Des matériaux

Sommaire et contenu du livre "Des matériaux"

Table des mallètes Avant-propos de la troisième édition xv Avant-propos de la première édition xrx Chapitre 1 Méthodes de caractérisation des matériaux 1.1 Contraintes et déformations 1 1.1.1 Traction simple 2 1.1.2 Torsion simple 4 1.1.3 Cas général: corps soumis à un ensemble de forces 6 1.2 Caractérisation des propriétés mécaniques 8 1.2.1 Essai de traction 9 1.2.2 Essai de compression 17 1.2.3 Essai de flexion 19 1.2.4 Essais de dureté 20 1.2.5 Autres essais 22 1.3 Caractérisation de la microstructure 22 1.3.1 Microscope optique 24 1.3.2 Microscope électronique à transmission 25 1.3.3 Microscope électronique à balayage 26 Chapitre 2 Cohésion et rigidité des matériaux 2.1 Rigidité des matériaux 31 2.2 Modèle des ressorts 33 2.2.1 Description du modèle et loi de Hooke 33 2.2.2 Énergie élastique emmagasinée 35 2.2.3 Contraction latérale en traction et coefficient de Poisson 36 2.2.4 Résistance théorique à la traction 37 2.3 Modèle électrostatique 40 2.3.1 Description du modèle 40 2.3.2 Loi de Hooke et module d'Young 42 2.3.3 Résistance théorique à la traction 46 2.3.4 Dilatation thermique selon le modèle électrostatique 47 2.4 Types de liaisons 49 2.4.1 Liaison covalente 49 2.4.2 Liaison ionique : 52 2.4.3 Liaison métallique 54 2.4.4 Liaisons mixtes 55 2.4.5 Liaisons de faible intensité 57 2.4.6 Propriétés des matériaux et types de liaisons 60 Chapitre 3 Architecture atomique 3.1 Ensembles d'atomes: du désordre à l'ordre 65 3.1.1 Désordre complet: les gaz 65 3.1.2 Ordre parfait: les solides cristallins 66 3.1.3 Liquides et solides amorphes 69 3.2 Notions de cristallographie 73 3.2.1 Systèmes et réseaux cristallins 73 3.2.2 Repérage des directions et des plans 75 3.2.2.1 Indices des directions 75 3.2.2.2 Indices de Miller des plans 76 3.2.2.3 Cas des structures hexagonales 77 3.2.3 Densité des nœuds et nœuds en propre 78 3.2.4 Arrangement des atomes dans un réseau cristallin 80 3.2.5 Sites dans les réseaux cristallins 81 3.3 Structure des solides cristallins 83 3.3.1 Structures des solides à liaison métallique 83 3.3.2 Structures des solides à liaison covalente 86 3.3.3 Structures des solides à liaison ionique 89 3.3.4 Structures des polymères 92 3.4 Défauts dans les cristaux 94 3.4.1 Défauts sans dimension 94 3.4.2 Défauts à une dimension 98 3.4.3 Défauts à deux dimensions 102 3.4.4 Défauts à trois dimensions 105 Chapitre 4 Matériaux sous contrainte 4.1 Résistance des matériaux fragiles à la traction 107 4.1.1 Résistance théorique et résistance réelle 107 4.1.2 Zones de concentration de contrainte 110 4.2 Limite d'élasticité des matériaux ductiles 115 4.2.1 Glissement cristallographique 115 4.2.2 Cission critique théorique de glissement 119 4.2.3 Dislocations et limite d'élasticité 124 4.2.4 Force s'exerçant sur une dislocation 127 4.2.5 Multiplication des dislocations 130 4.2.6 Consolidation 132 4.2.7 Cristallinité et ductilité 134 4.2.8 Intérêt de la ductilité 138 4.3 Ténacité 142 4.3.1 Définition 142 4.3.2 Ténacité des matériaux fragiles 144 4.3.3 Amélioration de la ténacité des matériaux fragiles 150 4.3.3.1 Obtention de contraintes de compression 150 4.3.3.2 Mise àprofit de la triaxialité des