Chimie Des Materiaux PDF

 

Dr. Gilles OLIVE

Chimie des M a t ér ia u x Etude ! Etude

des caractéristiques générales des matériaux métalliques

Etude ! Etude

des propriétés physiques, chimiques et mécaniques des matériaux

Différentes ! Différentes

techniques

pour

améliorer

les

 propriétés mécaniques des matériaux ! Les Les

verres

! Les Les

céramiques

Les ! Les

liants hydrauliques

! Les Les

matières plastiques

! ANNEXES

et LABORATOIRES 3ème Edition

 

Penser (peser) est fonction de peseur, non fonction de balance. (Alain)

L'expérience est le nom que chacun donne à ses erreurs. (Oscar Wilde)

Qu'il est difficile d'être simple... (Vincent van Gogh, lettre à Paul Gaugin, 1890)

 

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SOMMAIRE

C HAPI HAPI T RE 11:: ÉTUDE ÉTUDE DES C A RA RAC C T ÉRI ST I QUES G GÉNÉRA ÉNÉRALES LES DES  MAA TE R I A UX M  M MÉÉ TA TALL L I QUE S __ _____ _____ ____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ ____ __ 9 1.1.1.1.1. Liaiso Liaisons ns différent métall métalliques iques __________ __________ __________ ___________ ____________ ___________ ___________ ___________ ___________ ____________ __________9 ____9 Les diff érents s types_____ de liaisons liais ons_______ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________ _9 1.1.2. Les liaiso 1.1.2. liaisons ns mé métal talliq liques ues _______ ___________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ______ 10 1.1.3. 1.1 .3. Les types types de solides solides (type (type de liaiso liaisons) ns) _______ __________ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _____ __ 10 1.1.3.1. 1.1.3. 1. Métalliques____ Métalliques___________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _________ 10 1.1.3.2. 1.1.3. 2. Sels (liaisons (liaisons ioniques)____ ioniques)___________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _________ 10 1.1.3.3. 1.1.3. 3. Moléculair Moléculaires_________ es________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ ______________ ___________ ____ 10 1.1.3.4. 1.1.3. 4. Covalents Covalents _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _____________ ______ 11 Remarques Rema rques sur les interaction interactionss de Van der Waals ______________ _____________________ _______________ _______________ _________ 11 a) Les interactions interactions dipôle-dip dipôle-dipôle ôle _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ __________ __ 11  b) Les interactions dipôle-dipôle induit__________________________________ induit __________________________________________________ ________________ 11 c) Les interactions interactions dipôle induit-dipôl induit-dipôlee induit______________ induit_____________________ _______________ _______________ _______________ __________ 11

1.2. Le rése réseau au crist cristallin allin _____ __________ __________ __________ __________ __________ __________ __________ __________ __________ __________ __________ _________12 ____12 1.2.1. 1.2.2.

Il existe existe 7 réseaux réseaux cristallin cristallinss _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ __________ 12 Les propriété propriétéss physico-ch physico-chimiq imiques______ ues______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _____________ ______ 14 REMARQUES REMA RQUES:: _______________ ______________________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ___________ ____ 15

1.2.3.

Le nombre nombre d'atomes d'atomes par maille maille________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ ______ 15

1.3. Les déf défauts auts au sein des solides ccristall ristallins ins _____ __________ __________ ___________ ___________ __________ ___________ ___________ _________15 ____15 1.3.1. Ponctu 1.3.1. Ponctuels___ els_______ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ _______ ___ 15 1.3.1.1. 1.3.1. 1. Les lacunes_______________ lacunes_______________________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ _____________ _____ 16 1.3.1.2. 1.3.1. 2. Les défauts défauts autoauto-inter interstitie stitiels ls _______________ _______________________ _______________ _______________ ________________ _______________ ____________ _____ 16 1.3.1.3. 1.3.1. 3. Les défauts défauts interstitiels interstitiels étrangers étrangers________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ __________ __ 16 1.3.1.4. 1.3.1. 4. La substituti substitution on _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ __________ 16 REMARQUE REMA RQUE _______________ ______________________ _______________ ________________ _______________ _______________ _______________ ____________ _____ 17 1.3.2. Linéai 1.3.2. Linéaires res _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ ______ __ 17 1.3.2.1. 1.3.2. 1. Dislocation Dislocation coin _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ __________ 17 1.3.2. 1.3 .2.2. 2. Disloc Dislocati ation on vis1 __________________________  _______________________________________________________ __________________________________________ _____________ 19 1.3.3. 1.3 .3. De plan, plan, de surface surface ________ ____________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ______ 20

1.4. Diagra Diagramme mme de phases _____ __________ __________ __________ __________ ___________ ___________ __________ ___________ ___________ __________ __________20 _____20 1.4.1. 1.4.1. 1.4.2. 1.4 .2.

Le corps corps pur (solid (solidifi ificat cation ion)) _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ ______ __ 21 Mélang Mélangee (soli (solidif difica icatio tion) n) _______ ___________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ______ 21 Diagramm Diagr ammee en fuseau fuseau _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ ______________ _______________ __________ 22 Eutectique Pb-Sb_______________________________ Pb-Sb _______________________________________________________________ __________________________________ __ 23 Eutectique Eutect ique Ag-Cu Ag-Cu _______________ ______________________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ____________ _____ 23

1.4.3. Un exemple 1.4.3. exemple particu particulie lierr des phases phases:: Fe-C Fe-C _______ __________ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ____ 24 1.4.3.1. 1.4.3. 1. Informati Informations ons sur le le fer pur pur _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _________ 24 1.4.3. 1.4 .3.1.1 1.1.. Plusie Plusieurs urs techni technique quess pour obtenir obtenir du fer pur _______ ___________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _____ 24 1.4.3.1.2. 1.4.3. 1.2. Dans le le commerc commerce, e, il y a différe différents nts types types de fer fer qui se distingu distinguent ent par par leurs leurs impuretés impuretés ________ ________ 24 1.4.3.1.3. 1.4.3. 1.3. Propriété Propriétéss du fer _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ___________ ____ 24 1.4.3.1.3.1 1.4.3. 1.3.1.Physico.Physico-chimi chimique que _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______ 24 1.4.3.1.3.2 1.4.3. 1.3.2.Physico.Physico-chimi chimique que _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______ 25 1.4.3.1.4. Courbe 1.4.3.1.4. Courbe de refroidiss refroidissemen ementt du fer ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _____________ ______ 25

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1.4.3.2. 1.4.3. 2. Alliage Alliage Fer-Carbo Fer-Carbone__________ ne_________________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ __________ __ 26 Graphique Grap hique simplifié simplifié Fe-C _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ ______________ ______ 27

CHAP I T RE 22:: ETUDE CHAP ETUDE D DES ES PRO ROPP RI ÉTÉS P HYS HYSII QUES, CHIMI QUES ET   MÉÉ CA  M CAN N I QUE S DE S MA MATÉ TÉ R I A UX __ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ 28 2.1. Propri Propriétés étés chimiques________ chimiques_____________ __________ ___________ ____________ ___________ ___________ ___________ ___________ ___________ ___________2 ______288 2.1.1. Oxydat 2.1.1. Oxydation ion par les acides______ acides_________ _______ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ____ 28 2.1.1.1. 2.1.1. 1. Le fer se dissout-i dissout-ill dans une solution solution d'acide d'acide chlorhydri chlorhydrique que ?_______ ? ______________ ______________ ______________ ____________ _____ 29 2.1.1.2. 2.1.1. 2. Et le cuivre ? ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ___________ ____ 29 2.1.2. 2.1 .2. Oxydat Oxydation ion par l'eau l'eau____ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ______ 29 2.1.2.1. 2.1.2. 1. Le sodium sodium réagit réagit-il -il avec avec l'eau l'eau ? _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ___________ ___ 29 2.1.2.2. 2.1.2. 2. Et le cuivre cuivre réagiraréagira-t-il t-il avec avec l'eau l'eau ? _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _________ 29 2.1.3. 2.1 .3. Obser Observat vation ionss _______ ___________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ______ __ 30 2.1.4. 2.1 .4. Diagra Diagramm mmee de Pourba Pourbaix ix ________ ___________ _______ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _____ __ 30 2. 2.1. 1.4. 4.1. 1. Cu Cu/H /H2O__________ O_________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ ____________ _____ 31 2.1.4. 2.1 .4.2. 2. Exerci Exercice: ce: Zn/H Zn/H2O _______ ______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ _______________ _______ 33 Le diagramme de Pourbaix Zn/H2O lui-m lui-même:_______ ême:_______________ _______________ _______________ _______________ ____________ _____ 38

2.2. Propri Propriétés étés physiques _____ __________ __________ __________ __________ ___________ ____________ ___________ ___________ ____________ ____________ _________38 ___38 2.2.1. 2.2 .1.

Conduc Conductiv tivité ité éle électr ctriqu iquee _______ ___________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ ______ ___ 38 Il existe 3 types de métaux métaux en fonction des des propriétés propriétés électriques électriques ___________________________ 39

2.2.2. 2.2 2.2.3. .3.

Conductivit Condu é ique thermique____ therm _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________ 39 Masse Mas se ctivité volumiqu volum e etique____________ densité densité _______________ _______ ___________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ______ ___ 39 Paramètres pour calculer calculer la masse volumique d'un métal: métal: _______________________________ 40

2.3. Propri Propriétés étés m mécaniques écaniques _____ __________ __________ __________ __________ __________ __________ ___________ ___________ ___________ ___________ _________40 ____40 2.3.1. 2.3.1. 2.3.2. 2.3 .2.

La dureté dureté de Mohs Mohs _______ ___________ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ ______ 41 Brinel Brinelll _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ____ 41 HB = IIndice ndice de dureté dureté Brinell________________________ Brinell_____________________________________________________ _____________________________ 42

2.3.3. 2.3 .3.

Vicker Vickerss _______ ___________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ ______ ___ 42 HV = Indice de dureté Vickers____________________________ Vickers ____________________________________________________ ________________________ 43

2.3.4. 2.3 .4.

Rockwe Rockwell_______ ll__________ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ ______ __ 43 HRC (ou HRB) = Indices Indices de dureté dureté Rockwell ______________ ______________________ _______________ ______________ ___________ ____ 43

2.3.5. 2.3.5. 2.3.6. 2.3 .6.

Essais Essais de dureté dureté.. _______ __________ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ ____ 43 Autres Autres types types de dureté duretéss _______ ___________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ______ __ 45

C HAPI HAPI T RE 33:: DIFF ÉRENT ÉRENTES ES T ECHN ECHNII QUES P OUR AAM M ÉLI ORER LLES ES PROPRI PR OPRI É TÉ S MÉ CAN CANII QUE S DE S MA MATÉ TÉ RI AUX AUX__________________________ 46 3.1. Trait Traitements ements thermiques _____ __________ __________ __________ ___________ ___________ ___________ ___________ ___________ ____________ ___________ ______46 _46 3.1.1. Le recuit 3.1.1. recuit _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ______ __ 46 3.1.1.1. 3.1.1. 1. D'adoucisse D'adoucissement ment_______ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ __________ __ 46 3.1.1.2. 3.1.1. 2. De normalisat normalisation ion _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ _______ 46 3.1.1.3. 3.1.1. 3. De détente détente _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ____________ _____ 46 3.1.1.4. 3.1.1. 4. D'homogénéi D'homogénéisatio sation____________ n___________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _________ __ 46 3.1.2. 3.1 .2. La tremp trempee _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _____ __ 46 3.1.3. 3.1 .3. Le re reven venuu _______ ___________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ______ 47

3.2. Trait Traitements ements chimique chimiquess superfi superficiels ciels _____ __________ __________ __________ __________ __________ __________ __________ ___________ ___________47 _____47 3.2.1. Céme émenta ntation2 on2  ___________________________________________________________  ______________________________ __________________________________________ _____________ 47 3.2.1.1. 3.2.1. 1. Etape d’enrichis d’enrichisseme sement nt en carbone carbone _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _________ 47

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3.2.1. 3.2 .1.1.1 1.1.. Cément Cémentati ation on en caisse caisse ________ ___________ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ ______ ___ 47 3.2.1. 3.2 .1.1.2 1.2.. Cément Cémentati ation on en bains bains de sel selss _______ __________ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ______ __ 48 3.2.1. 3.2 .1.1.3 1.3.. Cément Cémentati ation on gaz gazeus eusee _______ ___________ ________ _______ _______ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _____ 48 3.2.1.2. Traitemen 3.2.1.2. Traitements ts thermique thermiquess après après cémentati cémentation on _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ __________ __ 48 3.2.2. 3.2 .2. Carbon Carbonitr itrura uratio tionn ________ ____________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ ______ ___ 48 3.2.3. Nitruration Nitruration________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ ________ 49 Caractéris Carac téristiques tiques:: _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _____________ ______ 49

