Univer versit sitéé de Mar Marne ne la la Vallé Valléee Uni Licence/ Lice nce/maît maîtrise rise – Opti Option on Matériaux Matériaux
Introdu ction on à la scienc sciencee des matéri matériaux aux Introducti 1ère partie : l’aspect industriel J. Ruste
EDF - Recherche et Développ Développement ement Département Matériaux et Mécanique des Composants Les Renardières Moret sur Loing
Tél : 01 60 73 63 68
fax : 01 60 73 8 89
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Plan
Introduction et rappels… - liaiso liaison n chimique chimique et structure structure électronique électronique - comportement comportement mécanique mécanique et rupture rupture
I -Les différentes classes de matériaux - les mat matéri ériaux aux métalli métallique ques s - les matéri matériaux aux semi-conducteur semi-conducteurs s - les les cé céram ramiq iques ues - les les p pol olym ymère ères s - les ma matéri tériaux aux com compos posites ites
II - Critè Critères res de choix d ’un maté matériaux riaux et caracté caractérisati risation on III - Que Quelqu lques es exe exempl mples es de maté matéria riaux ux réce récents nts « hig high-te h-tech ch » - boîtes de bière bière et aube aube de turbine turbine… … - un all alliag iagee étonn étonnant ant : l’INVA l’INVAR R - la mét métall allurgi urgiee des poudr poudres es - les ssupra upracon conduc ducteu teurs rs -- les le s nano na noma maté téri riau aux x cteurs les po polym lymères ères condu co nducteu rs - les vvit itre ress « inte intell llig igen ente tess »
IV - les maté matériaux riaux du nuclé nucléaire aire - les réacteu réacteurs rs à eau sous sous pressi pression on (REP (REP) ) - le cuve et ses composants composants (internes, (internes, gaine) - le circ circuit uit primai primaire re - le gé généra nérateur teur de de vapeur° vapeur° 2
La science des matériaux ? - nouvel nouvelle le disci discipli pline ne d dans ans l ’ense ’enseign ignem ement ent… … - la plus plus anc ancien ienne ne scie scienc ncee de l ’huma ’humanit nité. é..... -2.400.000 -5.000 : silex poterie -3000 : bronze -1500 : fer….
En pleine évolution... - nouv nouveaux eaux allia alliages ges - céramique céramiquess haute haute technologi technologiee - matér matériau iauxx composi composites tes - nouv nouveaux eaux texti textiles les - nouv nouveaux eaux béton bétons.. s....
Évolution dans les performances et dans les utilisations Verre :
-- carton (lait, jus de fruits.. fruits..) ) ) plast plastique ique ((PVC) PVC) (huile, (huile, eau..) eau.. - mét métal al (bi (bière ère,, soda.. soda..))
Verre électrochrome Bibliographie : .H. Jones M.F. Ash Ashby, by, D.R D.R.H. Jones - Maté Matériau riauxx tome 1 - propriét propriétés és et applicat applications ions tome 2 - microst microstructure ructure et mise en œuvre œuvre Dunod Dun od - 19 1991 91
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L’Industrie des matériaux en France
Métallurgie 14.170 sociétés
Minéraux 2.684 entreprises
530.000 emplois 82 G€
124.000 emplois 21 G€ 48.000 entreprises 2 millions d’emplois 300 G€
Peinture 265 entreprises
Plasturgie 3.079 216.000 emplois
18.000 emplois 4 G€
31 G€ Recherche :
CNRS : 1.800 chercheurs, 3.000 enseignants-chercheurs CEA : 1.200 chercheurs 400 DAM, 300 E. Nucléaire, Nucléaire, 200 Rech. techno technologie, logie, 300 Rech. fondamentale Universités, Grandes Écoles, Industrie…
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Perception de la science des matériaux… souvent celle du XIX ème siècle…
science clef du XXIème siècle !
