Unit 4 Manipulation des proprits Microstructure Chimie Architecture

Unité 4. Manipulation des propriétés : Microstructure, Chimie, Architecture Mike Ashby Hugh Shercliff Department of Engineering University of Cambridge © M. F. Ashby, 2011 Pour les instructions de reproduction, voir la dernière diapositive Ce cours fait partie d'un ensemble créé par Mike Ashby pour aider à présenter aux étudiants, les matériaux, les procédés et une sélection rationnelle. Le site Web "Ressources d'Enseignement" vise à aider l'enseignement des matériaux, et les cours correspondants en Conception, Ingénierie et Science. Les ressources sont fournies dans des formats divers et sont destinées principalement à la formation des étudiants. Certaines des ressources sont d'accès libre et les étudiants peuvent y avoir accès. D'autres sont seulement disponibles pour les éducateurs utilisant CES Edu. Pack. www. grantadesign. com/education/resources

Sommaire Objectif : Les étudiants doivent comprendre : L’origine des propriétés des matériaux, et les modifications de ces propriétés par les procédés Nous prendrons exemple de graphiques pour les propriétés de § Rigidité et densité § Résistance et ténacité § Dilatation et conductivité Bibliographie: • “Materials: engineering, science, processing and design” 2 nd edition by M. F. Ashby, H. R. Shercliff and D. Cebon, Butterworth Heinemann, Oxford 2010, Chapter 19. • Callister, Budinski, Askeland others – recommended reading in CES records • CES Edu. Pack 2011 (Grantadesign. com) • Unité 3 CES Edu. Pack Elements Database M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Les éléments chimiques – la densité • 96 différents éléments chimiques sont d’usage. Comment travailler avec ces élements pour faire des matériaux? Densité 20, 000 Echelle 1, 000 M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Les éléments chimiques – la rigidité Module 1, 000 Echelle 1 Graphique construit avec la base de données Edupack elements M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Explications sur la densité et la rigidité Densité : Masse atomique et organisation des atomes Rigidité : Liens interatomiques et organisation des atomes M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Matériaux industriels : rigidité - densité 1, 000 Pourquoi ces différences? 1 1, 000 M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 20, 000 www. grantadesign. com/education/resources

Modification des propriétés : rigidité - densité Chimie, microstructure et architecture Composites : Architecture – Composants, Disposition Matériaux cristallins : Chimie – liaison métallique et liaison iono covalentes Petites bulles ou groupes aux propriétés insensibles à la microstructure Polymères et Elastomères : Mousses : Architecture – géométrie de la cellule M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 Chimie – Chaines carbonées avec liaisons hydrogène. Microstructure – Réticulation et cristallinité www. grantadesign. com/education/resources

Contrôle de la rigidité par les liaisons chimiques et la microstructure Liaison et organisation atomique Matériaux inorganiques Oxydes, nitrures, carbures, intermetalliques Matériaux organiques Microstructures des polymères Thermoplastiques, thermodurs et élastomères M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Modification des propriétés : rigidité - densité Chimie, microstructure Matériaux cristallins : Chimie – liaison métallique et liaison iono covalentes Petites bulles ou groupes aux propriétés insensibles à la microstructure Polymères et Elastomères : Chimie – Chaines carbonées avec liaisons hydrogène. Microstructure – Réticulation et cristallinité M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Contrôle de la rigidité par l’organisation des composants Composites : “bicomposants solide/solide” Bord sup: Eu Composite carbone Composite verre Bord inf: El M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Contrôle de la rigidité par l’organisation des composants Mousses : “bicomposants solide/air ” Mousse céramique Mousse métallique M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Modification des propriétés : rigidité - densité Architecture/structure Composites : Architecture – Composants, Disposition Mousses : Architecture – géométrie de la cellule M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Qu’avons-nous appris? • Rigidité et densité sont des propriétés déterminées à l’échelle atomique Modifiées via les liaisons chimiques l’organisation / la structure • Aspect chimique – composants avec des énergies de formations + / - grandes Oxydes, nitrures, carbures, intermetalliques • Liaisons hydrogène et Van der Walls dans le polymères Aspect structural – ingénierie mécanique à l’échelle mm et micron Structures se pliant : mousses M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 Structures rigides : composites www. grantadesign. com/education/resources

Modification des propriétés : rigidité - densité Chimie, microstructure et architecture Composites : Architecture – Composants, Disposition Matériaux cristallins : Chimie – liaison métallique et liaison iono covalentes Petites bulles ou groupes aux propriétés insensibles à la microstructure Polymères et Elastomères : Mousses : Architecture – géométrie de la cellule M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 Chimie – Chaines carbonées avec liaisons hydrogène. Microstructure – Réticulation et cristallinité www. grantadesign. com/education/resources

Approfondissement : la résistance mécanique Métaux : Mécanisme de durcissement – épinglage de dislocations Durcissement par solution solide (Chimie) M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 Durcissement par précipitation (Microstructure) Durcissement par déformation (Microstructure) www. grantadesign. com/education/resources