CHAPI CH API TRE 4:

LE S V E RR E S ________________________________________ 50

4.1. Généra Généralités lités _____ __________ __________ __________ ___________ ___________ ___________ ___________ ___________ ____________ ___________ ___________ ___________ ______50 _50 Verre ordinaire ou verre sodocalcique_________________________________________________ sodocalcique____________________________________ _____________ 50 Verree à vitres___________________ Verr vitres___________________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ___________ ____ 50 Verre borosilicate ou pyrex _________________________________________________________ ______________________________ ___________________________ 50

4.2. Struct Structure ure du verre verre_____ __________ __________ ___________ ____________ ____________ ____________ ___________ ___________ ____________ ____________ _________51 ___51 4.3. Propri Propriétés étés du verre _____ __________ __________ __________ ___________ ____________ ____________ ____________ ___________ ___________ ____________ _________52 ___52 4.3.1. Propri 4.3.1. Propriété étéss optiqu optiques es _______ ___________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _____ __ 52 4.3.1.1. 4.3.1. 1. Transpare Transparence nce ______________ ______________________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ___________ ____ 52 4.3.1. 4.3 .1.1.1 1.1.. Dans Dans le visibl visiblee _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ______ 52 4.3.1.1.2. 4.3.1. 1.2. Dans l'ultraviol l'ultraviolet_______ et_______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ___________ ___ 53 4.3.1. 4.3 .1.1.3 1.3.. Dans Dans l'infr l'infraro arouge uge ________ ___________ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ______ __ 53 4.3.1.2. Indice 4.3.1.2. Indice de réfraction réfraction (n)______________ (n)______________________ _______________ ______________ ______________ _______________ _______________ ____________ _____ 53 4.3.2. 4.3 .2. Propri Propriété étéss therm thermiqu iques es _______ __________ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _____ 53 4.3.2.1. 4.3.2. 1. Conductivit Conductivitéé thermique thermique _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ ______________ _______________ __________ __ 53 4.3.2.2. 4.3.2. 2. Résistance Résistance aux chocs chocs thermiques thermiques_______ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ ___________ ____ 54 4.3.3. 4.3 .3. Propri Propriété étéss électr électriqu iques es _______ ___________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ ______ ___ 54

4.4. Exempl Exemples es pratiqu pratiques es de verres__________ verres_______________ ___________ ___________ __________ ___________ ___________ ___________ ___________ ________54 ___54 4.4.1. 4.4.1. 4.4.2. 4.4.3. 4.4 .3. 4.4.4. 4.4 .4. 4.4.5. 4.4 .5. 4.4.6. 4.4 .6.

Verre Verre silico silico-s -sodo odo-ca -calci lcique que _______ ___________ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ______ __ 54 Verre Verre boro silicate_______ silicate_______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ __________ ___ 55 Sil Silice ice vitreu vitreuse se _______ ___________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ______ 55 Alumi Alumino no silica silicate te _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ____ 55 Verre Verre d'o d'opti ptique que ________ ___________ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ____ 55 Fibres Fibres optiqu optiques es ________ ____________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ____ 55

CH API TRE 5:

LE S CÉ CÉRA RAMI MI QUE UESS ___________________________________ 56

5.1. Généra Généralités lités _____ __________ __________ __________ ___________ ___________ ___________ ___________ ___________ ____________ ___________ ___________ ___________ ______56 _56 5.2. Définit Définitions ions des céramiq céramiques ues _____ __________ __________ __________ ___________ ___________ __________ ___________ ___________ ___________ ___________56 _____56 5.2.1. 5.2.2.

Deux grands grands types de céramique céramiques_____________ s_____________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ ______ 56 Les céramiques céramiques sont des produits produits dont la fabri fabrication cation comporte comporte les caractéris caractéristiques tiques suivantes: suivantes: __________ __________ 56

5.3. Elémen Eléments ts de structure au niveau des céramique céramiquess _____ __________ __________ __________ __________ __________ __________ __________57 _____57 5.4. Les différen différentes tes étapes de fabrication _____ __________ ___________ ____________ ____________ ____________ ____________ ____________ __________57 ____57 5.5. Propri Propriétés étés mécanique mécaniquess des céramiques _____ __________ __________ __________ __________ __________ __________ __________ __________ ________57 ___57 5.5.1. 5.5.1. 5.5.2. 5.5 .2.

Str Struct ucture ure ________ ___________ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ______ 57 Pr Propr opriét iétés és mécan mécaniqu iques es ________ ___________ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ______ __ 57

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CHAPI TRE 6:

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LE S LI ANTS HYDR AULI QUES _________________________ 59

6.1. 6.1. Le cime ciment nt3  ____________________________________  _______________________________________________________________________59 ___________________________________59 6.1.1. Quelqu 6.1.1. Quelques es défini définitio tions ns _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ____ 59 6.1.2. 6.1 .2. Le princi principe pe de fabric fabricati ation on du ciment ciment _______ ___________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ______ __ 60 6.1.3. 6.1 .3. Le proces processus sus chimiq chimique ue _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ ______ ___ 60 6.1.3.1. 6.1.3. 1. Production Production d'alum d'aluminate inate monocal monocalcique, cique, de silicate silicate bicalciq bicalcique ue et de chaux. chaux. ______________ ______________________ __________ 61 6.1.3.2. Combinaison partielle partielle à plus haute température de ces derniers, pour former former des aluminates et des silicates tricalciques._______________________________________________________ tricalciques._________________________ _______________________________________________ _________________ 61 6.1.3.3. 6.1.3. 3. Les réactions réactions chimiqu chimiques es lors de la mise mise en œuvre du ciment_________ ciment_________________ _______________ ______________ __________ ___ 61

6.2. Le b bééton4  _____________________________________  ________________________________________________________________________62 ___________________________________62 6.2.1. La concep 6.2.1. conceptio tionn et la mise mise en œuvre œuvre d'un béton béton frai fraiss ________ ___________ _______ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ ______ ___ 62 6.2.2. Les propriété propriétéss du du béton béton après après l'hydr l'hydratati atation on (béton (béton durci) durci) ______________ ______________________ _______________ ______________ __________ ___ 63 6.2.3. 6.2 .3. Les dégra dégradat dation ionss du béton béton _______ ___________ ________ _______ _______ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ____ 63 6.2.3.1. 6.2.3. 1. Les problème problèmess d'ordre d'ordre physiques physiques _______________ _______________________ _______________ ______________ _______________ _______________ __________ ___ 64 6.2.3.2. 6.2.3. 2. les problèm problèmes es d'ordre d'ordre chimique chimique liés liés à la compos composition ition du béton ou à son son environne environnement ment ____________ ____________ 64 6.2.3.2.1. 6.2.3. 2.1. le phénomène phénomène de la carbonatat carbonatation_____ ion____________ ______________ _______________ _______________ ______________ ______________ _________ __ 64

6.2.3.2.2. 6.2.3. 2.2. la corrosion corrosion par le sel _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______ 64 6.2.3.2.3. 6.2.3. 2.3. les réactions réactions sulfatiques sulfatiques _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ____________ _____ 65 6.2.3.2.4. 6.2.3. 2.4. les réactions réactions alcali-gra alcali-granulats____ nulats____________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ____________ _____ 65 6.2.3.2.5. 6.2.3. 2.5. La réaction réaction alcali-sil alcali-silice_______ ice______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ ______ 65 6.2.3.3. les conséquences 6.2.3.3. conséquences de la réaction réaction alcali-silice_ alcali-silice_________ _______________ ______________ ______________ _______________ _______________ _________ __ 65 6.2.3.4. 6.2.3. 4. La recherche_______ recherche_______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ____________ _____ 66

6.3 6.3. Le p plâ lâttre5 _____________________________________  ________________________________________________________________________66 ___________________________________66 6.3.1. Les propriétés propriétés du plâtre________ plâtre________________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ____________ _____ 66 6.3.1.1. 6.3.1. 1. Homogénéit Homogénéitéé _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _________ __ 66 6.3.1.2. 6.3.1. 2. Constance____________ Constance____________________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ __________ 66 6.3.1.3. 6.3.1. 3. Coefficie Coefficient nt d'expansio d'expansionn _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ __________ ___ 66 6.3.1.4. 6.3.1. 4. Autres Autres caractéris caractéristique tiquess _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ ___________ ____ 66 6.3.1.5. 6.3.1. 5. Temps Temps de prise et périod périodee de plasticité plasticité _______________ ______________________ ______________ _______________ _______________ _____________ ______ 67 6.3.2. 6.3 .2. Quantit Quantitéé plâtre plâtre-ea -eauu _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ______ 67 6.3.2.1. 6.3.2. 1. A l'œil___________________ l'œil__________________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ____________ _____ 67 6.3.2.2. 6.3.2. 2. En mesurant mesurant _______________ _______________________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ___________ ____ 67

CHAPI TRE 7:

LE S M MATI ATI È RE S PLAST PLASTII QUES _________________________ 68

7.1. Définiti Définition on _____ __________ __________ __________ __________ ___________ ___________ ___________ ___________ ___________ ____________ ___________ ___________ ________68 __68 7.1.1. Réacti 7.1.1. Réaction on d'addi d'addition tion ________ ____________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ____ 68 7.1.2. 7.1 .2. Réacti Réaction on de conden condensat sation ion _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ______ 68 7.1.2.1. 7.1.2. 1. Polyester_____ Polyester____________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ __________ __ 69 7.1.2.2. 7.1.2. 2. Polyamide Polyamide _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ____________ _____ 69 7.1.2.3. 7.1.2. 3. Résines Résines à base de formo formoll _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _________ 70

7.2. Classif Classificatio ication n des différent différentss polymè polymères res _____ ___________ ___________ ___________ ___________ ___________ ____________ ___________ _________71 ____71 7.2.1. Classe 7.2.1. Classeme ment nt lié à la struct structure ure _______ __________ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ _______ ___ 71 7.2.1.1. 7.2.1. 1. Polymères Polymères linéaires linéaires _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _____________ ______ 71 7.2.1.1.1. 7.2.1. 1.1. Homopolymè Homopolymères res ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ___________ ____ 71 Remarques:__________ Rema rques:_________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ____________ _____ 72 Quelques propriétés dues à la tacticité:______________________________________________ tacticité:________________________________ ______________ 72 7.2.1.1.2. 7.2.1. 1.2. Copolymèr Copolymères__________ es_________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ___________ ____ 72 7.2.1.2. Polymères 7.2.1.2. Polymères ramifiés______ ramifiés_____________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ ______________ _________ __ 72 7.2.1.3. 7.2.1. 3. Polymères Polymères à cycles cycles dans dans la chaîne chaîne _______________ ______________________ ______________ _______________ _______________ ______________ __________ ___ 74 7.2.1.4. 7.2.1. 4. Polymères Polymères tridimensionn tridimensionnels els _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______ 74

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7.2.2. Classe 7.2.2. Classeme ment nt lié à certai certaines nes proprié propriétés tés _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ _______ ___ 74 7.2.2.1. 7.2.2. 1. Thermoplast Thermoplastiques___________ iques___________________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ ____________ ____ 74 7.2.2.2. 7.2.2. 2. Thermodurci Thermodurcissabl ssables es _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _____________ ______ 75 7.2.2.3. 7.2.2. 3. Elastomèr Elastomères es ______________ _____________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _____________ ______ 75 7.2.3. Classemen Classementt lié à la morphologi morphologiee _______________ ______________________ ______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______ 75 7.2.3.1. 7.2.3. 1. Polymères Polymères amorphes amorphes ______________ ______________________ _______________ ______________ ______________ _______________ _______________ _____________ ______ 75 7.2.3.2. 7.2.3. 2. Polymères Polymères semi-cri semi-cristall stallins ins _______________ ______________________ _______________ ________________ _______________ _______________ _______________ _______ 76 7.2.3.3. 7.2.3. 3. Polymères Polymères à deux phases phases amorphes amorphes ________________ _______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______ 77 Remarque: Rema rque: _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ __________ ___ 77

7.3. Transi Transition tion de phase au niveau des polymères_____ polymères__________ __________ __________ __________ __________ __________ __________ ________77 ___77 7.3.1. 7.3.1. 7.3.2. 7.3 .2. 7.3.3. 7.3 .3.