contraintes en tête de fissure 151 4.3.4 Ténacité des matériaux ductiles 154 4.3.5 Évaluation de la ténacité 158 4.4 Introduction à la mécanique de la rupture 161 4.4.1 Modes d'ouverture d'une fissure 162 4.4.2 Champs de contraintes en tête d'une fissure 162 4.4.3 Critère de rupture d'un corps fissuré 164 4.4.4 État de contraintes planes et état de déformations planes 166 4.4.5 Détermination expérimentale du facteur critique d'intensité de contrainte 168 Chapitre 5 Mélanges et leur comportement 5.1 Introduction 171 5.1.1 Définitions 171 5.1.2 Règle des phases 172 5.2 Diagrammes d'équilibre binaires 172 5.2.1 Miscibilité totale à l'état solide 173 5.2.2 Solidification à l'équilibre d'une solution à miscibilité totale 174 5.2.3 Proportion des phases en présence 175 5.2.4 Règles de miscibilité 177 5.2.5 Miscibilité partielle à l'état solide 177 5.2.5.1 Transformation eutectique 178 5.2.5.2 Microstructures des mélanges eutectiques 183 5.2.5.3 Transformation péritectique 184 5.2.6 Phases intermédiaires 186 5.2.7 Considérations générales sur les diagrammes d'équilibre binaires 188 5.2.8 Transformations à l'état solide 189 5.2.8.1 Précipitation d'une seconde phase 189 5.2.8.2 Diagramme d'équilibre fer-carbone 190 5.2.9 Diagrammes d'équilibre ternaires 193 5.3 Transfert et mouvements d'atomes 197 5.3.1 Mécanismes de diffusion 198 5.3.1.1 Solutions solides de substitution 199 5.3.1.2 Solutions solides d'insertion 200 5.3.2 Lois de la diffusion 200 5.3.3 Applications de la diffusion 206 5.4 Phénomènes liés à la solidification 208 5.4.1 Solidification d'un métal pur 208 5.4.1.1 Équilibre liquide-solide 208 5.4.1.2 Germination et croissance 209 5.4.2 Solidification des alliages 215 5.4.3 Structures de solidification 218 5.4.3.1 Croissance dendritique 219 5.4.3.2 Structure générale d'une pièce solidifiée 219 5.4.3.3 Ségrégation 221 5.4.4 Formation de secondes phases à l'état solide 224 Chapitre 6 Modifications des propriétés mécaniques 6.1 Métaux et alliages 227 6.1.1 Durcissement par écrouissage 229 6.1.2 Durcissement par affinement de la taille des grains 232 6.1.3 Durcissement par solution solide 234 6.1.4 Durcissement structural 236 6.1.5 Système fer-carbone (aciers) 246 6.1.5.1 Diagramme d'équilibre fer-carbone 247 6.1.5.2 Transformation eutectoïde 249 6.1.5.3 Courbes de transformation 250 6.1.5.4 Transformation martensitique 252 6.1.5.5 Revenu de la martensite 255 6.1.6 Recuits: restauration des propriétés 256 6.1.6.1 Force motrice de la restauration 257 6.1.6.2 Processus de restauration 258 6.2 Polymères 262 6.2.1 Cristallinité 264 6.2.2 Ramification 266 6.2.3 Réticulation 266 6.2.4 Copolymérisation et mélanges 267 6.2.5 Utilisation d'additifs 268 Chapitre 7 Propriétés mécaniques 7.1 Introduction 271 7.2 Viscoélasticité et viscoplasticité 273 7.2.1 Viscoélasticité 273 7.2.2 Viscoplasticité 276 7.3 Fluage 277 7.3.1 Influences de la contrainte et de la température 277 7.3.2 Fluage des métaux 278 7.3.3 Fluage des polymères 283 7.3.4 Fluage des céramiques 284 7.4 Transition ductile-fragile 285 7.4.1 Influence de la température sur la ductilité 286 7.4.2 Autres facteurs qui influencent la transition ductile-fragile 287 7.4.3 Détermination de la transition ductile-fragile 