’entités élémentaires (atomes, ions, molécules...) contenus dans une mole est appelé le Nombre d’Avogadro (NA) H2O 1mole (d’atomes, ions, molécules….) = 6,023×1023 (atomes, ions, molécules….) Une quantité de matière est décrite en mole. Cette notion permet de passer du microscopique au macroscopique. 9 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche macroscopique La matière est tout ce qui possède une masse et occupe un espace.
La matière est constituées de petites particules appelées molécules.
Suivant la matière, les molécules peuvent être différentes.
Dans la nature, il existe plusieurs milliers de molécules. Ainsi, en physique, tout ce qui a une masse est de la matière. Tous les objets, l’air, l’eau, l’huile…sont de la matière, ce sont des corps. 10 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche macroscopique : grandeurs caractéristiques de la matière Il y a 4 grandeurs caractéristiques de la matière et de ses états:
Le volume (V) : Détermine la place occupé par le corps (m³ ou Litre)
La masse (m) : mesure sa quantité de matière (Kg)
La pression (p) : correspond au rapport d’une force (F) sur l’aire de la surface (S) sur laquelle elle s’applique. (Pa - Pascal)
La température (T) : correspond au degré d’agitation des molécules. Plus la température est élevée, plus les molécules sont agitées et plus elles se dispersent augmentant le désordre moléculaire (K - Kelvin) 11 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche macroscopique : les états de la matière Du point de vue macroscopique les états de la matière sont solide liquide et gazeux.
Les solides ont une forme propre qui peut changer quand on exerce une pression sur eux.
Les liquides n’ont pas de forme propre, ils prennent toujours la forme du récipient dans lequel ils se trouvent.
Les gaz n’ont pas de forme propre, ils occupent tout le volume qui leur est offert. 12 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche macroscopique : Changement d’état • Un corps peut passer d’un état à un autre suivant un processus que l’on nomme changement d’état. Les changements d’état peuvent s’effectuer en influant sur la température et/ou la pression. 13 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche microscopique : Aspect quantitative de la matière Dans la nature:
A l’état gazeux, les molécules sont désordonnées et dispersées.
A l’état liquide, les molécules sont désordonnées et compactes.
A l’état solide, les molécules sont ordonnées et compactes. 14 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche microscopique : Comment sont disposées les molécules dans un gaz ? L’état gazeux, les molécules sont désordonnées et dispersées. Les molécules sont éloignées les unes des autres et sont agitées (sans cesse en mouvement). On dit qu’un gaz se diffuse. Les gaz occupent tout l’espace qui est mis à leur disposition. Rappel : Entre les différentes molécules, il y a du vide. C’est pour cette raison qu’un gaz est compressible et expansible. 15 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche microscopique : Comment sont disposées les molécules dans un liquide ? A l’état liquide, les molécules sont désordonnées et compactes. Les molécules sont agitées mais dans des proportions moins importante que pour les gaz. Il n’y a pas de diffusion possible. Un liquide est incompressible. 16 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Approche microscopique : Comment sont disposées les molécules dans un solide ? A l’état solide, les molécules sont ordonnées et compactes. Les molécules sont immobiles (aucun mouvement) 17 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Auto évaluation 1. Quelle est la différence entre une Approche Microscopique et une Approche macroscopique ?
Comportement individuel des constituants d’un système (atomes, molécules, particules).
Comportement de l’ensemble des constituants du système, à une échelle facilement accessible à l’être humain. 2. De quoi est constituée la matière ?
La matière est constituée de petites particules appelées molécules 3. C’est quoi un atome, une molécule, une mole?
Atome : est la plus petite partie d’un élément qui puisse exister
Molécule : est une association d’atomes
Mole : est la quantité de matière d'un système contenant 6,023×1023 entités élémentaires (atomes, ions, molécules...). 4. Comment sont disposées les molécules dans un gaz ?
Les molécules sont désordonnées et dispersées 5. Comment sont disposées les molécules dans un liquide ?
Les molécules sont désordonnées et compactes 18 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Auto évaluation 6. Comment sont disposées les molécules dans un solide ?
les molécules sont ordonnées et compactes 7. La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible.