Transi Transitio tionn vitreu vitreuse se ________ ___________ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ______ 77 Fusion Fusion _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ____ 77 Remarq Remarques ues et explic explicati ations ons _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ____ 78

7.4. Les adjuva adjuvants nts ______ ____________ ____________ ____________ ___________ ___________ ____________ ____________ ____________ ____________ ____________ __________78 ____78 7.4.1. Plastifian Plastifiants______ ts_____________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ __________ __ 78 7.4.2. 7.4 .2. Stabil Stabilisa isants nts ________ ___________ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ______ __ 79 7.4.2.1. 7.4.2. 1. Anti-oxygè Anti-oxygènes nes _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ __________ 79 7.4.2.2. 7.4.2. 2. Thermiques Thermiques ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ ____________ _____ 79 7.4.2.3. 7.4.2. 3. Lumières Lumières _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ ______________ ______ 79 7.4.3. 7.4 .3. Colora Colorants nts et Pigme Pigments nts___ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ____ 80 7.4.4. 7.4 .4. Anti-c Anti-choc hocs_____ s_________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ______ __ 80 7.4.5. 7.4 .5. Antist Antistati atiques ques___ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ______ __ 80 7.4.6. 7.4 .6. Ignif Ignifugea ugeants nts _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ ______ ___ 80 7.4.7. Lubrifiant Lubrifiants______ s______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ __________ 80 7.4.8. 7.4 .8. Charge Chargess _______ ___________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ______ __ 81

7.5.. Que 7.5 Quelque lquess pol polymè ymères res hi histo storiqu riques es20 ___________________________________  ____________________________________________________81 _________________81 7.6. Quelque Quelquess u utilisat tilisations ions de polymèr polymères es couran courants ts21  _____________________________________  _________________________________________87 ____87 Gamme type des propriétés des thermoplastiques du commerce (sans charge et sans renforcement) renforcement)  __________________________________________________________  _____________________________ _______________________________________________ __________________ 88 Propriétés mécaniques générales des thermoplastiques du commerce (sans charge et sans renforcem renfo rcement) ent) _______________ ______________________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ ______________ ______ 89

CHAPI TRE 88::

ANNE XES ET LABORATO LABORATOII RE S ________________________ 90

8.1. ANN 8.1. ANNEXE EXE 1 - Joi Joints nts de G Grai rain n22 _____________________________________ 22 ______________________________________________________90 _________________90 8.2.. ANN 8.2 ANNEXE EXE 2 - Int Intera eracti ctions ons di dipol polair aires es23 ________________________________  ________________________________________________91 ________________91 8.2.1. Dipôle électrique______ électrique_____________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _____________ ______ 91 8.2.1.1. 8.2.1. 1. Moment Moment dipolaire dipolaire permanent permanent _______________ ______________________ ______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______ 91 8.2.1.2. 8.2.1. 2. Moment Moment dipolaire dipolaire induit______________ induit_____________________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ___________ ____ 92 8.2.1.3. 8.2.1. 3. Etude expérimen expérimentale tale de la la polaris polarisation ation ______________ ______________________ _______________ ______________ _______________ ______________ ______ 93 8.2.2. 8.2 .2. Int Intera eracti ctions ons moléc molécula ulaire iress _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ______ 94 8.2.2.1. 8.2.2. 1. Force Force de Coulomb Coulomb _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______ 94 8.2.2.2. 8.2.2. 2. Forces Forces de Van der Waals: Waals: _______________ ______________________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ __________ 94 8.2.2.2.1. 8.2.2. 2.1. interaction interaction dipôle permanent/ permanent/dipôl dipôlee perman permanent ent (forc (forces es de de Keesom Keesom)) ______________ ______________________ __________ 94 8.2.2.2.2. 8.2.2. 2.2. interaction interaction dipôle dipôle perman permanent/di ent/dipôle pôle induit (forces (forces de de Debye) Debye) ______________ _____________________ ______________ _______ 94 8.2.2.2.3. 8.2.2. 2.3. interaction interaction dipôle dipôle induit/d induit/dipôle ipôle induit (forces (forces de London)_____________ London)____________________ _______________ ___________ ___ 95 8.2.2. 8.2 .2.2.4 2.4.. Cas particul particulier ier:: la liaiso liaisonn hydrog hydrogène ène _______ __________ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ____ 95 8.28.2.3. 8.2.3. .3. 1. Consé ConEnergie séque quence des forces forces de Van der molécul Waals Waa ls _______ ___ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ______ 95 8.2.3.1. Ener giences des cohésio co hésion n dans solides solides m oléculaires aires _______________ _______ _______________ ______________ _______________ _______________ _______ 8.2.3.2. 8.2.3. 2. solubilisat solubilisation ion et miscibilit miscibilitéé _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ ______ 95

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8.2.3.3. 8.2.3. 3. tension tension superficielle, superficielle, formation formation de micelles_________ micelles________________ ______________ ______________ _______________ _______________ _________ __ 96

8.3.. ANN 8.3 ANNEXE EXE 3 - C Crist ristall allogr ographi aphiee24  ____________________________________  _____________________________________________________96 _________________96 8.3.1. Histor 8.3.1. Historiqu iquee ________ ___________ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ____ 97 8.3.2. 8.3 .2. Les bases_____ bases________ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ______ 97 8.3.3. 8.3 .3. Le cri crista stall _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ______ __ 97 8.3.3.1. 8.3.3. 1. Le réseau réseau cristallin cristallin _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ ______ 97 8.3.3.2. 8.3.3. 2. Le réseau réseau de Bravais Bravais _______________ ______________________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ____________ _____ 97 8.3.3.3. 8.3.3. 3. Les indices indices de Miller Miller _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ___________ ____ 98 8.3.3.4. 8.3.3. 4. Les groupes groupes d'espace d'espace ______________ _____________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _____________ ______ 98 8.3.4. 8.3 .4. La cri crista stallo llogen genèse èse ________ ___________ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ _______ ___ 98 8.3.5. Diffraction_ Diffraction________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______ 98 8.3.5.1. 8.3.5. 1. Principe Principe ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______ 98 8.3.5.2. 8.3.5. 2. Réseau Réseau réciproque réciproque ______________ ______________________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ ________ 98 8.3.5.3. 8.3.5. 3. Appareillag Appareillagee utilisé utilisé en cristall cristallogra ographie phie _______________ _______________________ _______________ _______________ _______________ ____________ _____ 98 8.3.6. 8.3 .6. Applic Applicati ations ons _______ ___________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ ______ __ 99

8.4. 8.4. AN ANNE NEXE XE 4 --  Vocabulaire des matériaux25  __________________________________  ____________________________________________99 __________99  Nota: ________________________________________________________ __________________________ ________________________________________________ __________________ 99 8.4.1. 8.4.1. 8.4.2. 8.4 .2. 8.4.3. 8.4 .3. 8.4.4. 8.4 .4. 8.4.5. 8.4 .5. 8.4.6. 8.4 .6. 8.4.7. 8.4 .7. 8.4.8. 8.4 .8. 8.4.9. 8.4 .9. 8.4.10.. 8.4.10 8.4.11.. 8.4.11 8.4.12.. 8.4.12 8.4.13.. 8.4.13 8.4.14.. 8.4.14 8.4.15.. 8.4.15 8.4.16.. 8.4.16 8.4.17.. 8.4.17 8.4.18.. 8.4.18 8.4.19.. 8.4.19 8.4.20.. 8.4.20 8.4.21.. 8.4.21 8.4.22.. 8.4.22 8.4.23 8.4 .23.. 8.4.24.. 8.4.24 8.4.25.. 8.4.25 8.4.26.. 8.4.26

A _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ____ 99 B _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ ______ ___ 100 C _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ ______ ___ 100 D _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ ______ ___ 100 E _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ ______ ___ 100 F _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ ______ ___ 100 G _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ ______ ___ 101 H _______ ___________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ ______ ___ 101 I_________ I_____________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ______ 101 J_________________ J________________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _____________ _____ 101 K ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ ______________ ______ 101 L ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ ______________ ______ 101 M_________________ M________________________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ _______________ ___________ ____ 101 N ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ ______________ ______ 102 O ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ ______________ ______ 102 P ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ ______________ ______ 102 Q ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ ______________ ______ 102 R ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ ______________ ______ 102 S ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ ______________ ______ 103 T ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ ______________ ______ 103 U ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ ______________ ______ 103 V ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ ______________ ______ 103 W _______ ___________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ______ 103 X ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ ______________ ______ 103 Y ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ ______________ ______ 103 Z ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________________ _______________ _______________ ______________ ______ 103

8.5. 8.5. AN ANNE NEXE XE 5 --  Diagrammes Fe-C________________________________ Fe-C _____________________________________________________104 _____________________104 8.5.1. 8.5.1. 8.5. 8. 5.2. 2. 8.5. 8. 5.3. 3.

Versio Versionn 1: Diagra Diagramm mmee fer+c fer+carb arbone one simpli simplifié fié26 ____________________________  _____________________________________________ _________________ 104 Ve Vers rsio ionn 2: Diag Diagra ramm mmee fer+ fer+ca carb rbon onee27 __________________________  ____________________________________________________ __________________________ 105 28 Ve Vers rsio ionn 3: Diag Diagra ramm mmee fer+ fer+ca carb rbon onee  __________________________  ____________________________________________________ __________________________ 105 Acier_____________________ Acier_____________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _____________ _____ 105 Composition des aciers_______________________________________ aciers______ ___________________________________________________ __________________ 106 Propriété Prop riétéss des aciers aciers _______________ ______________________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ ________ 107

8.5.4. Versio 8.5.4. Versionn 4: Les différ différent entes es phas phases es d'un d'un acier  acier 29 _____________________________  ______________________________________________ _________________ 107 8.5.4.1. 8.5.4. 1. Le diagramme diagramme d'équilibre d'équilibre est obtenu par refroidis refroidisseme sement nt lent___________________ lent___________________________ _____________ _____ 107 8.5.4.2. 8.5.4. 2. Lors du refroidi refroidissem ssement ent rapide rapide d'un acier, acier, ______________ ______________________ _______________ ______________ ______________ ___________ ____ 108 8.5. 8. 5.5. 5. Ve Vers rsio ionn 5: Diag Diagra ramm mmes es d'éq d'équil uilib ibre re30  __________________________  ____________________________________________________ __________________________ 108 Diagramm Diagr ammee fusion - solidification solidification d'un alliage alliage binaire: ______________ _____________________ _______________ _____________ _____ 108 Application Applic ation aux alliages alliages Fer - Carbone: Carbone: _______________ ______________________ ______________ _______________ _______________ _________ __ 109

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8.5.6. Le Fer (d'après 8.5.6. après l'Univer l'Universit sitéé du Maine) Maine) _______ ___________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ ____ 109 8.5.6.1. 8.5.6. 1. Propriété Propriétéss physiques physiques ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ ______________ _______________ ____________ ____ 110 8.5.6.2. 8.5.6. 2. Propriété Propriétéss chimiques chimiques _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ___________ ____ 110