environ la moitié des matériaux utilisés aaujourd’hui ujourd’hui n’existait pa pass il y a 20 ans
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Industries
Micro-informatique Télécommunications
- auto automo mobi bile le - aéron aéronaut autiq ique ue - spat spatia iale le… …
disques durs, tête de lecture,
- solaire - hydraulique - biomasse
microprocesseur fibre optique…
- hydrogène…
nouveaux composants
fiabilité, coût, nouvelles technologies
Connaissance maîtrise, gestion… des MATERIAUX
toxicité pollution influence climatique
Energie - nucléaire
recyclage
Environnement
production coût stockage durée de vie nouvelles technologies
économie d’énergie 6
Exempl Exe mplee : L’ énergi énergiee
production électrique française (TWh) (TWh)
1995-2002 : 2%/an total thermique
600
1 – Les Les beso besoins ins
500
hydraulique nucléaire
400
Accroissement des besoins en énergie
h W300 T
4,5
200
2% 3%
4 n o 3,5 i t a t n e 3 m g u a 2,5 ' d x u 2 a t
1990-2002 : 3%/an
100 0 1 9 45
19 5 5
19 65
19 75
198 5
1 99 5
2 00 5
taux de croissance prévisible de la consommation française franç aise : 2 à 3% par an
1,5 1
2000
2010
2020
2030
2040
2050
année
soit d’ici d’ici 22050, 050, 2,5 à 4 fois p plus lus !
Augmentation importante des besoins des pays en voie de développement (Chine, Inde, Amérique du Sud, Afrique…)
doublement double ment d’ici 2020 de la production production mondiale mondiale d’électri d’électricité cité !
2 – respect respect de l’env l’environn ironnement ement d’ici 2050, 2050, réduction réduction en France pa parr 4 des émission émissionss de gaz à effet de serr serree !
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Les solutions : - combustibles fossiles (charbon, gaz naturel) avec séquestration du CO 2 - énergie nucléaire 3ème et 4ème génération : - EPR (2010-2070) 1600 MW, technologie classique (REP) - VHTR
(2040-2100) nouvelle technologie
haute température (800-1100°C) avec production produc tion d’hy drogène (projet VHTR 2015)
-haut rendement énergétique total (75%), -coût faible, -peu de déchets,
-meilleure gestion des ressources naturelles… - éner énergie gie ttherm hermonu onucléa cléaire ire : IT ITER ER (2005 (2005 – 500M 500MW) W) 2050 : réacteur industriel - ER (énergie renouvelable) : éolienne, solaire, biomasse, géothermie… - nécessit nécessitéé de di diminuti minution on des coûts, coûts, - problème du stockage de l’énergie…
nouveaux vecteurs énergétiques : PAC (pile (pile à combus combustib tible) le) hydrogène (production, stockage…)
très gros investissement en science des matériaux •amélioration des connaissances •développement de nouveaux matériaux…
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Un exemp le de matér matériau iau cour courant ant mais mais très très « hig high-t h-tech ech » : Le pneuma pneumatiqu tique… e… exemple l’exemple de Michelin… 1889 : Fondation Fondation de la la Société Société Michelin Michelin (balle balles, s, join joints, ts, jouet jouets… s… en caoutch caoutchouc ouc ) 1891 : invention du pneu de vélo démontable (et réparable donc ) 1895 : le pneumatique pour voiture
1937 : renforts renforts métall métalliqu iques es (Miche (Michelin lin « Metali Metalicc ») 1946 : pneumatique pneumatique à carcasse radiale radiale (Michelin (Michelin X) X) 19299 : l’aut 192 l’autora orail il à pne pneu u (les (les « Mi Mich chel elin ines es ») puis la moto (1987 pneu radial), les poids lourds , l’avion : 1981 : Mirage III, 1995 : Boeing777, Airbus A340/360/380, navette spatiale… dernières innovations : 1993 : nouveau procédé de fabricati fabrication on L3M n’utilisant n’utilisant que l’électrici l’électricité té 1995 : Michel Michelin in « Energy Energy » (faibl (faiblee consomm consommatio ation) n) 1998 : Michelin PAX System (pneu increvable)
2004 : équipera le métro monorail de Las Vegas 9