Vrai ou Faux? 8. La matière est tout ce qui possède une masse et occupe un espace.
Vrai ou Faux? 9. Les états physiques de la matière sont solides, liquides , Fluide et gazeux.
Vrai ou Faux? 10. Les 4 grandeurs caractéristiques de la matière et de ses états sont : volume / masse / pression / température
Vrai ou Faux? 19 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux
Rappel
Chapitre 1-Structure de la matière
Chapitre 2-Propriétés mécaniques
Chapitre 3-Elaboration des métaux
Chapitre 4-diagrammes et équilibre des phases
Chapitre 5-Alliage Fer carbone
Chapitre 6-Traitement des matériaux
Chapitre 7-transformations-isothermes-aciers
Chapitre 8-Essaies Mécaniques 20 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière
Trois états sont couramment distingués, gazeux, liquide et solide. Prenons le cas du gaz rare argon (Ar) :
1. A l’état gazeux : la matière est diluée, désordonnée.
La position d’un atome ou molécule est indépendante des autres atomes ou molécules.
A un instant donné les atomes d’argon de diamètre 0, 2nm se trouvent a une vingtaine de diamètre les uns des autres et se déplacent a une vitesse de 100m/s.
2. A l’état liquide : la matière est plus condensée.
Les atomes sont à 0, 4nm et se Déplacent à une vitesse de 10m/s.
On a déjà un ordre à petite distance puisque les atomes sont proches les uns des autres.
3. A l’état solide : peut être amorphe ou cristallin,
l’état solide amorphe est caractérisée par l’absence de l’ordre à grande distance,
c’est le cas du verre par exemple. 21 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière
À l’état solide cristallin la matière est condensée et ordonnée.
Les atomes sont en contact les uns des autres et rangés périodiquement suivant un réseau tridimensionnel de symétrie cubique.
Ils vibrent autour d’une position moyenne mais ne changent quasiment pas de position.
L’état cristallin est l’état de la matière la plus importante, en fait 95% des matériaux métalliques sont cristallins. 22 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière L’état ordonné : les solides cristallisés
Les structures cristallines sont construites à partir d’un ensemble d’identités (atomes, ions, molécules) en position relativement fixe.
En faisant une description statique parfaite on ne prend pas en compte les défauts de l’arrangement qui sont fondamentaux dans la compréhension de certaines propriétés (cohésion, dureté, plasticité, conductibilité, couleur).
La texture inclut la taille, la forme, l’orientation des cristaux ou des grains de chaque phase, les interfaces entre grains.
Les interactions entre grains peuvent donner naissance à des matériaux dont les propriétés sont supérieures à celles des constituants pris séparément. 23 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière
Les cristaux sont obtenus par solidification d’un liquide, évaporation d’une solution ou condensation d’une vapeur.
Ils se caractérisent par une transition brusque passant d’un état désordonné a un état ordonné.
Ce sont des solides polyédriques dont la forme correspond à un des sept réseaux cristallins fondamentaux (qu’on va voir par la suite). 24 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Cristal parfait : Réseaux cristallins
Un cristal est formé par la juxtaposition et l’empilement de parallélépipédiques quelconques dans l’espace.
Ce dernier est défini par ses vecteurs a, b et c formant des angles α, β et γ.
On définit ainsi la maille élémentaire.
Sa répétition donne le cristal lorsqu’a chaque nœud est associé un atomes. 25 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Cristal parfait : Réseaux cristallins
Un atome placé en un nœud est caractérise par ses coordonnées a, b, c nombres entiers (en fait il vibre autour de sa position moyenne). 26 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Cristal parfait : Réseaux cristallins
Si le matériau est formé d’un seul grain il est dit monocristallin, s’il est composé de plusieurs il est appelé polycristallin.
Un grain est une zone de même orientation cristallographique.
Donc, un matériau monocristallin est un cristal dont le réseau est parfaitement organisé. (on peut le voir comme un seul gros grain).
Dans un matériau polycristallin, l'orientation du réseau n'est pas la même dans tout le matériau. 27 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Remarque :
Les grains sont séparés par des joints de grains, qui sont des zones dans lesquelles le réseau cristallin est "perturbé" puisqu'il s'agit d'une transition entre 2 orientations.