8.6. Annexe 6 - Alliages binaires _____ __________ __________ __________ __________ __________ __________ ___________ ____________ ___________ _________111 ____111 8.6.1. Défini 8.6.1. Définitio tions ns _______ __________ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ _______ ___ 112 8.6.1.1. 8.6.1. 1. Métaux Métaux purs _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ __________ ___ 112 8.6.1.2. 8.6.1. 2. Structure Structure micros microscopiqu copiquee des métaux métaux purs purs ______________ _____________________ ______________ _______________ _______________ ___________ ____ 112 8.6.1.3. 8.6.1. 3. Structure Structure microscop microscopique ique des alliages alliages ______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ ______________ _______ 112 8.6.1.4. 8.6.1. 4. Nature Nature des alliages alliages homogènes homogènes _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ ___________ ___ 112 8.6.1.5. 8.6.1. 5. Nature Nature des alliages alliages hétérogène hétérogèness _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ ___________ ___ 112 8.6.2. Analyse Analyse thermique thermique des alliages________ alliages_______________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _____________ ______ 113 8.6.2.1. 8.6.2. 1. Définition______________ Définition_____________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _____________ ______ 113 Courbes de refroidissement refroidissement des alliages binaires _________________________________________________ _________________________________ ________________ 113 8.6.3. 8.6 .3. Diagra Diagramm mmes es de solidi solidific ficati ation on des alliages alliages binaire binairess ________ ____________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ _____ 114 8.6.3.1. 8.6.3. 1. Constructi Construction on du diagramme diagramme _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ ______________ ______ 114 8.6.3.2. 8.6.3. 2. Diagramm Diagrammee à solutio solutionn solide solide unique unique : Or-Argent Or-Argent _______________ ______________________ _______________ _______________ ___________ ____ 114 8.6.3.3. 8.6.3. 3. Diagramm Diagrammee à deux deux solutions solutions solides solides _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ ______________ ______ 115 8.6.3.3.1. 8.6.3. 3.1. Principe Principe de constructio constructionn _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ ____________ ____ 115 Interpréta Inter prétation tion - diagramm diagrammee cuivre-arge cuivre-argent nt ______________ _____________________ _______________ _______________ ______________ _______________ __________ 115 8.6.3.4. Présence 8.6.3.4. Présence d’un d’un composé composé défini défini (CCD) (CCD) - diagra diagramme mme magnési magnésium-é um-étain tain _______________ ______________________ __________ ___ 115 8.6.4. Etude du diagramm diagrammee simplifié simplifié fer-carbon fer-carbone___________ e__________________ _______________ _______________ ______________ ______________ _________ __ 116 8.6.4.1. 8.6.4. 1. Diagramm Diagrammee fer-céme fer-cémentite__ ntite__________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _____________ ______ 116 8.6.4.2. 8.6.4. 2. Diagramm Diagrammee fer-graphi fer-graphite te_______ ______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ __________ ___ 117 8.6.4.3. 8.6.4. 3. Remarque Remarque________ ________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ___________ ____ 117 8.6.4.4. 8.6.4. 4. Quelques Quelques caractéris caractéristiques______ tiques_____________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ __________ ___ 118

8.7. 8.7. AN ANNE NEXE XE 7 --  Spectre électromagnétique_________________________________ électromagnétiqu e______________________________________________118 _____________118 8.8. 8.8. AN ANNE NEXE XE 8 --  Système Systèmess d'ident d'identificat ification ion des matéri matériaux aux _____ __________ __________ ___________ ___________ __________ ________119 ___119 8.9. ANNEXE 9 - Mécanisme Mécanismess des réactions de polymérisat polymérisation___ ion________ __________ __________ __________ __________ ________120 ___120 8.9.1. Réactio 8.9.1. Réactionn d'a d'addi dditio tionn ________ ____________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ ________ _______ _______ ________ _______ ___ 120 8.9.1.1. 8.9.1. 1. Réaction Réaction radica radicalaire laire ______________ _____________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _____________ ______ 120 8.9.1.2. 8.9.1. 2. Polymérisa Polymérisation tion cationique cationique ______________ ______________________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _________ 120 8.9.1.3. 8.9.1. 3. Polymérisa Polymérisation tion anionique_________ anionique________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______ 121 8.9.1.4. 8.9.1. 4. Ziegler-Nat Ziegler-Natta ta (complexes (complexes)) ______________ _____________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _________ 121 8.9.2. 8.9 .2. Réacti Réaction on de conden condensat sation ion _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ________ _______ _______ ____ 121 8.9.2.1. 8.9.2. 1. Phénoplast Phénoplastes_________ es________________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ __________ ___ 122 8.9.2.2. 8.9.2. 2. Polyurétha Polyuréthannes____________ nnes___________________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ____________ _____ 123

8.10. LABORATOIRE 1 - Propriétés des Polymères ___________________________ ________________________________________124 _____________124 8.10.1.. Série 1 _______________ 8.10.1 ______________________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ __________ ___ 124 Comportement vis à vis de la lumière lumière ________________________________________________ _______________________________ _________________ 124 Comportem Comp ortement: ent: à la chaleur chaleur ______________ ______________________ _______________ ______________ _______________ _______________ ___________ ____ 124 Solubilité Solub ilité _______________ ______________________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ___________ ___ 124 8.10.2. Série 2 _______________ 8.10.2. ______________________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ __________ ___ 124 8.10.2.1.Quelques 8.10.2 .1.Quelques tests d'identifi d'identification cation des matières matières plastiques ______________ ______________________ _______________ ______________ _________ 124 8.10.2.1.1. 8.10.2 .1.1. Test de densité densité _______________ ______________________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ___________ ____ 125 8.10.2.1.2. 8.10.2 .1.2. Test de solubilité___ solubilité__________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ _______ 125 8.10.2.1.3. 8.10.2 .1.3. Test au papier papier pH pH ______________ ______________________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ __________ ___ 125 8.10.2.2.Thermoplastiq 8.10.2.2.Thermopl astique ue ou thermodurci thermodurcissabl ssablee ______________ _____________________ ______________ _______________ _______________ _____________ ______ 125 8.10.2.3.Combusti 8.10.2 .3.Combustion on _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ __________ ___ 125 32 8. 8.10 10.3 .3.. Sér érie ie 3  _____________________________  __________________________________________________________ ______________________________________________ _________________ 128 Descriptio Descr iptionn des essais: essais: _______________ _______________________ _______________ ______________ _______________ _______________ ____________ _____ 128 8.10.3.1.Test 8.10.3 .1.Test de chauffag chauffagee ______________ ______________________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ ________ 128 8.10.3 8.10.3.2.Test .2.Test densi té _______________ ________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ _______________ _________ _ 128 8.10.3.3.Test .3.Test de densité Belstein Belstein _______________ ________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ ________ 8.10.3.4.Test 8.10.3 .4.Test du solvant solvant _______________ ______________________ ______________ _______________ _______________ ______________ _______________ _______________ _________ __ 129

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8.10.3.5.Test du papier 8.10.3.5.Test papier pH____________________ pH____________________________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ __________ 129 8.10.3.6.Test 8.10.3 .6.Test de combustio combustionn _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ ____________ _____ 129

8.11. LABOR LABORATOIRE ATOIRE 2 - Pource Pourcentage ntage de cuivre cuivre dans une pièce de monnaie _____ __________ __________ _________13 ____1311 8.11.1. Matériel 8.11.1. Matériel et réactifs réactifs _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ _______________ ________ 131 8.11.2.. Mode opératoire 8.11.2 opératoire ______________ ______________________ _______________ ______________ _______________ _______________ _______________ _______________ __________ ___ 131 BIBLIOGR BIBL IOGRAPHI APHIE E _______________ ______________________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ ________ 132

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CHAPITRE 1: ÉTUDE DES CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DES MATERIAUX MÉTALLIQUES 1.1. 

Liaisons métalliques

!  Caractéristiques des matériaux métalliques !  conductivité électrique élevée !  conductivité thermique élevée !  malléables !  opaques !  ont un éclat métallique !  ductibilité élevée (laminage)   propriété que présente présente un métal à être étiré en un fil très mince !  Ces caractéristiques ne sont pas présentent dans tous les métaux et alliages, tandis qu’en prenant comme caractéristiques le type des liaisons des atomes, on peut mieux les caractériser. !  La nature des liaisons qui existent au sein des matériaux ou des alliages métalliques sont les liaisons métalliques. 1.1.1. 

 Les différents types de liaisons

!  Les plus courantes sont: !  liaisons covalentes pures !  liaisons covalentes polarisées !  liaisons ioniques !  On peut différencier les différents types suivant l’électronégativité ou plutôt par la différence !d’électronégativité pure:les la atomes: différence d'électronégativité est inférieure à 0,5 ("# $ 0,5)   liaison covalenteentre !  liaisons covalentes polarisées: 0,5 $ "# $ 1,7 !  liaisons ioniques: "# % 1,7  Nbre d'électron d'électron qui passent

1

0,5 Ionique

Covalente  pure

0

Covalente  polarisée

0,5

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Différence d'électronégativité "#

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 Les liaisons métalliques

Ce sont des liaisons particulières. On visualise les noyaux sur les mailles d'un réseau autour duquel circule un nuage d'électron (électrons très délocalisés).

!  Dans le cas d'un cristal métallique, les électrons de valence sont mis en commun entre tous les atomes du cristal et forme un nuage électronique. Cela explique les propriétés métalliques comme la conductivité thermique et électrique car il y a mouvement de particules, et aussi que tous les métaux sont solides à température ambiante sauf pour le mercure et le gallium (T f  & 30 °C) 1.1.3. 

 Les types de solides (type de liaisons)

1.1.3.1. 

Métalliques

Ce sont des solides cristallins. Ils sont donc organisés. 1.1.3.2. 

Sels (liaisons ioniques)

"  Solides très ordonnés, car il y a empilement de cations et d'anions. "  Les sels sont de très mauvais conducteurs thermiques et électriques car les cations et les "  "  "  "  " 

anions sont sur des positions fixes et que le courant électrique est un déplacement de  particules chargées (isolant). Ils peuvent être rendus conducteurs s'ils sont mis en solution ou s'ils sont fondus -> état liquide. Les solides ioniques sont en général solubles dans l'eau. Ils sont très peu volatils (passage difficile à l'état l 'état gazeux). Température de fusion très élevée. Interactions Coulombiennes (+ et -) 1.1.3.3. 

Moléculaires

Par exemple: glace, glucose, Iode (I 2) et urée. Tous ne sont pas cristallins. C'est un empilements de molécules. Interactions par ponts hydrogènes. Interactions de Van der Waals (entre les molécules).a Température de fusion assez basse (par rapport aux solides ioniques ou aux solides métalliques). "  Ils sont assez volatils car les liaisons hydrogènes et les interactions de Van der Waals sont de faible énergie et il ne faut pas beaucoup d'énerg d'énergie ie pour les casser. "  Très mauvais conducteurs thermiques et électriques, même en solutions ou fondus. "  Très peu solubles dans l'eau.

"  "  "  " 

  a

 Voir Annexe 8.2 à la page 91

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Dr. Gilles OLIVE 1.1.3.4. 

11

Covalents

Tous ne sont pas cristallins. "  Les atomes qui les composent sont liés par des liaisons covalentes, comme par exemple les "  "  "  " 

Carbones du diamant ou du graphite. Température de fusion élevée car liaisons et interactions de Van der Waals sont de fortes énergies. Très peu solubles dans l'eau. Très mauvais conducteurs thermiques et électriques Plus volatils que les autres.

REMARQUES SUR LES INTERACTIONS DE VAN DER WAALS Voir aussi Annexe 8.2. Elles sont de trois types: "  dipôle - dipôle "  dipôle - dipôle induit "  dipôle induit - dipôle induit a)

Les interactions dipôle-dipôle

Exemples: molécules d'HCl-HCl. Le type de liaison l iaison dans une molécule d'acide chlorhydrique: covalente polarisée.

'+ '-

  n   i o  c  t  a   r   t e    I  n

'+ '-

H Cl

H Cl

dipôle

b)

'+ '-

H Cl

dipôle

Les interactions dipôle-dipôle induit

Ar 

'+ '-

e-

Ar  e-

H Cl

Manque des d'électrons '+

Trop d'él d 'électrons ectrons '

Au départ l'argon (qui est un gaz rare) n'avait pas de dipôle, mais en présence de l'acide chlorhydrique (qui a un dipôle), l'argon va "créer" un dipôle. On dira qu'il est induit parce que cela est dû au déplacement des électrons. c)

Les interactions dipôle induit-dipôle induit

Ar  e-

Ar  e-

Ar  '+

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Ar  '-

'+

'-

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Dr. Gilles OLIVE 12 Au départ, il n'y avait pas de dipôle sur les molécules d'argon, mais l'une influence l'autre et il y a création d'un dipôle induit sur chaque molécule d'argon. Cette interaction est toujours présente. 1.2. 

Le réseau cristallin

1.2.1. 

 Il existe 7 réseaux cristallins

qui ont été découverts par l'Abbé René Juste Haüy (1743-1822) minéralogiste et cristallographe français.

Cristal en forme de prisme dont toutes les faces sont des carrés.

c

cubique

(

) *

a

tétragonal ou quadratique

 b

c

(  b

)

Cristal en forme de prisme droit dont la base est un losange ou un rectangle.

c

(

 b

) *

a

monoclinique (  b

)

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a + b + c ( = ) = * = 90 °

Cristal en forme de prisme oblique, à 2 faces rectangulaires et 4 faces en parallélogramme.

c

a

a = b + c ( = ) = * = 90 °

*

a

orthorhombique ou rhombique

a=b=c ( = ) = * = 90 °

*

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a + b + c ( = * = 90 ° + )

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a + b + c ( + ) + * + 90 °

c

triclinique

13

(  b

) *

a

Cristal en forme de prisme  parallélipédique dont les faces sont des losanges.

c

rhomboédrique ou ternaire

(

) a

*

 b

a=b=c ( = ) = * + 90 °

Cristal en forme de prisme dont les faces sont un polygone à six angles et six côtés.

c

hexagonal

(

) a

 b

*

a = b + c ( = ) = 90 °  * = 60 °

Les métaux sont généralement: "  cubique à faces centrées (CFC) comme par exemple le nickel, le cuivre, le platine, l'argent, l'or, ...