Les constituants des pneumatiques 200 matériaux différents, 30 matériaux semi-finis - élasto élastomères mères naturels naturels (latex) (latex) - élas élastomè tomères res syn s ynthét thétiqu iques es - re renf nfor orts ts
- fibres fibres textil textiles es (nylon (nylon,, rayonne rayonne,, aramide) aramide) - fibres fibres métal métallique liquess
- char charges ges rrenfo enforçan rçantes tes noir de carbone, silice
28%
18% 40% 10
La structure d’un pneumatique moderne pneu conventionnel conventionnel (carcasse diagonale): diagonale): 20 nappes différentes : -18 nappes carcasse en nylon entrecroisées qui s’enroulent autour de 6 tringles en acier - 2 nappes de protection sur le sommet
La carcasse radiale
carcasse carcas se radiale rad (1946) : 16 nappes : iale (1946) nappes carcasse carcasse à câbles câbles nylon nylon • 7 nappes • 2 tringles en acier • 9 nappes de protection sur le sommet (dont une métallique)
Dans un pneumatique moderne (le XZA par exemple) il y a 4500 m de câble câ ble métallique :
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Étapes de fabrication d’un pneumatique 1 - Co Conce ncept ptio ion n
cahier de charges
Misee à dispos Mis dispositi ition on fabrication en série
solutions à dé défi fini nirr
recherches en amont
•architecture •matériaux
anticipation
Simulation homologation technique par le constructeur automobile
évaluation du
fabrication du prototype
prototype
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2 – fabrication fabrication in industrie dustrielle lle du pneumatique pneumatique
- nappes nappes méta métalliq lliques ues
tréfilage : 5,5mm / 1400MPA 0,31mm / 3000MPa 0,15mm / 4500MPa
revêtement anti-corrosion (laiton ou zinc)
câblage (association de plusieurs centaines de fils)
nappes métalliques
- méla mélang nges es polymères naturels, synthétiques, charges…
sandwich de nappes métalliques et de mélanges pose des flancs
mise en forme
pose des nappes de sommet et de roulement
cuisson du pneumatique 13
Pneus et environnement, recyclage
taux de recyclage (Europe): 76% (Japon : 89%)
1 – diminution diminution des matières matières premières et de la consommation consommation d’énergie d’énergie MXL (1980): 9,6 kg
pneu pn eu « Ene nerg rgyy » (1 (199 995) 5) 7,5 7,5 kg
2 – fin fin d dee vvie ie mise en décharge rechapage
prochainement interdite…
poids lourds 2 à 3 ffoi oiss
106 km
Pneu usagé valorisation énergétique excellent combustible 30 à 34 MJ/kg MJ/kg 1 T pneu=0,7 tep cimenteries
valorisation matériaux • entier (remblais, murs anti-bruit…) • découpé (tapis voie ferrée ferrée…) …) • déchiquet déchiquetéé (sous couche drainant) • granulat (objet moulé, poudre renfort…)
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Les fonctions du pneumatique DURER
TRANSMETTRE moteur, freins : adhérence
sans perte de performance
LES FONCTIONS DU PNEUMATIQUE
PORTER pression
AMORTIR bruit, confort
GUIDER résistance au roulement
ROULER
comportement routier 15
bilan énergétique : (base 100)
Production de matières premières premières : 100 Fabricationdes des44pneus pneus Utilisation Valorisation (gain énergétique)
: 1366 20 : -80
gains possibles
GUIDER GUIDE R : adhérence à la route route ROULER : résistance au roulement, déformation, consommation GUIDER ≠ ROULER il faut choisir ! bonne adhérence forte résistance faible adhérence faible résistance
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le remplacement des charges en noir de carbone par des charges en silice a permis de concilier une diminution de la résistance au roulement et une bonne adhérence
faible résistance forte adhérence
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autre exe Un autre exempl mplee de de matér matériau iau « ban banal al » mai maiss à fort fortee évolut évolution ion : le bét béton on !