290 7.5 Fatigue 295 7.5.1 Définition 295 7.5.2 Courbe d'endurance 299 7.5.3 Mécanismes de fatigue 301 7.5.4 Vitesse de fissuration 305 7.5.5 Facteurs qui influencent le comportement en fatigue 307 7.6 Résistance aux chocs thermiques 316 7.6.1 Contraintes thermiques 316 7.6.2 Choc thermique 317 Chapitre 8 Dégradation des matériaux 8.1 Corrosion des métaux en milieu aqueux 323 8.1.1 Réactions électrochimiques 324 8.1.2 Potentiels d'équilibre 327 8.1.3 Cinétique de la corrosion 332 8.1.3.1 Polarisation d'activation 334 8.1.3.2 Polarisation de diffusion 335 8.1.4 Passivation 336 8.1.4.1 Description du phénomène 336 8.1.4.2 Nature de la couche passive 336 8.1.4.3 Corrosion des alliages passivables 337 8.2 Modes de corrosion 339 8.2.1 Corrosion galvanique 339 8.2.2 Facteurs métallurgiques et facteurs de mise en œuvre 344 8.2.2.1 Métaux purs et alliages monophasés 345 8.2.2.2 Alliages polyphasés 345 8.2.2.3 Ségrégation 348 8.2.2.4 Effet de l'écrouissage et des contraintes 349 8.2.3 Effets du milieu de corrosion 349 8.2.3.1 Corrosion par les eaux 356 8.2.3.2 Corrosion atmosphérique 357 8.2.3.3 Corrosion par les sols 358 8.2.4 Conditions d'utilisation 359 8.2.4.1 Fatigue-corrosion 359 8.2.4.2 Corrosion par frottement 360 8.2.4.3 Gradient de température 361 8.2.4.4 Courants vagabonds 361 8.3 Lutte contre la corrosion 361 8.3.1 Protection électrochimique 362 8.3.1.1 Protection cathodique 362 8.3.1.2 Protection anodique 364 8.3.2 Protection par revêtements et traitements des surfaces 366 8.3.2.1 Revêtements non métalliques 366 8.3.2.2 Revêtements métalliques 366 8.3.2.3 Traitements des surfaces par voie chimique 368 8.3.3 Action sur le milieu de corrosion 368 8.3.3.1 Diminution du pouvoir oxydant de l'électrolyte 368 8.3.3.2 Addition d'inhibiteurs 368 8.3.3.3 Addition de passivateurs 370 8.3.4 Choix des matériaux 370 8.3.5 Conception et tracé des assemblages 370 8.4 Corrosion sèche (oxydation) 374 8.4.1 Aspects thermodynamiques de l'oxydation 374 8.4.2 Processus de formation de la couche d'oxyde 376 8.4.3 Cinétique de l'oxydation 378 8.4.4 Protection contre la corrosion sèche 381 8.4.4.1 Alliages réfractaires 381 8.4.4.2 Revêtements protecteurs 382 8.5 Dégradation des matières plastiques 383 8.5.1 Vieillissement physique 383 8.5.1.1 Migration des plastifiants 383 8.5.1.2 Action des solvants 383 8.5.1.3 Fissuration sous contrainte en milieu tensioactif 386 8.5.2 Vieillissement et dégradation chimiques 387 8.5.2.1 Oxydation 387 8.5.2.2 Photodégradation 387 8.5.2.3 Dégradation thermique 388 8.6 Dégradation des céramiques 388 8.6.1 Dégradation du béton 389 8.6.1.1 Dégradation du béton sous l'action des sulfates 389 8.6.1.2 Corrosion de l'acier d'armature 389 8.6.1.3 Dégradation climatique 390 8.6.2 Dégradation climatique du calcaire 390 Chapitre 9 Propriétés physiques 9.1 Propriétés thermiques 393 9.1.1 Capacité thermique 393 9.1.2 Conductibilité thermique 397 9.2 Propriétés électriques 402 9.2.1 Rappels concernant la théorie des bandes 402 9.2.2 Conductibilité et résistivité électriques 407 9.2.3 Conducteurs électriques 410 9.2.3.1 Influence de la température 411 9.2.3.2 Influence de la composition du matériau 412 9.2.4 Supraconductivité 418 9.2.5 Isolants électriques (diélectriques) 422 9.2.6 Ferroélectricité et piézoélectricité 429 9.2.7 Semi-conducteurs 434 9.2.7.1 Semi-conducteurs intrinsèques 434 9.2.7.2 Semi-conducteurs extrinsèques 438 9.2.7.3 Utilisation des semi-conducteurs 443 9.3 Propriétés magnétiques 446 9.3.1 Diamagnétisme 448 9.3.2 Paramagnétisme 448 9.3.3 Ferromagnétisme 449 9.3.3.1 Domaines magnétiques 451 9.3.3.2 Courbe de magnétisation et boucle d'hystérésis 451 9.3.3.3 Influence de la microstructure du matériau 454 9.3.3.4 Influence de la température 457 9.3.4 Antiferromagnétisme 457 9.3.5 Ferrimagnétisme 458 9.3.6 Applications du magnétisme 460 Chapitre 10 Alliages à base de fer 10.1 Introduction 465 10.1.1 Nuances d'aciers 465 10.1.2 Désignation des aciers 466 10.2 Aciers d'usage général 467 10.2.1 Composition et propriétés 467 10.2.2 Aciers à propriétés améliorées 469 10.2.2.1 Aciers rnicroalliés 469 10.2.2.2 Aciers dual-phase 470 10.2.2.3 Aciers à résistance améliorée à la corrosion 471 10.2.3 Produits sidérurgiques 472 10.2.3.1 Produits longs 472 10.2.3.2 Produits plats 472 10.3 Traitements thermiques des aciers 473 10.3.1 Recuits 473 10.3.1.1 Recuit de normalisation 473 10.3.1.2 Recuit complet 473 10.3.1.3 Recuit de coalescence 473 10.3.1.4 Recuit de recristallisation 474 10.3.1.5 Recuit de détente 474 10.3.2 Traitements thermiques dans la masse 474 10.3.2.1 Austénitisation 474 10.3.2.2 Trempe 475 10.3.2.3 Revenu 479 10.3.3 Traitements de surface 479 10.3.3.1 Trempes superficielles 480 10.3.3.2 Traitements thermochimiques 481 10.4 Aciers de traitements thermiques 483 10.4.1 Insuffisances des aciers au carbone 484 10.4.1.1 Résistance mécanique à l'état normalisé et à l'état recuit 484 10.4.1.2 Trempabilité 484 10.4.1.3 Tenue à chaud 486 10.4.1.4 Résistance à l'usure 486 10.4.1.5 Résistance à la corrosion 486 10.4.2 Action générale des éléments d'addition 486 10.4.3 Action spécifique des éléments d'addition 487 10.4.3.1 Éléments gammagènes 487 10.4.3.2 Éléments alphagènes 488 10.5 Aciers à outils 490 10.5.1 Caractéristiques d'utilisation 492 10.5.2 Éléments d'addition 492 10.5.3 Traitements thermiques 493 10.6 Aciers inoxydables 494 10.6.1 Constitution des aciers inoxydables 494 10.6.2 Aciers inoxydables martensitiques 498 10.6.3 Aciers inoxydables ferritiques 498 10.6.4 Aciers inoxydables austénitiques 501 10.6.5 Aciers inoxydables austénoferritiques 502 10.6.6 Aciers inoxydables à durcissement par précipitation 502 10.7 Fontes 503 10.7.1 Fontes blanches 504 10.7.2 Fontes grises 505 10.7.3 Fontes malléables 507 10.7.4 Fontes à graphite sphéroïdal (fontes GS) 508 Chapitre Il Métaux et alliages non ferreux Il.1 Aluminium et alliages d'aluminium 511 Il.1.1 Principales caractéristiques de l'aluminium 511 Il.1.2 Alliages corroyés 513 11.1.2.1 Alliages sans durcissement structural 514 11.1.2.2 Alliages à durcissement structural 518 Il.1.3 Alliages de fonderie 520 11.2 Cuivre et alliages de cuivre 523 Il.2.1 Cuivres industriels 525 11.2.1.1 Cuivre électrolytique 525 11.2.1.2 Cuivre libre d'oxygène 527 11.2.1.3 Cuivre désoxydé 527 11.2.2 Alliages Cu-Zn (les laitons) 527 11.2.3 Alliages Cu-Sn (les bronzes) 530 11.2.4 Alliages Cu-Al (les cupro-aluminiums) 532 11.2.5 Alliages Cu-Ni et Cu-Zn-Ni (les cupronickels