Il y a un atome à chaque sommet et un au centre de chaque face.

"  cubique centré comme le chrome ou le fer.

Il y a un atome à chaque sommet et un au centre du cube.

"  hexagonal compact comme le zinc, le cadmium ou le magnésium.

Certains métaux peuvent cristalliser sous différentes formes que nous appellerons forme allotropiques (même élément, mais différentes formes de cristallisation). On trouve par exemple le soufre ou l'étain. CHIMIE des MATERIAUX

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Dr. Gilles OLIVE Via le tableau périodique, on peut retrouver le réseau de cristallisation des éléments. 1.2.2. 

14

 Les propriétés physico-chimiques

Elles peuvent être différentes selon les faces dans un même réseau. Si il y a différentes faces, il faut donc les nommer via les indices de Miller qui sont des nombres entiers (h, k, l). b En général, on utilise 3 indices dans le cubique et dans presque tous les réseaux, sauf l'hexagonal et le rhomboédrique (4 indices dans trois directions de l'espace). Dans un cube il y a trois tr ois types de "face": "  face (dessus ou dessous) "  coté latéral "  face coupe le centre (Exemple 1, 2, 7, 8)

z

1 a a

4 a 8

2

a 3

a

aga

5 a

a

a

a 6 a 7

y

x

"  Dans la face comprenant les atomes 1, 2, 3, 4 (face)

Ce plan n'est pas coupé par l'axe des x   Ce plan n'est pas coupé par l'axe des y   Ce plan est coupé par l'axe des z soit   ", ", a 1 1 1 et ,  ,  - - a 0, 0, 1

! on peut dire qui le l e coupe à l'infini ! on peut dire qui le l e coupe à l'infini ! il le coupe en a (ce qui correspond au P, Q, R de Haüy)

(on prend l'inverse) (on multiplie par a)

l'indice de Miller est (0, 0, 1) (h, k , l)

"  Dans la face comprenant les atomes 2, 3, 6, 7 (coté latéral) ", a, " ! (0, 1, 0)

"  Dans la face comprenant les atomes 4, 8, 6, 2

a, a, " ! (1, 1, 0) "  Dans la face comprenant les atomes 1, 6, 8

a, a, a ! (1, 1, 1)    b

 Voir au chapitre 8.3.3.3 à la page 98

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15

REMARQUES: 1.  Toutes ces faces sont des faces à faible indice de Miller par rapport aux faces à haut indice de Miller (5, 5, 4) 2.  Les faces à petit indice ont une grande densité atomique. 3.  Toutes les faces parallèles ont les mêmes indices de Miller et les mêmes propriétés. 1.2.3. 

 Le nombre d'atomes par maille

Ce n'est pas évident pour certain. Pour s'aider, on peut se souvenir des cubes en bois qu'on avait quand on était petit. "  Cubique

Pour éviter de charger la figure, il doit y avoir devant encore quatre (4) mailles. Il y a donc:

1 8 .   . 1  atome par maille 8

Pour cet atome

Chaque atome appartient à 8 mailles, donc pour un huitième dans une maille.

Il y a huit atomes dans une maille.

"  Cubique faces centrées Compte dans 2 mailles

Compte dans 8 mailles

Pour éviter de charger la figure, il doit y avoir devant encore quatre (4) mailles. Il manque aussi les atomes sur les faces verticales. Il y a donc:

4 6 .  1  1 5  4 8 . 1  1 . 4  atomes par maille 2 / 2 / 3  2  0 3  8  0

"  Cubique centré

Pour éviter de charger la figure, il doit y avoir devant encore quatre (4) mailles. Il y a donc: Cet atome appartient à 8 mailles

4  21 . 1 1/ . 2  atomes par maille 2 8 . 1 1/ 5 4  3  8 0 3  1 0

Cet atome appartient à 1 maille

1.3. 

Les défauts au sein des solides cristallins

1.3.1. 

 Ponctuels

Ce sont des défauts sur un atome.

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Dr. Gilles OLIVE 16 Il faut que le solide contienne des défauts pour être thermodynamiquement stable car en il faut de l'entropie (désordre). Tous les solides en contiennent énormément, mais ils sont organisés et on peut même en ajouter. Il y a environ 10 8 défauts par mole de solides. 1.3.1.1. 

Les lacunes

Ce sont des positions non occupées par un atome.

1.3.1.2. 

Les défauts auto-interstitiels

Il y a un atome en plus, de même nature que les autres mais à une place qui n'est pas prévue pour un atome. Par exemple dans le cas du fer, il y a un atome de fer en plus:

1.3.1.3. 

Les défauts interstitiels étrangers

Il y a un atome en plus, de nature chimique différente (étrangère) à une mauvaise position. Par  exemple dans le cas du fer, il y a un atome de fer en plus:

Atome de cobalt

Atome de fer 

Cela peut parfois être force, et ça permet de changer les propriétés mécaniques ou électriques. Si il y a beaucoup de défauts, on parle de Solution solide interstitielle. 1.3.1.4. 

La substitution

Il y a un atome de nature chimique étrangère à la place d'un atome du départ.

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17 +

+

Si il y a beaucoup de défauts, on parle de Solution solide de substitution.

REMARQUE "  On rappelle qu'il y a électroneutralité au sein dans solide ionique. Donc, dans le cas des lacunes, si on ajoute un atome étranger, l'électroneutralité ne sera plus respectée: il faut donc un nombre pair de lacunes et au moins deux atomes de signes opposés pour respecter  l'électroneutalité. Par exemple, si on ajoute deux ions sodium (Na+), il faut apporter deux ions chlorure (Cl-). "  On nomme défauts de SCHOTTKY  lorsqu'il n'y a que des lacunes paires et défauts de FRENKAEL lorsqu'il y a une lacune l acune et un interstice. 1.3.2. 

 Linéaires

Ce sont des défauts sur une rangée d'atomes. Les atomes ne sont pas obligatoirement présents ; on parlera alors de dislocation. Pour rappel, un monocristal est un solide parfait, alors que dans un solide réel il y a plus de défauts, ce qui fragilise le métal. Grâce à la puissance des ordinateurs, on peut déterminer les propriétés mécaniques par calcul, pour   pouvoir interpréter certaines propriétés des ma matériaux. tériaux. 1.3.2.1. 

Dislocation coin

En chauffant et en refroidissant très vite, il y a création de défauts. Effet sur une distance de vingt atomes. La dislocation coin (edge dislocation)1, peut être décrit de la manière suivante: on enlève un demi-plan atomique (vertical sur le dessin), les autres plans se resserrent donc pour "combler le vide". La zone de  perturbation ou cœur   de la dislocation, est donc une zone dont le diamètre vaut quelques distances inter-atomiques ; cette dimension (environ un millionième de millimètre) est très petite devant celle de l'objet. Les atomes n'étant pas à leur place, la perturbation peut être vue comme une déformation élastique autour de la dislocation, donc la dislocation est une "concentré" d'énergie élastique.

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Figure 1 - Arrangement des atomes au niveau du cœur d'une dislocation Le cristal se déforme sur toute sa largeur, donc le défaut s'étend lui aussi sur toute la largeur. La dislocation forme donc une ligne: autour de cette ligne, l'arrangement des atomes est perturbé, mais loin de cette ligne, l'arrangement l 'arrangement des atomes est normal - après tout, il ne manque jamais qu'une rangée d'atomes sur quelques millions de milliards...

Figure 2 - La dislocation: une perturbation linéaire de l'arrangement des atomes Ainsi, lorsque cette ligne se déplace à travers le cristal, il propage la déformation. Après son passage, le cristal à exactement   la même structure qu'avant, il y a seulement une marche qui s'est crée à la surface de départ de la dislocation. Lorsque la dislocation a traversé de part en part le cristal, celui-ci  présente une marche de chaque côté, il a été cisaillé de manière irréversible, mais sa structure cristalline est intacte.

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Figure 3 - Cisaillement irréversible du cristal lors du passage de la dislocation coin Cependant, si la dislocation est une ligne, la structure même du cœur détermine la facilité de déplacement de la dislocation et donc la facilité de déformation de l'objet ; ainsi, selon l'aspect que l'on étudie, on considérera la dislocation: "   parfois comme une ligne de largeur infinitésimale (objet de dimension 1) lorsque l'on regarde regarde la progression de la déformation à l'échelle de l'objet ; "   parfois comme un tube (objet de dimension 3), lorsque l'on regarde les perturbations à l'échelle de l'atome. 1.3.2.2. 

Dislocation vis1

La déformation présentée Figure 4 est la dislocation dite vis  ( screw  screw dislocation): elle se propage  perpendiculairement à la déformation, à la manière d'une fermeture glissière (Eclair). Elle porte son nom car, si on fait le tour de la dislocation en suivant un plan atomique, on monte d'un niveau par tour, à la manière du filet d'une vis.

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Figure 4 - La dislocation vis: une autre perturbation linéaire de l'arrangement des atomes, propagea propageant nt la déformation La déformation propagée est la même dans le cas d'une dislocation vis ou coin, mais c'est le mouvement de la ligne qui change: dans la direction de la déformation dans le cas d'une coin,  perpendiculairement à la déformation dans le cas d'une vis. 1.3.3. 

 De plan, de surface

Ce sont des défauts sur tout un plan. Si on a une solution idéale, alors en superposant des mailles on aura des monocristaux. Mais avec des solutions réelles on aura un assemblage de monocristaux de nature différente. La zone de rencontre de deux mailles (d'orientation différente) s'appelle le Joint de grain. C'est une zone très fragile, à cause de la désorganisation partielle d'atomes à l'approche des deux mailles d'orientation différente. Elle peut être directe (passage d'une orientation directement à une autre) ou avoir une zone de transition t ransition (mélange entre deux orientations différentes). D'autres informations se trouvent à au chapitre 8.1 à la page 90.

1.4. 

Diagramme de phases

On les nomme aussi diagramme de changements d'états. P Point critique

Liquide

Solide

Point triple

Gazeux

T

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Dr. Gilles OLIVE 1.4.1. 

21

 Le corps pur (solidification)

C'est le cas d'un métal seul. Température (°C) Liquide

La température est constante sur le  plateau. l

s

Solide

Temps (h) 1.4.2. 

 Mélange (solidification)

Dans le cas métallique qui nous intéresse, cela s'appelle un alliage.

Alliage: solution solide dont un des éléments est métallique. Température (°C)

A

La température est différente sauf à l'eutectique et à l'azéotrope. Entre A et B: tout l'alliage est sous forme liquide. "  Entre B et C: les cristaux de la phase solide commencent. "  En C la phase liquide disparait. "  Entre C et D tout est à l'état solide. " 

B C D Temps (h)

Eutectique:

mélange

qui

se

comporte comme un corps pur du point de vue de la fusion. Azéotrope: mélange liquide qui se comporte comme un corps pur du point de vue de l'ébullition. On ne  peut pas purifier par distillation. distillation. Dans les deux cas, la température est constante au cours du changement d'état. Le graphique ci-dessus est fonction de la phase liquide et solide.