On peut distinguer à partir des vecteurs de base et des angles, les sept systèmes cristallins différents.
Si on ajoute des nœuds au centre des faces ou du parallélépipède on en obtient 14 qui forment les réseaux de Bravais. 28 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Tout cristal peut être décrit par l’un de 7 réseaux. 29 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Disposition des atomes dans un réseau cristallin
En fait, on peut avoir plusieurs configurations selon le nombre d’atomes disposés à chaque nœud.
Prenons l’exemple du cristal cubique à faces centrées (CC).
Un atome par nœud : c’est le cas des métaux, du cuivre par exemple. 30 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Disposition des atomes dans un réseau cristallin
Prenons l’exemple du cristal cubique à faces centrées (CC).
Deux atomes :
c’est le cas du chlorure de sodium.
Six atomes :
on a la cristobalite ( phase cubique de haute température de la silice). 31 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Liaisons cristallines
Les matériaux sont constitues d’atomes liés entre eux par des forces électromagnétiques qui naissent entre les électrons d’atomes voisins.
Le ”rayon” d’un atome est de 10-7 a 10−6mm (soit de 0, 1 à 1nm). L’attraction électrostatique entre les charges négatives des électrons et positives des noyaux est responsable de la cohésion des atomes dans les cristaux. 32 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Liaisons cristallines
Un atome est constitue d’un noyau et de Z électrons repartis en différentes couches K, L, M,... Le nombre d’électrons est limité dans chaque couche : 2 dans la couche K, 8 dans la couche L. 33 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Liaisons cristallines
L’énergie d’un électron (i.e. l’énergie nécessaire pour l’arracher de l’atome) est forte dans la couche K près du noyau (13, 6eV pour l’hydrogène et 115600eV pour l’uranium). 34 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Liaisons cristallines
Un cristal n’est stable que si son énergie totale E est inférieure à l’énergie totale des atomes libres places à l’infini.
Les forces qui lient les atomes peuvent être :
Des liaisons fortes (quelques eV ) à distance courte (0, 05nm),
Des liaisons faibles (quelques 0, 01eV ) à grande distance (0, 5nm) 35 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Liaisons cristallines : Liaisons fortes
Liaison ionique : cette liaison s’effectue par échange d’électron entre deux atomes.
Cette liaison est forte car elle sature la couche électronique extérieure des atomes qui deviennent des ions.
On peut prendre l’exemple du sodium Na et du chlore Cl qui donnent le cristal Na+Cl−.
Cette liaison concerne essentiellement les atomes qui possèdent beaucoup d’électrons de valence et ceux qui en ont peu.
On peut donner comme exemple les oxydes : magnésie (oxyde de magnésium), alumine... Cette liaison n’a pas de direction privilégiée. 36 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Liaisons cristallines : Liaisons fortes
Liaison covalente : elle concerne des matériaux tels que le diamant, la silice, le verre, le tungstène ...
Elle consiste en la mise en commun d’électrons de deux atomes sur une même orbite.
En fait le plus souvent ceci permet de saturer la couche électronique extérieure.
Cette liaison est dirigée, anisotrope. 37 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Liaisons cristallines : Liaisons fortes
Liaison métallique : cette liaison se caractérise par la mise en commun des électrons de liaison qui ne sont plus localises entre les atomes (covalente) ou sur un ion (ionique) mais qui sont repartis dans l’ensemble du réseau d’ions.
On peut prendre l’exemple du sodium qui a un électron de valence.
Dans le cristal de sodium chaque atome perd un électron de valence de telle sorte que ce cristal peut être vu comme un ensemble d’ions Na+ baignant dans un nuage d'électrons libres. 38 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Liaisons cristallines : Liaisons faibles
Les liaisons fortes ne permettent pas d’expliquer la formation de matériaux tels que la Glace, les polymères.
Il faut rappeler que dans la plupart des matériaux à liaison covalente le barycentre des charges positives n’est pas confondu avec celui des charges négatives.
Il s’ensuit la formation d'un dipôle électrique. 39 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Liaisons cristallines : Liaisons faibles
Liaison de Van der Waals : c’est l’attraction entre ces dipôles qui en est responsable.