Contrôle des propriétés par voies chimique et microstructurale Métaux : durcissement par précipitation Exemples : Alliage aluminium traités thermiquement (Vieillissement) Aciers (Trempe et revenu) M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Contrôle des propriétés par voies chimique et microstructurale Alliages d’Aluminum : durcissement par solution, précipitation, déformation Al -Cu 2024 Al -Si S 413 M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Contrôle des propriétés par voie chimique : aciers Aciers : Résistance, ténacité et teneur en carbone Ferrite + perlite M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Contrôle des propriétés par voie microstructurale : aciers Aciers : Modification de la microstructure à teneur carbone constante Normalisé (ferrite + perlite) Brut de trempe (martensite) M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Contrôle des propriétés par voies chimique et microstructurale : aciers Aciers : en bref M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Contrôle des propriétés par voies chimique, microstructurale et structurale : polymères Polymère (PP) : graphique ténacité / rigidité : effet de composition M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Contrôle des propriétés par voies chimique et microstructurale : alliages de cuivre Alliages de cuivre : effet de composition et modification par les procédés Durcissement par précipitation : La meilleure résistance Solution solide : Le meilleur effet sur la résistivité Laiton 70 -30 (C 26000) Cuivre - beryllium (C 17510) M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Qu’avons-nous appris? • La résistance et la ténacité dépendent de la structure à toute échelle Modification via la chime la microstructure l’architecture • La voie chimique – durcissement par solution solide Laitons, bronzes et aciers inox • La voie microstructurale – traitements thermo-mécaniques Aciers trempe et revenu Aluminium trempe et vieillissement • Déformation, allongement, laminage, étirage…. La voie structurale – ingénierie mécanique (mm et micron) Structures se pliant : mousses M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 Structures rigides : composites www. grantadesign. com/education/resources

Propriétés thermiques : dilatation et conductivité Polymères : faible conductivité et forte dilatation Métaux et céramiques : forte conductivité et faible dilatation M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Explication sur la dilatation et la conductivité thermique Dilatation Le modèle des ressorts à comportement non linéaire explique la dilatation M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 Conductivité thermique La dispersion des électrons et des phonons limite la conductivité www. grantadesign. com/education/resources

Contrôle des propriétés par voies chimique, microstructurale et structurale Polymères : La structure amorphe disperse les phonons. Mousses : La structure : le gaz dans les cellules donne la faible conductivité Alliages métalliques : Chimie: les liaisons associent dilatation et conductivité Invar : Chimie : les liaisons donnent un effet magnétique M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Qu’avons-nous appris? • Modification de la dilatation et de la conductivité par la chimie et la strcuture Solution solide des inox • La voie chimique – introduit la notion de dispersion atomique – introduit les transformations entre atomes Mousses : gaz = barrière • effet magnétique, chaleur latente La voie structurale – conductivité : il existe des barrières – dilatation, évolue +/- selon les couples de matéraiux Actionneur bimétalliques M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 Instrument à compensation thermique www. grantadesign. com/education/resources

Alors? Etude des matériaux par la conception: - On peut utiliser les graphiques de propriétés comme support à la sélection - Utiliser la conception pour appréhender la modification des propriétés par le procédé Les propriétés par les procédés: - Met l’accent sur la modification des propriétés par les procédés - Idée centrale: “Composition + Procédé Microstructure + Propriétés” Graphique des propriétés: - Illustration graphique des modifications par les procédés - Idée qu’on peut étendre : métaux, polymères, mousses, composites. . . M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources

Sommaire des leçons disponibles Le diaporama de cette leçon est disponible sur le site web des Ressources d’enseignement Chaque diapo d’une leçon comporte des notes explicatives. Vous pouvez les consulter en ouvrant le diaporama en mode [“Normal”], ou en cliquant sur l’icône correspondante dans la barre d’outils inférieure. M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 29

Auteur Mike Ashby University of Cambridge, Granta Design Ltd. www. grantadesign. com www. eng. cam. ac. uk Reproduction Ces ressources sont soumises aux droits d'auteur de Mike Ashby. Vous pouvez reproduire ces ressources pour les utiliser avec des étudiants, pourvu que vous ayez acheté les droits d'accès aux ressources d'Enseignement de Granta Design. Assurez-vous, s'il vous plaît, que Mike Ashby et Granta Design sont cités sur toutes vos reproductions. Vous ne pouvez utiliser ces ressources pour des buts commerciaux. Précision / Pertinence Nous faisons tout pour que ces ressources soient d'une grande qualité. Si vous avez des suggestions pour des améliorations, contactez-nous s'il vous plaît par courrier électronique à : teachingresources@grantadesign. com Il y a plus de 200 ressources disponibles Incluant : n 77 diaporamas n des Exercices avec leur solution n des séquences enregistrées sur le web. n des Posters n des Rapports d’analyse n des Manuels de Solutions n des études de cas interactifs Traduction Nous remercions encore Alain Bataille du Lycée pour avoir traduit cette ressource. Les personnes souhaitant entrer en contact avec M. Chouard au sujet de cette traduction peuvent le contacter à l’adresse suivante : jeannoel. chouard@wanadoo. fr © M. F. Ashby, 2011 Le site Web "Ressources d'Enseignement" vise à aider l'enseignement des matériaux, et les cours correspondants en Conception, Ingénierie et Science. Les ressources sont fournies dans des formats divers et sont destinées principalement à la formation des étudiants. Ce cours fait partie d'un ensemble créé par Mike Ashby pour aider à présenter aux étudiants, les matériaux, les procédés et une sélection rationnelle. Le site Web contient aussi d'autres ressources apportées par plus de 800 universités et lycées du monde entier, employant CES Edu. Pack de Granta Design. Ce site Web contient deux catégories de ressources, qui, soit exigent l'emploi de CES Edu. Pack, soit ne l'exigent pas. M. F. Ashby & H. R. Shercliff, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 30