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22

Diagramme en fuseau TB

TA

Tfusion A Teb la plus élevée

GAZ

 o s é e  rr o s  d  d e   r  e   b  r  p e u  a  v   v  c o u  q   q   e  e  l  i i  e s  r   l e   l   b  i   i   l  i   b    u  u  q   e d   E  e  d

Début d'ébullition

  b   u r  c o

LIQUIDE

Teb la plus basse Composé le  plus volatil. Tfusion B

XA=0 XB=1

XA=1 XB=0

Pour avoir une solution idéale, il faut que les interactions entre une molécule A et une molécule B soient presque identique à celles entre deux molécules A et deux molécules B. Pour avoir se graphe (de fusion), il faut une phase homogè homogène ne à l'état solide et liquide. Ce cas s'applique au diagramme cuivre-nickel. Mais dans la réalité, on a une solution réelle, c'est-à-dire non idéale. "  Azéotrope à minimum  (ou négatif): température de l'azéotrope plus basse que celles des autres composés. "  Azéotrope à maximum  (ou positif): température de l'azéotrope plus haute que celles des deux corps purs isolés. Par exemple l'eau et l'acide chlorhydrique. T Pour de plus amples informations, le lecteur pourra consulterT les syllabus de Chimie Industrielle. TB

TA

Gaz L

TB

G Min

L

G

TA T

Liquide

XZ = YZ

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Eutectique Pb-Sb

Liquide (Pb + Sb)

1 *

Liquide (Pb + Sb)

Tfus Sb

t1

3 * 2 *

Liq + Pb

Liq + Pb

2 *

Liq + Sb

Liq + Sb Solide (Pb + Sb)

100 % Pb

Solide (Pb + Sb) 100 % Pb

Tfus Sb

t1

3 *

Tfus Pb

Tfus Pb

1 *

100 % Sb Eutectique

100 % Sb

Avec courbe de refroidissement r efroidissement

Eutectique

Ci-dessus, t1 représente l'intersection entre la composition qu'on a et la courbe du liquidus. Voyons en détail trois points: 1* A ce poi point nt on on a 40 % de plo plomb mb et 60 60 % dd'an 'antim timoin oinee et on refr refroid oidit. it. !   pour toutes les températures températures supérieures à t1, tout est à l'état liquide !  à t 1, on a les premiers germes d'antimoine cristallins qui apparaissent et le liquide de plomb et d'antimoine s'appauvrit en antimoine !  arrivée à l'eutectique (E), tout passe en phase solide 2*

!  !  !  ! 

à la fin, on a des cristaux d'antimoine et des cristaux d'eutectique. avant l'eutectique tout est liquide à l'eutectique, tout reste liquide à l'état solide on a uniquement des cristaux d'eutectique.

3*

!  avant t1 tout est liquide !  à t1, on a les premiers germes plomb et du liquide li quide de plomb et d'antimoine qui s'appauvrit en  plomb !  à l'eutectique (E), tout passe en phase solide !  à la fin, on a des cristaux de plomb et des cristaux d'eutectique.  

Eutectique Ag-Cu

1 *

C

A E B

D

AEC: liquidus ABEDC: solidus ABG: solution solide de cuivre dans l'argent (le cuivre a une certaine solubilité dans l'argent)

CDH: solution solide d'argent dans cuivre (l'argent a une certaine G

H

XAg = 1

solubilité dans le cuivre)

XAg = 0 XCu = 1

XCu = 0 solubilité maximale

1*

On abai abaiss ssee la tem tempéra érature ture !   jusqu'à la courbe on a du liquide

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Dr. Gilles OLIVE !  ensuite c'est la phase métallique de cuivre qui apparaît !   jusqu'à l'eutectique (E) !  et c'est l'eutectique qui précipite.

24

On a fait ici des diagrammes simplifiés, c'est-à-dire que le refroidissement est lent car il faut laisser le temps aux équilibres de s'installer. Les diagrammes réels sont un peu différents et sont fonction de la vitesse de refroidissement. Définition: des composés intermétalliques sont des composés métalliques qui s'assemblent. 1.4.3. 

Un exemple particulier des phases: Fe-C 

1.4.3.1. 

Informations sur le fer pur 

1.4.3.1.1. 

Plusieurs techniques pour obtenir du fer pur 

"  électrolyse (la plus utilisée) "  oxydation sélective "  fusion sélective

1.4.3.1.2.  Dans le commerce, il y a différents types de fer qui se distinguent par leurs impuretés  Noms des différents types de fer 

1/ ARMCO 2/ CARBONYLE 3/ ELEC ELECTRO TROLYT LYTIQU IQUE E 4/ Refondu sous vide  

(le mieux)

Impuretés

0,015 % C ; 0,01 % Si ; 0,02 % Mn; 0,01 % P ; 0,02 % S ; 0,15 % O 0,01 % C ; traces Si ; pas Mn; traces P ; 0,04 % S ; 0,5 % O 0,0 0,008 08 % C ; 0,007 0,007 % S Sii ; 0,0 0,002 02 % Mn; Mn; 0, 0,06 06 % P ; 00,03 ,03 % S ; ppas as O 0,001 % C ; 0,003 % Si ; pas Mn; 0,0005 % P ; 0,002 % S ; 0,0004 % O

1.4.3.1.3.  1.4.3.1.3.1. 

Propriétés du fer   Physico-chimique

1.  Masse atomique: 55,847 g.mol-1 2.  Volume atomique: 7,1 3.  Plusieurs formes allotropiquesc: "  Fer alpha (Fe ():   6 réseau cubique centré 6 longueur arrête du cube: 0,2866 nm "  Fer gamma (Fe *):   6 réseau cubique à faces centrées 6 longueur arrête de la maille: 0,3656 nm "  Fer delta (Fe '):   6 réseau cubique centré 6 longueur arrête de la maille: 0,294 nm   c

 Pour rappel, cela veut dire différents types de formes cristallines.

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Dr. Gilles OLIVE 4.  5.  6.  7.  8.  9. 

Densité à 20 °C: Température de fusion: Chaleur massique: Coefficien Coeff icientt de de ddilata ilatation: tion: Résistivité électriq rique: Conduc Con ductiv tivité ité th therm ermiqu ique: e: 1.4.3.1.3.2. 

1.  2.  3.  4.  5. 

Résist Rési stan ance ce à llaa tr trac acti tion on:: Limite d'élasticité: Capa Ca paci cité té dd'a 'allo llong ngem emen ent: t: e Capacité de striction : Dureté: 1.4.3.1.4. 

25

7,87 1539 °C 0,464 kJ/kg.K   12,5 10-6 K  9,9 10-6 7.cm 55, 55,66 Wat Watt/m t/m.K  .K   Physico-chimique

180 180 à 28 2800 MP MPaad 100 à 170 MPa 40 à 5500 % 80 à 90 % 45 à 55 HB Courbe de refroidissement du fer  Température (°C)

1539 1400

Fe '

Ar 4

Fe *  paramagnétique  paramagné tique

Ar 3

898

Fe (

Ar 2 = point de Curie

768

Fe ( Temps devient ferromagnétique

Le fer ayant plusieurs formes allotropiques on voit plusieurs changements d'états sur le graphe. "   "  "  "  " 

De1400 1539°C à 1400 cristallise sous forme de c'est fer delta '). A (Ar 4),°C, il yleafer recristallisation (Attention, une (Fe modification allotropique). De Ar 4 à Ar 3, le fer cristallise sous forme gamma. Ar 3: recristallisation. De Ar 3 à Ar 2, le fer cristallise sous forme de Fe ( paramagnétiquef . A Ar 2, qui est le point de Curie, le Fe ( acquiert des propriétés ferromagnétiquesf .

  d

 La fourchette de valeur dépend du traitement imposé au métal - (MPa: méga pascal)  Rétrécissement transversal d'une éprouvette métallique soumise à l'essai de traction. La striction caractérise la ductilité du métal. f    Paramagnétisme Paramagnétisme:: propriété des substances qui s'aimantent, généralement faiblement à température ambiante, lorsqu'elles sont placées dans un champ magnétique extérieur. Ces corps sont attirés par les aimants. e

: propriété extérieur. de certaines cobalt, nickel)medesont prendre une forte aimantation, même en Ferromagnétisme: Ferromagnétisme l'absence de champ magnétique Lessubstances corps doués(fer, de ferromagnétisme ferromagnétis des aimants. Diamagnétique:: se dit d'une substance qui, placée dans un champ Diamagnétique champ magnétique, prend une aimantation de sens inverse inverse.. Elle est repoussée par un aimant.

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Dr. Gilles OLIVE Si maintenant, on met en face, la courbe de réchauffement du fer, on obtient alors:

26

Température (°C)

1539 1400

898

Fe '

Ac4

Ar 4

Fe *

Plus haut

Ac3

Ar 3

Presque la même

Fe ( Ar 2

768

Ac2

Presque la même

Fe (

"  A la vue du graphe, on constate que les températures de changement d'état sont légèrement "  "  " 

différentes lors du refroidissement et lors du réchauffement. Les différences de températures sont dues aux surfusions (en fait sursolidification) qui apparaissent lors du refroidissement. Si la vitesse est lente, les valeurs sont plus reproductibles que lors d'une vitesse rapide. La dernière remarque s'adresse particulièrement à Ar 3  et Ac3  fortement dépendant des

de refroidissement de réchauffement. "  vitesses Un changement allotropiqueetd'une phase à l'autre entraîne une modification de volume: "  Fe ( -> Fe *: il y a contraction "  Fe * -> Fe ': il y a dilatation "  Le Fe * est plus dense et plus dilatable que le Fe (. Ex:

dFe * à 910 °C = 7,63 g.cm-3 dFe ( à 910 °C = 7,57 g.cm-3

dFe * à 20 °C = 8,22 g.cm -3 dFe ( à 20 °C = 7,93 g.cm-3 1.4.3.2. 

on fige le métal en refroidissant d'un coup.

Alliage Fer-Carbone

Mais d'abord quelques considérations: "  Le Fe ( dissout très peu le carbone, alors que le Fe * en dissout nettement plus. "  Le carbone peut se trouver sous la forme:   6 d'une solution interstitielle 6 de graphite 6 de carbure de fer cémentite (Fe 3C) Maintenant voici quelques définitionsg: "  Aciers: alliages de fer et de carbone qui contiennent au maximum 1,7 % de carbone. "  Fontes: alliages de fer et de carbone qui contiennent de 1,7 à 6,6 % de carbone. "  Aciers non alliés: pourcentage de carbone supérieur à 6,6 %.  Nous sommes en face d'une difficulté: il y a énormément de graphes Fe-C. Chaques auteurs donne le sien, comme le lecteur pourra le constater en annexe (chapitre 8.5 page 104)   g

 Le lecteur peut retrouver un glossaire plus complet au chapitre 8.4 à la page 99.

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Les graphes, même simplifié sont souvent complexe à cause de la superposition de deux systèmes: "  1er  système:   8 Fe-graphite 8 refroidissement lent: état d'équilibre ème "  2  système:   8 Fe-cémentite 8 refroidissement rapide: système métastableh.

Graphique simplifié Fe-C Température (°C)

Fe-C: tout est à l'état liquide. I: mélange liquide + acier  II: mélange liquide + cémentite III: domaine de même équilibre que l'acier  IV: mélange acier + cémentite V: mélange acier + eutectique + cémentite VI: mélange cémentite + eutectique % C VII: mélange Fe ( + acier 

Fe-C E I

II

III VII

IV

V

VI

  h

 Une légère perturbation fait directement basculer le système.

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CHAPITRE 2: ETUDE DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES, CHIMIQUES ET MÉCANIQUES DES MATÉRIAUX 2.1. 

Propriétés chimiques

Il en existe beaucoup mais je n'en citerai que deux: la solubilité et l'oxydabilité. "  Solubilité: c'est le nombre de mole de soluté que l'on peut dissoudre dans un litre de solvant.

On l'exprime généralement en mol.l-1. Cela s'adresse aussi bien aux gaz qu'aux liquides et aux solides. On dit qu'un composé est soluble si on peut dissoudre  plus de 0,1 mol.l-1. On dira par contre qu'un composé est insoluble si on peut dissoudre moins de 0,1 mol.l-1.

Quels sont les paramètres influençant la solubilité ? La température, la pression, la nature du soluté, du solvant et l'ajouts de certaines substances... "  Oxydabilité: savoir si dans les condition expérimentales, l'alliage ou le métal va s'oxyder. Ce point est important pour les problèmes de corrosion. 2.1.1. 

Oxydation par les acides

Il faut deux conditions pour qu'une réaction chimique se produise: "  L'énergie libre de Gibbs ("G0) doit être négative ("G0 < 0), soit la constante d'équilibre K  doit être supérieure à un (K > 1) et donc que la différence de potentiel ( "#0) soit positive ("#0 > 0)i. "  Et que la réaction soit suffisamment rapide. Pour rappel:

"G0 = -n F "#0  Nombre d'électrons échangés

Différence de potentiel entre les deux couples Constante de Faraday 96500 C.mol-1

  i

 Pour mémoire, l'énergie libre de Gibbs est liée à l'entropie et à l'enthalpie par "G = "H - T"S. Elle est aussi liée à la "G 0 . constante d'équilibre par ln K . RT

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Dr. Gilles OLIVE 2.1.1.1. 