Pont en béton béton fib fibré ré (Séoul) (Séoul)
18
Viaduc de Millau
janvier 2005
2460 m de long 343 m de haut
béton fibré
19
Pont de Normandie pont po nt à ha haub uban ans s
1995 longueur totale : 2141 m longueur de travée : 856 m hauteur des pylônes : 215m
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nouveaux bétons : - au autop topla laça çant ntss (à for forte te flui fluidi dité) té) - à hautes hautes performan performances ces ((HP, HP, T THP) HP) - autonettoyant (par ajout de TiO2) - à revêtement revêtement métalliqu métalliquee par projection… projection… Renforcement avec des fibres (de (de 3 à 11% 11%)) - augmentat augmentation ion de sa résistanc résistancee mécanique -grand grandee ductilité ductilité (peut (peut se déformer sans se rompre) ajout de plastifiant pour réduire la quantité d’eau et donc réduire la fragil fragilité ité du béton béton
Optimiser des grains pourl’empilement le rendre plus compact en jouant sur la granulométrie des constituants (ciments, granulats, sables) introduction de poudres sub microscopiques (fumées de silice) 21
La science des des matériaux fait appel appel à de nombreuses sciences ou techniques…
chimie corrosion
Physique
thermodynamique
du solide
Mécanique quantique magnétisme cristallographie
Scie ncee de dess Scienc matériaux
Statistique
Simulation numérique et modélisation Ab-initio dynamique moléculaire Monte Carlo Eléments finis…
Fiabilité...
mécanique Mécanique de la rupture Plasticité, élasticité.. Dynamique des dislocations
Techniques d ’a ’ana naly lyse se Microscopie électronique microanalyse SIMS analyse de surface etc...
Une bonne connaissance des matériaux et de leurs caractéristiques peut avoir une importance capitale 22
28 Janvi Janvier er 198 19866 - 11h38 11h38 – lancem lancement ent de de Challe Challenge ngerr 73 seconde secondess après la mise à feu… Explosion de la navette L’origine : défaillance d’un joint polymère d’étanchéité d’étanchéité d’un des boosters à poudre
La cause : durant la nuit la température est descendue jusqu’à -13° -13 °C au au nivea ni veau u des des boost boosters. ers. Au dudes lancement, n’était encore que -2°Cmoment au niveau joints… elle et donc inférieure à la de température de transition du polymère… d’où une perte de de sa résilience résilience et de sa souplesse… Malgré l’avis des techniciens de Morton Thiokol, fabriquant des joints, d’attendre que la température soit supérieure supérie ure à +12°C, la NASA ordonne ordonn e le départ ! 23 bilan pour pour un simple jo joint int de qu quelques elques $ : 7 morts, des mill millions ions de $ et un arrêt de 3 ans…
Les semi-conducteurs Les matériaux métalliques
Si, Ge, AsGa, InP...
Les céramiques
Aciers alliages d ’Al, de Ti, d alliages dee Ni de Zn, de Zr etc….
- céra céramiq mique ues s - verr verres es - po pote teri ries es - ciments ciments et béton bétons s - ro roch ches es... ...
Les différentes classes de matériaux Les matériaux composites céramique-polymère céramique-métal céramique-céramique est-ce vraiment une classe ?
bio-matériaux
Les polymères Nanomatériaux Nanomatériaux ? ? fullerènes nanotubes nanostructures…
- nat atur urel els s - artifi artifici ciel els s - synthé synthétiq tiques ues thermoplastiques thermodurcissables élastomères 24
Petite histoire des matériaux matériaux... ... homo habilis homo erectus
homo sapiens-sapiens (cro-magnon)
neandertaliens
poterie
pierre
biface
outillage
éclats
feu langage paléolithique moyen
paléolithique inférieur
-80.000
-1.000.000
-100.000
paléolithique supérieur
-35.000
age du fer pierre polie élevage Danube Europe Angleterre culture centrale (-300) néolithique (-700) Gaule (-500)
mésolithique
-8.000
-4.000
-1.800
l'age des métaux
-1.000
-10.000
Europe
0
bronze (Cu/Sn) (Ur, -3.500) Au, Cu (Irak)
-800 bijoux (Au) Inde (Egypte) -1.700, -1.500 Fer (Hittites)
Moyen Orient
-500 Chine
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isto toir ire e des des ma matt ri riau aux x His -10000
-5000
Or
0
1000 1500
Cuivre bronze fer
1800
1900
fonte
1940
métaux
alliages légers super alliages caoutchouc
alliages de Ti, Zr ...