Une simple augmentation de la température (agitation thermique) suffit à rompre ces liaisons (c’est le cas de l’azote liquide).
Dans le cas de la glace on la dénomme liaison hydrogène car c’est l’atome d’hydrogène qui est en la cause. Ces liaisons se caractérisent par la température de fusion basse (glace, polymères). 40 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Formes polyédriques de la Structure cristalline 41 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Formes polyédriques de la Structure cristalline
Cellule cubique simple
Nombre d’atome par cellule : 8*1/8=1
Densité atomique = 4/3. pi r3/a3
Comme les atomes se touchent selon le coté: a=2r
Donc la densité atomique = pi/6 =0.53
C'est-à-dire dans une cellule cubique simple il y'a 47 % du vide 42 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Formes polyédriques de la Structure cristalline
Cellule Cubique centrée
Nombre d’atome par cellule : 8*1/8+1 =2
Densité atomique = 4/3 pi r3/a3*2
Comme les atomes se touchent selon la diagonale : a=4r/ (30.5)
Donc la densité atomique = pi (3)0.5/8 =0.68
C'est-à-dire dans une cellule cubique centrée il y'a 32 % du vide 43 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Formes polyédriques de la Structure cristalline
Cellule cubique à face centrée
Nombre d’atome par cellule : 8*1/8+6*1/2 =4
Densité atomique = 4/3 pi r3/a3*4
Comme les atomes se touchent selon la petite diagonale : a=4r/ (20.5)
Donc la densité atomique = 74%
C'est-à-dire dans une cellule cubique à face centrée il y'a 26. % du vide 44 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Imperfections dans les cristaux
Les cristaux sont rarement parfaits, ainsi les cristaux réels ne sont pas simplement formés d’atomes identiques dans des sites identiques dans une structure régulière répétée, mais ils contiennent des imperfections ou défauts.
Plusieurs propriétés importantes sont déterminées par différentes imperfections dans ces réseaux cristallins.
Ces imperfections sont caractérisées géométriquement selon comment le réseau est touché : en un point, le long d’une ligne ou sur une surface. 45 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Imperfections en un point (ou locale)
L’imperfection en un point est une interruption locale dans la régularité du réseau, elle est causée par :
une absence d’un atome (qui devrait être présent pour un cristal parfait),
par un atome impureté,
ou un atome qui n’est pas à sa place (occupe un site qui ne devrait pas être occupé). 46 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Imperfections en un point (ou locale)
Les cas de ces imperfections les plus souvent rencontrés sont représentés dans les figures suivantes:
Dans les imperfections dans les cristaux ioniques on trouve le cas :
d’un atome manquant : inoccupation ,
d’un atome étranger présent (qui occupe la place d’un atome du réseau): impureté substitutionnelle ,
d’un atome étranger dans l’interstice du réseau : impureté interstitielle …. 47 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Imperfections en un point (ou locale)
Les cas de ces imperfections les plus souvent rencontrés sont représentés dans les figure suivante.
Dans un cristal un atome peut quitter sa place dans le réseau et aller occuper un interstice, cette imperfection est appelée Imperfection de Frenkel .
Lorsque l’absence d’un cation est associée avec une absence d’un anion, on est dans le cas de l’imperfection de Schottky. 48 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Imperfection selon une ligne :
Les imperfections selon une ligne sont comme les imperfection en un point, elles sont définies par la manière par la quelle leurs présence cause une interruption dans la régularité du réseau, et qui sans elles le réseau serait parfait.
Dans ce cas le problème s’identifie sur une ligne donnée du réseau.
Ainsi la ligne d’imperfection est la ligne qui sépare deux régions de surface parfaites mais pas de même registre. Cette ligne d’imperfection s’appelle dislocation. 49 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Imperfection selon une ligne :
Dans un cristal cubique simple, deux types de dislocations :
une dislocation coin, dont la ligne de dislocation L est perpendiculaire au vecteur de Burgers ; elle correspond à l’interruption d’un plan atomique le long d’une ligne ce qui conduit à une forte distorsion du réseau atomique avec des zones en traction et d’autres en compression.
une dislocation vis, dont la ligne de dislocation L est parallèle au vecteur de Burgers . Dans ce cas on a un cisaillement du réseau 50 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Imperfection selon une ligne :
Il peut évidemment exister des dislocations mixtes, dont la ligne fait un angle compris entre 0 et 90° avec le vecteur de Burgers.