29

Le fer se dissout-il dans une solution d'acide chlorhydrique ?

Fe (s) 5  H 5 (aq)   9  Fe 25 (aq) 5  H 2(g)

Réaction d'oxydo-réduction

2  H 5 5   2 e - 9  H 2 Fe 25 5  2 e - 9  Fe

#0 = 0,0 V #0 = -0,47 V

( -0,47) = 0,47 V "#0 = (Réactifs-Produits) = 0,0 - (-0,47) Comme "#0 > 0 la réaction se fait. 2.1.1.2. 

Et le cuivre ?

Cu 5  2 H 5  9  Cu 25 5  H 2 2  H 5 5   2 e - 9  H 2 Cu 25 5  2 e - 9  Cu

#0 = 0,0 V #0 = 0,34 V

"#0 = 0,0 - 0,34 = -0,34 V Comme "#0 < 0 la réaction ne se fera pas. C'est bien connu que le cuivre est un métal noble et qu'il n'est pas attaqué par les acides (sauf l'acide nitrique). 2.1.2. 

Oxydation par l'eau

2.1.2.1. 

Le sodium réagit-il avec l'eau ? 1

 Na 5  H 2 O 9   NaOH 5   H 2 2

(Na 5 5  1 e - 9   Na) : 2 (électrons) 2 H 2 O 5  2  e - 9  H 2 5  2 HO -

#0 = -2,71 V #0 = -0,83 V

"#0 = -0,83 - (-2,71) = 1,88 V "#0 > 0, la réaction r éaction se produira donc. 2.1.2.2. 

Et le cuivre réagira-t-il avec l'eau ?

Cu 5  2 H 2 O   9  Cu 25 5  H 2 5  2 HO Cu 25 5  2 e - 9  Cu 2 H 2 O 5  2  e - 9  H 2 5  2 HO -

#0 = 0,34 V #0 = -0,83 V

"#0 = -0,83- 0,34 = -1,17 V CHIMIE des MATERIAUX

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"#0 étant négatif, la réaction ne se fera pas. Heureusement, sinon il y aurai des problèmes avec nos canalisations de distributions d'eau. 2.1.3. 

Observations

"  Dans certains cas, les observations expérimentales peuvent-être différentes de celles obtenues

 par théorie: ceci est dû dû aux problèmes de cinétique. "  Une première attaque du métal conduira à la formation d'un film qui protégera le métal contre les oxydations suivantes. Le métal est protégé de l'oxydation par passivation. Dans certains "  "  "  " 

cas cela peut-être un problème (de couche) qui empêchera une oxydation ultérieure. L'exemple le plus connu est l'aluminium "non oxydé" par l'eau contrairement au fer, ce qui  permet de conserver conserver plus longtemps ddes es vérandas eenn meilleur état. Si l'oxydation du métal ne peut pas se faire pour des raisons thermodynamiques ("G0 > 0), le métal est protégé de la corrosion par immunité. C'est le cas de l'or, l'argent ou le platine. Lorsqu'on écrit "#0, le 0 indique que nous sommes dans les conditions standards Dans les conditions non standard, les métaux peuvent être attaqués par l'eau, les acides alors qu'ils ne l'étaient pas dans les conditions standard. 2  H 5 5   2 e - 9  H 2

E10  = 0,0 V

M n 5 5 n e - 9  M

E 02 = x V 9  E 2

M est un métal

RT Réducteur  ln Oxydant nF Ceci est la loi de Ernst avec n le nombre d'électrons échangés, R la constante des gaz parfaits (8,31 J/mol K) et F la constante de Faraday (96500 C/mol). E . E 0 - 

E1 . 0 - 

1 8,31.298 ln 5 2 2.96500 ;H <

E 2 . E 02 - 8,31.298 ln 1n 5 2.96500 ;M <

1 atm (gaz) Coefficient stœchiométrique (solide)

Les acides chauds et concentrés sont plus oxydants que les acides froids et dilués. 2.1.4. 

 Diagramme de Pourbaix

C'est le diagramme du potentiel E0 en fonction du pH. Grâce à ce diagramme on peut dire les limites d'oxydation d'un métal et donc s'il y aura corrosion ou pas. Pour tracer ce type de diagramme on pose: "  le métal solide est stable dans l'eau "  le non-métal est sous forme de cation

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Dr. Gilles OLIVE "  toutes les substances dissoutes valent 10-6 mol.l-1. j 2.1.4.1. 

31

Cu/H2O

 Nous allons prendre pour exemple le couple couple Cu/H2O. Nous sommes donc en présence de: 225   Cu (s) , Cu (aq) , Cu(OH) 2(s) et Cu(OH) 4 (aq) Potentiel E0 (V)

si la couche formée protège contre les oxydations suivantes

 Passivité

Cu2+ (aq)

2

Cu(OH)2 (s)

3 2Cu(OH)   4 (aq)

1

+0,34 V

4

Cu métallique

7 5 6

 Immunité

 pH est thermodynamiquemen thermodynamiquementt stable

Voyons en détail chaque transformation: 1. 

Cu(s) 

Cu2+  + 2 e-

Il s'agit d'une réaction r éaction d'oxydoréduction: cela dépend uniquement uniquement du potentiel. On va donc appliquer à nouveau la loi de Ernst. RT Réducteur  ln nF Oxydant 1 8,31.298 ln   . 0,34 -  2.96500 ;Cu 25 <

E . E 0 - 

car solide

On voit donc que le potentiel de dépend que de la concentration en ion cuivrique.

 

 j

 Pour les autres concentrations on prendra: pour les solides 1 M, pour les gaz 1 M et pour les liquides 1 M si il ne sont pas en milieu aqueux.

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Dr. Gilles OLIVE 2. 

Cu2+  + 2 HO- 

32

Cu(OH)2  précipité

Il s'agit cette fois d'une réaction de métathèsek . Cette réaction ne dépend que du pH parce que: K . 

1

2

 ;  Ks . ;Cu 25 TC = 768 768 °C le fe ferr est par aram amaagn gnét étiq iquue a T < 768 °C le fer est ferromagnétique (Is = 1,8 HB/mol) -3 A = 7,87 g.cm (2,7 g. cm-3 pour Al) A = 9,7 H7.cm ( pour  pour Al : 2,63 H7.cm et pour Cu : 1,72 H7.cm) c'est un conducteur électrique moyen.

Propriétés chimiques

"  Très réactif: si le fer est en poudre. Le fer pyrophorique (réduction de l'oxyde par H2) brûle

spontané ment à l'air. "  Moins réactif: à l'état massif.

Combustion avec les oxydants forts:

Fe 5 2  F2 9 FeF3 Fe 5 3 2 Cl 2 9 FeCl3 3

O2, F2. C12 9 degré +III (Fe2O3, FeF3, FeCl3) à froid, l'attaque s'arrête par passivation à 600°C, réaction exothermique

Combustion avec les oxydants faibles: I2, ...9 degré +II

Fe 5  I 2 9 FeI2  Avec les non-métaux: la réaction est plus douce

Soufre

à la flamme Fe (limaille) 5 S J  J  J   J 9 Fe IIS FeS  5 S 9 Fe IIS-12    pyrite (type NaCl)

Azote (N2 ou NH3)

composés d'insertion qui durcissent le fer et augmente sa résistance à l'abrasion (FeNx)

Carbone

 T K 1100 G C  J   J 9 Fe3C (cémentite) ou 3 Fe 5 C J  J 3 Fe 5 2 CO J    J  J9 9 Fe3C 5 CO 2

voir le diagramme Fe-C (perlite = acier eutectoïde 0,8 % en C)

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111

8.6. 

Annexe 6 - Alliages binaires

Cette partie de cours écrite en 1999 par Claude Diroux pour des Terminales STI, est à considérer comme un résumé de cours ... déjà connu.

Un matériau composite est constitué de deux ou plusieurs matériaux différents et possède des  propriétés mécaniques meilleures que celles de chacun de ses constituants. Alliant la légèreté à d’excellentes caractéristiques mécaniques, mécaniques, ce sont des produits d’élection de l’industrie aérospatiale. Un alliage binaire est un composé formé d’un métal et d’un deuxième élément qui peut être un autre métal ou un élément tel que le carbone.

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Dr. Gilles OLIVE 8.6.1. 

112

 Définitions

8.6.1.1. 

Métaux purs

En métallurgie, un métal est pur lorsqu’il est présent à au moins 99% dans le composé. Les métaux ont une structure cristalline. Les atomes, régulièrement répartis, forment un réseau  qui reproduit dans l’espace le même motif élémentaire, la maille. Les principaux métaux cristallisent dans le système cubique. On trouve aussi la maille cubique centrée ou la maille cubique à face centrée.

8.6.1.2. 

Structure microscopique des métaux purs

La micrographie ne montre qu’un seul type de grains. 8.6.1.3. 

Structure microscopique des alliages

La micrographie et l’analyse chimique permettent de distinguer différents grains : il y a plusieurs constituants. Certains alliages montrent une structure uniforme. Ce sont des alliages homogènes, ils ne possèdent qu’une seule phase. D’autres alliages comportent plusieurs phases. Ce sont des alliages hétérogènes. 8.6.1.4.   Nature des alliages homogènes On distingue : "  les solutions solides : les deux éléments se dissolvent l’un dans l’autre. "  les combinaisons chimiquement définies (CCD) : ce sont des combinaisons chimiques de deux éléments, donc des corps purs. Ils sont représentés par une formule chimique (ex. la cémentite Fe3C). 8.6.1.5.   Nature des alliages hétérogènes Ils sont des juxtapositions de différentes phases pouvant être: des métaux purs, des solutions solides et des combinaisons chimiquement définies.

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113

 Analyse thermique des alliages

8.6.2.1. 

Définition

L’analyse thermique consiste à relever en fonction du temps, l’évolution de la température L  d’un  produit. L’alliage, chauffé chauffé jusqu’à l’état liquide, se refroidit lentement, sou souss la pression atmos atmosphérique. phérique. 8.6.2.2. 

Courbes de refroidissement des alliages binaires

"  Courbe a: solidification à température constante.

Pendant toute la durée de la solidification, la température reste égale à L et l'analyse chimique montre que le composition. solide qui se dépose et le liquide conservent la même Trois cas se présentent: • s'il s'agit d'un métal pur (100% de M) ce palier  est normal, car un corps pur fond et se solidifie à température constante. • si c’est un alliage homogène, c'est une

combinaison chimiquement définie (CCD); • si l’alliage est hétérogène, c'est un mélange  particulier appelé: eutectique. "  Courbe b: solidification à température variable.

Le premier cristal apparaît à la température Li  et la dernière de liquide disparaît à lachimique température Lf . Pendant goutte cette solidification, l'analyse montre que les compositions, différentes, du liquide et du solide varient : l'alliage est un mélange. Il s'agit d'une solution solide.

"  Courbe

c: solidification en deux parties (superposition des courbes a et b) . Grâce à la micrographie, on constate que, de L1, à L2, il se dépose un solide homogène  (métal pur, CCD ou solution solide); à la température L2 constante, le solide devient hétérogène, par formation d'un eutectique. Il s’agit d’un alliage hétérogène.

Remarque: les transformations qui accompagnent le refroidissement d'un alliage sont mises en évidence par l'analyse thermique complétée par l'analyse chimique et l'examen micrographique. CHIMIE des MATERIAUX

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Dr. Gilles OLIVE 8.6.3. 

114

 Diagrammes de solidification des alliages binaires

8.6.3.1. 

Construction du diagramme

Avec les deux composés M1  et M2  (dont l’un au moins est un métal) on forme des alliages de composition variable. On réalise leur analyse thermique et l’on reporte, en fonction de leur  composition centésimale en masse, les températures de début et de fin de solidification: "  les températures de début forment une courbe appelée liquidus ; "  les températures de fin forment une courbe appelée solidus ; "  l’ensemble constitue le diagramme de solidification des alliages M1 et M2.

L’intérêt de ces diagrammes est de connaître la composition d’un alliage. 8.6.3.2. 

Diagramme à solution solide unique : Or-Argent

Considérons l’alliage représenté par le point P composé de 40 % d’or et 60 % d’argent. C’est un alliage dit une solution solide à 40 % d’or.