papier
polymères haute température
pierre silex poterie
haute résistance
verre
bakelite nylon PE
ciment
céramiques verres
réfractaires
ciment
polyesters epoxy PMMA acryliques kevlar PC PS PP
portland cermets
-5000
2020
acier allié
colles
-10000
2010
austéno-ferritiques nouveaux super alliages
polymères élastomères
composites
1980 1990 2000
métaux amorphes alliages Al-Li
acier
bois peaux fibres
torchis
1960
0
1000 1500
1800
1900
1940
pyro céramiques
1960
composites céramiques
composite matrice métallique
céramiques haute technologie
sialon, PSZ...
1980 1990 2000
2010
2020
Michael F. Ashby 26 MRS Bulletin - Juillet 1993
fonctionnels
transmettre de l’énergie
de structure
transmettre des efforts
Matériaux Les objets de la vie courante sont généralement constitués de très nombreux matériaux différents
quels sont les différents matériaux qui entrent dans la fabrication d’une voiture ? 27
Pare-brise, vitres, phares : verres Sièges :
Électronique
polymères
semi-conducteurs
Carrosserie : métal (acier) composite
Peinture : oxydes (céramiques)
Al Alli liag agee d ’A ’All jante en alliage léger
Pneumatiques : polymères
Moteur : fonte (Fe ou Al) acier céramiques cuivre polymères (durites)
Pare-chocs : composites
28
Proportion des divers matériaux dans une voiture plastiques (8,5%)
équipements mécaniques (5%) Aluminium (3%)
tôles (39%)
caoutchouc (4%)
fontes (13%)
verre (3,5%) équipements
équipements électriques (2%)
électriques (3%) tissus (1%) papiers, cartons (0,5%)
Cuivre, zinc (0,4%)
pièces forgées, usinées en acier (12%)
alliages métalliques non-ferreux
5%
alliages métalliques ferreux (aciers, fontes)
70
divers (3%) huiles, graisses (1%)
autres matériaux
25%
Un moteur est composé composé d’en d’environ viron 160 p pièces ièces,, corresp correspondan ondantt à 40 nuances nuances d’acier, d’acier, 7 nuances de fonte, 7 nuances d’aluminium et 20 nuances de matériaux organiques 29
Evolution de l’emploi des matériaux (véhicule moyenne gamme)
100% 90% 80% 70% 60% 50%
autres verres textiles mastics et peinture élastomères plastiques autres métaux aluminium fontes aciers
40% 30% 20%
tôles HLE
10% 0%
tôles classiques 1984 (939kg)
1989 (996kg)
1994 (1080kg)
HLE : haute limite élastique
-- diminution desdes tôles classiques (mais modérément…) augmentation composites - augmentation des plastiques
la voiture en carrosserie composite n’est pas encore u une ne réalité (coût !)
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Matériaux et éléments chimiques : origine et teneur
Comp Co mpos osit itio ion n de de la la cro cro te te terr rres estr tree graine centrale (solide) noyau (Fe-5à7%Ni) enveloppe externe (liquide)
manteau (silico-aluminates) 2900km
croûte (50km)
1000
2000 3000
4000 5000
6000
km
K 2,46% Mg 2,24% Na 2,46%
Ca 3,47% Fe 4,5% Al 7,85%
météorites : - chondrites (manteau) (manteau) silicates avec 3 à 77% % Fe - sidérites (5%) 92% Fe - 7% Ni (noyau) - lithosidérites (2%) 50% Fe-Ni - 50% silicates
Si 27,74%
O 47,34%
composition de la croûte terrestre (en masse) 31
Échelles de temps et d’espace en physique
32
Rappels sur la structure de la matière
échelle macroscopique (>mm)
exemple des matériaux métalliques
électrons
noyau
(26)
Fer : structure polycristalline 100 µm échelle mésoscopique (100 – 10 (1 100µ 0µm) m)
monocristal de Fer (maille cubique centré) échelle microscopique (0,11 – 10 µm) (0,
10 Å (1 nm) nm) échelle nanoscopiqu nanoscopiquee ou atomique (