Lorsque la ligne de dislocation se courbe, son vecteur de Burgers demeure constant
Tout le long de la ligne; le caractère coin, vis ou mixte n’est défini que localement. 51 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Imperfection selon une ligne :
Pour des raisons topologiques (comme pour un pli dans un tissu), une ligne de dislocation ne peut se terminer en un point intérieur d’un cristal; elle se termine obligatoirement :
en se refermant sur elle-même (« boucle de dislocation »);
ou sur une surface libre;
ou sur un autre défaut cristallin (autre dislocation, joint de grains…). 52 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Imperfections de surface
L’imperfection de surface d’une structure est identifiée par le changement d’entassement des plans atomiques à travers une frontière.
On trouve dans cette catégorie
les joints de grains
et les macles. Polycristal, et schématisation à deux dimensions d’un joint de grains et d’un joint de phases 53 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Imperfections de surface
Les joints de grains correspondent à la limite entre les différents grains d’un matériau polycristallin.
Les joints de grains ont une épaisseur de quelques couches atomiques, sont des zones fortement distordues ce qui permet l’insertion d’atomes.
Si les grains sont systématiquement élastiquement anisotropes, le poly-cristal peut être isotrope en raison de l’orientation aléatoire des orientations cristallines. joints de grains 54 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Imperfections de surface
Les macles (changement d’orientation) correspondent à des défauts dans l’ordre d’empilement des couches d’atomes.
On peut donc trouver à l’intérieur d’un même grain des traces de maclage. Schématisation à deux dimensions d’un joint de macle. Le cristal maclé et le cristal mère sont identiques à une symétrie près. 55 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Imperfections volumiques
On a de tels défauts lorsqu’une partie du cristal est remplacé par un autre matériau : inclusion ou précipité.
Ils jouent un rôle très important pour la modification des propriétés des matériaux (limite élastique par exemple). a) Précipité cohérent : continuité de certains plans cristallins entre le précipité et la matrice. b) Précipité semi-cohérent : les déformations sont relaxées par la présence de dislocations aux interfaces. c) Précipité incohérent. 56 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Conséquences macroscopiques
Les propriétés d’un matériau dépendent du type de liaison atomique, de la structure cristalline et des défauts internes.
Il n’est pas étonnant de savoir que les propriétés telles que fragilité, ductilité, élasticité, dilatation thermique se déduisent aisément de la nature des liaisons.
Commençons par l’élasticité qui a fait l’objet d’études des le 17e siècle a savoir :
Hooke (1635, 1703) a donné la relation de proportionnalité entre allongements et efforts appliqués,
Cauchy (1789, 1857) a développé la notion de déformation d’un milieu continu 57 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Conséquences macroscopiques
La plupart des matériaux possède un domaine de l’espace des contraintes (ou des déformations) à l’intérieur duquel une variation des sollicitations n’entraıne qu’une variation réversible des déformations.
On a à l'intérieur de ce domaine un mouvement réversible d’atomes
soit régulièrement disposés (cristal),
soit organisés dans des chaınes moléculaires (Polymères).
Afin de comprendre l’origine de ce comportement il est fondamental d’étudier a la fois les différents types de liaisons interatomiques et l’organisation de la matière, ces deux points intervenant dans l’élasticité macroscopique... 58 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux Chapitre 11-Structure de la matière Conséquences macroscopiques
Il est à noter aussi que plus la température de fusion est élevée, plus le module de rigidité est grand, en voici un exemple : 59 Mécanique et résistance des matériaux Partie II : Connaissance et utilisation des matériaux
Rappel
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Chapitre 2-Propriétés mécaniques
Chapitre 3-Elaboration des métaux
Chapitre 4-diagrammes et équilibre des phases
Chapitre 5-Alliage Fer carbone
Chapitre 6-Traitement des matériaux
Chapitre 7-Désignation normalisée des aciers
Chapitre 8-Corrosion des métaux
Chapitre 9-Aciers à outils & Aciers inoxydables
Références :
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