Règle de l’horizontale A 1000 °C l’alliage est composé d’une phase liquide à 20 % d’or (donc 80 % d’argent) et d’une  phase solide à 70 % d’or (donc 30 % d’argent). Règle des segments inverses i nverses A 1000 °C le point P correspond à un alliage de PS/LS=30/50=60 % de liquide et LP/LS=20/50=40 % de solide.

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Dr. Gilles OLIVE 8.6.3.3. 

Diagramme à deux solutions solides

8.6.3.3.1. 

Principe de construction

Le point E correspond à un alliage hétérogène eutectique. Rappel : un alliage eutectique se solidifie à température constante.

8.6.3.3.2. 

Interprétation - diagramme cuivre-argent

115

Ces deux métaux ont des rayons atomiques différents (cuivre: 0,255 nm, argent: 0,288 nm). Ils sont solubles l'un dans l'autre, à l'état solide, mais dans des  proportions limitées (zones a et b du diagramme). A 780 °C, l'argent dissout au maximum 8,8 % de cuivre ( solution solide () et le cuivre 8 % d'argent (solution solide )). Au-dessous du  palier eutectique, l'alliage est hétérogène (non miscibilité des solutions solides ( et )).

8.6.3.4. 

Présence d’un composé défini (CCD) - diagramme magnésium-étain

Outre la présence de deux points eutectiques nous notons le comportement particulier d'un alliage à 71 % d'étain: il se solidifie à température constante et ne subit pas de transformation à l'état solide. Cet alliage correspond à un composé chimiquement défini (CCD). Il peut être représenté  par la formule chimique Mg2Sn. Ce composé fond à 778 °C, température élevée que les températures de fusion du magnésium etplus de l'étain. Ce diagramme est divisé en deux parties par ce composé défini: "  les alliages dont la teneur en étain est inférieure à 71 % sont des alliages hétérogènes formés de solution solide ( et de composé défini Mg2Sn ; "  les alliages dont la teneur en étain est supérieure à 71 % sont des alliages hétérogènes formés de composé défini Mg 2Sn et d'étain.

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Dr. Gilles OLIVE 8.6.4. 

116

 Etude du diagramme simplifié fer-carbone

Le diagramme s’applique à des alliages binaires à faible teneur en carbone. Selon la vitesse de refroidissement et la présence d’éléments chimiques étrangers, on distingue deux diagramme: "  le diagramme fer-graphite ou diagramme d’équilibre stable, caractérisé par la présence de carbone libre C, correspond au fontes grises ; "  le diagramme fer-cémentite ou diagramme d’équilibre métastable, caractérisé par la  présence de cémentite cémentite Fe3C, correspond aux aciers et aux fontes blanches. 8.6.4.1. 

Diagramme fer-cémentite

1. Lignes du diagramme Liquidus: AE,BD, EC.CD. Solidus: AB, Lignes de transformations: QS, BS, QP, PR, PO.

2. Points particuliers Q: transformation allotropique du fer.

C: combinaison chimiquement (cémentite Fe3C). E: eutectique appelé lédéburite. S: eutectoïde appelé perlite.

définie

3. Domaines et phases Au-dessus du liquidus AEC: alliages liquides (phase ( phase liquide). Domaine ABE: liquide + solution solide du carbone dans le fer rappelée austénite. Domaine ECD: liquide + cémentite. Domaine ABSQ: austénite. Domaine QPO: solution solide du carbone dans le fer a appelée ferrite; ce domaine très limité, est  parfois négligé. Domaine QSP: austénite + ferrite. Domaine BDRS: mélanges hétérogènes d'austénite et de cémentite. Domaine OPR 6,67 %: mélanges hétérogènes de ferrite et de cémentite. 4. Composition de la lédéburite à 1145 °C L'eutectique est un alliage hétérogène, mélange de deux phases: de l'austénite à 1,7 % de carbone (point B) et de la cémentite à 6,67 % de C (point D). 5. Composition la perlite à 721 °C L’eutectoïde est de aussi un alliage hétérogène, dont les phases sont: de la ferrite à 0,02 % de C (point P) et de la cémentite (point R). 6. Aciers et fontes blanches On appelle aciers les matériaux titrant moins de 1,7 % de carbone, et fontes blanches ceux dont la teneur est plus élevée. Remarquons qu'à la température ambiante, les aciers et les fontes blanches sont des alliages hétérogènes, mélanges de ferrite et de cémentite.

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Dr. Gilles OLIVE 7. Constituants des aciers à la température ambiante

117

La nature des constituants dépend de la teneur en carbone; on distingue: C < 0,85 %: aciers hypoeutectoïdes, constitués de ferrite et de perlite; C = 0,85 %: acier eutectoïde, constitué de perlite; C > 0,85 %: aciers hypereutectoïdes, constitués de cémentite et de perlite. Les caractéristiques mécaniques des aciers dépendent de la nature et des proportions des constituants.

8. Constituants des fontes blanches à la température ambiante Selon la teneur en carbone, on distingue: C < 4,3 %: fontes hypoeutectiques, constituées de lédéburite et de perlite; C = 4,3 %: fonte eutectique, constituée de lédébu lédéburite; rite; C > 4,3 %: fontes hypereutectiques, constituées de lédéburite et de cémentite. 8.6.4.2. 

Diagramme fer-graphite

Le diagramme d'équilibre stable correspond au refroidissement des fontes grises, produits titrant au moins 2 % de carbone. Ce diagramme ressemble beaucoup au précédent, les coordonnées des points particuliers étant voisines. Cependant la verticale du solidus correspondant à la cémentite (à 6,67% de carbone) n'existant plus, le diagramme se poursuit jusqu'au carbone pur: dans l'analyse l 'analyse précédente, il suffit donc de remplacer le terme cémentite par graphite, mais l'étude se limite aux faibles f aibles teneurs en carbone. 8.6.4.3. 

Remarque

En réalité, les phénomènes sont plus complexes que ceux que nous venons d'évoquer; citons, par  exemple: "   pendant le refroidissement, le carbone devient moins soluble dans le fer * (ligne BS), puis l'austénite se transforme en S en perlite: la composition de la lédéburite évolue ; "  les lignes des deux diagrammes étant différentes, pendant le refroidissement on pourra passer  du diagramme fer-graphite au diagramme fer-cémentite, et obtenir finalement un mélange de fontes grise et blanche.  Notre étude ne constitue constitue donc qu'une approche de ces ces diagrammes diagrammes..

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Dr. Gilles OLIVE 8.6.4.4. 

118

Quelques caractéristiques

A titre indicatif, nous donnons quelques caractéristiques remarquables d'alliages particuliers du diagramme fercarbone: "  la résistance à la traction de la perlite est supérieure à celle de la ferrite, alors que pour la cémentite, corps très fragile, ce paramètre n'est pas mesurable ; "  la ferrite supporte un allongement 5 fois plus important que la perlite. La cémentite ne s'allonge pas ; "  la cémentite est dix fois plus dure que la ferrite et 3,5 fois plus dure que la perlite (dureté Brinell).

8.7. 

ANNEXE 7 - Spectre électromagnétique

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Dr. Gilles OLIVE 8.8. 

119

ANNEXE 8 - Systèmes d'identification des matériaux

Le système d'identification des emballages s'applique à tous les emballages et déchets d'emballages et a pour objet d'établir les modes de numérotation et les abréviations servant de base au système d'identification indiquant la nature du ou des matériaux d'emballages utilisés et précisant les matériaux qui sont soumis à ce système. Matières plastiques Polyéthylène téréphtalate Polyéthylène à haute densité Polychlorure de vinyle Polyéthylène à faible densité Polypropylène PolystyrèetneCartons Papiers Carton ondulé Carton non ondulé Papier Métaux Acier Aluminium

Abrévation

Numéro

PET HDPE PVC LDPE PP

1 2 3 4 5

PS PAP PAP PAP

6 20 21 22

FE ALU

40 41

Matériaux en bois Bois Liège Textiles Coton Jute Verre Verre non coloré Verre vert Vert brun

FOR FOR

50 51

TEX TEX

60 61

GL

70

GL GL

71 72

Les bouteilles plastiques en PVC se reconnaissent par la marque de moulage située sur le fond de la  bouteille qui se distingue de la marque ddee soufflage présen présente te sur le fond des bouteilles en PET: PET:

Les bouteilles en plastiques sont l'objet d'une attention particulière quant au recyclage (5 milliards de  bouteilles en PVC ont circulé sur le marché français en 1994) ce qui a donné lieu à la l a mise au point de techniques de pointe pour la reconnaissance et le tri automatique des plastiques: pour affiner le tri manuel, des cameras travaillant dans le proche infrarouge comparent le spectre du plastique trié avec une bibliothèque de spectres enregistrés; un robot doté de plusieurs capteurs peut ainsi repérer et séparer les polymères de diverses natures. Ceci est très important car pour le recyclage, la présence de deux bouteilles de PET dans un lot de 1 tonne de PVC, soit 22 000 bouteilles suffit à rendre ce lot inutilisable.

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Dr. Gilles OLIVE 8.9. 

120

ANNEXE 9 - Mécanismes des réactions de polymérisation

8.9.1. 

 Réaction d'addition

8.9.1.1. 

Réaction radicalaire

Elle se passe en trois t rois phases selon: "  Initiation

" RO

OR

RO + H2C

hM CH2

2 RO ROCH2

CH2

"  Propagation ROCH2

CH2 + H2C

CH2

ROCH2CH2CH2CH2

(1)

(1) + (n-1) H2C

CH2

(2)

RO(CH2CH2)nCH2CH2

"  Terminaison 2 (2)

RO (CH2CH2)2n+2 OR

2 (2)

RO

8.9.1.2. 

Couplage

(CH2CH2)n CH2CH3 + RO (CH2CH2)n CH

Dismutation

CH2

Polymérisation cationique

Dans ce cas le catalyseur est un acide, souvent l'acide sulfurique. CH2 CH2

+

H2SO4  60 %

CH3

CH2

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Dr. Gilles OLIVE 8.9.1.3. 

121

Polymérisation anionique

Dans ce cas c'est une base qui sert de catalyseur. R

CH

CH2

R R

CH

CH

CH2

CH2 R

Y

CH Y

CH2

CH

CH2

R

Y

Dans la nature, l'eau joue le rôle de base: H2O H2O +

8.9.1.4. 

H2O

+

Ziegler-Natta (complexes)

Le procédé Ziegler-Natta utilise le couple tétrachlorure de titane/triéthylaluminium comme catalyseur. Dans le procédé Philips, le catalyseur est à base d'aluminium et de chrome sur de la silice.

Schématiquement l'équation bilan peut s'écrire: TiCl4/AlEt 3

Au niveau du mécanisme: Cl

 AlR2

 AlR2 R

Cl

CH

Ti

CH2

Cl3Ti

Cl3Ti

H2C H2C

CH

 AlR2

+

R

CH

CH2

CH

Cl

R R

R CH2

L'arret se fait par la destruction du catalyseur: ajout d'éthanol dans le milieu

CH

Cl3Ti H2C

CH

 AlR2

R

8.9.2. 

 Réaction de condensation

Il s'agit des mêmes mécanismes que ceux vu en cours de chimie organique mais exécuté un grand nombre de fois. Le lecteur peut donc réviser l'estérification ou bien la formation f ormation des amides. Mais on va voir le cas des résines avec le formol et les polyuréthannes.31

CHIMIE des MATERIAUX

07/01/2005

3ème Edition

 

Dr. Gilles OLIVE 8.9.2.1. 

122

Phénoplastes

Ils proviennent de la condensation du méthanal (formol) sur un cycle phénolique. La réaction est une substitution électrophile en ortho/para sur un aromatique activé. On peu la résumer ainsi: En milieu acide la protonation du formol donne un électrophile H2C=O + H+  9  H2C+-OH Qui se condense sur un cycle en donnant un alcool benzylique Ar-H + H2C+-OH 9  Ar-CH2-OH + H+ Qui donne un électrophile par protonation et perte d'eau Ar-CH2-OH + H+  9  Ar-CH2-O+H2  9  Ar-CH2+  + H2O Qui se condense sur un autre mole de phénol Ar-H + Ar-CH2+  9  Ar-CH2-Ar + H+ Comme il y a 3 positions de substitutions on obtient un édifice bidimensionnel rigide. Ce composé est thermodurcissable et a été commercialisé sous le nom de Bakelite du nom de son inventeur, comme