et les maillechorts) 533 Il.3 Magnésium et alliages de magnésium 534 Il.4 Zinc et alliages de zinc 535 11.5 Titane et alliages de titane 537 Il.5.1 Titane non allié 539 11.5.2 Alliages de titane 539 Il.5.2.1 AI]jages alpha 539 Il.5.2.2 Alliages alpha-bêta 540 Il.5.2.3 Alliages bêta 541 Il.6 Alliages réfractaires 543 11.6.1 Alliages réfractaires à base de fer et de nickel 545 11.6.2 Superalliages à base de nickel 545 11.6.3 Superal]jages à base de cobalt 546 Chapitre 12 Matières plastiques 12.1 Composition chimique 549 12.1.1 Unités fondamentales ou monomères 549 12.1.2 Polymérisation par addition 552 12.1.3 Polymérisation par condensation (polycondensation) 554 12.1.4 Degré de polymérisation 557 12.1.5 Types de matières plastiques 558 12.1.5.1 Matières thermoplastiques 558 12.1.5.2 Matières thermodurcissables 559 12.1.5.3 Élastomères 559 12.2 Architecture atomique des polymères 559 12.2.1 Polymères ]jnéaires amorphes 560 12.2.2 Polymères ramifiés 567 12.2.3 Polymères réticulés 567 12.2.4 Cristallisation des polymères 571 12.2.5 Adjuvants et renforts 578 12.2.5.1 Adjuvants 578 12.2.5.2 Renforts 579 12.3 Propriétés physiques des polymères 580 12.3.1 Masse volumique 581 12.3.2 Propriétés thermiques 582 12.3.3 Propriétés électriques 583 12.3.4 Propriétés optiques 584 12.4 Propriétés mécaniques des polymères 585 Chapitre 13 Céramiques 13.1 Propriétés générales des céramiques 595 13.1.1 Liaisons 595 13.1.2 Structure cristalline 597 13.1.3 Microstructure et propriétés 600 13.2 Céramiques traditionnelles 602 13.3 Céramiques techniques 603 13.3.1 Abrasifs et outils de coupe 603 13.3.2 Construction mécanique 605 13.3.3 Électrotechnique et électronique 608 13.3.3.1 Céramiques pour isolateurs 609 13.3.3.2 Céramiques ferroélectriques 610 13.3.3.3 Céramiques ferrimagnétiques 611 13.4 Céramiques réfractaires et isolantes thermiques 612 13.4.1 Propriétés générales des réfractaires 612 13.4.2 Types de réfractaires 614 13.4.2.1 Réfractaires acides 614 13.4.2.2 Réfractaires basiques 615 13.4.2.3 Réfractaires à base de graphite 615 13.4.3 Matériaux isolants thermiques 615 13.5 Verres 616 13.5.1 Formateurs et modificateurs de réseau 620 13.5.2 Propriétés générales des verres 621 13.5.2.1 Propriétés optiques 621 13.5.2.2 Propriétés thermiques 622 13.5.2.3 Propriétés mécaniques 622 13.5.3 Vitrocéramiques 623 13.6 Graphites et dérivés 624 13.6.1 Graphites traditionnels 625 13.6.2 Matériaux carbonés 625 13.7 Ciments et bétons 627 13.7.1 Ciments 628 13.7.2 Adjuvants 630 13.7.2.1 Accélérateurs de durcissement 630 13.7.2.2 Retardateurs de prise 630 13.7.2.3 Réducteurs d'eau (plastifiants) 630 13.7.2.4 Entraîneurs d'air 631 13.7.2 Bétons 631 Chapitre 14 Matériaux composites 14.1 Comportement mécanique des matériaux composites 634 14.1.1 Fibres continues unidirectionnelles 636 14.1.2 Fibres courtes alignées 641 14.1.3 Influence de l'orientation des fibres sur le comportement mécanique 647 14.1.4 Fibres orientées aléatoirement 651 14.2 Fibres de renfort 652 14.2.1 Fibres de verre 652 14.2.2 Fibres de polymères 654 14.2.3 Fibres de carbone 655 14.2.4 Renforts minéraux 656 14.2.5 Fibres métalliques et fibres céramiques 657 14.3 Matrices 659 14.3.1 Matrices organiques 659 14.3.2 Matrices carbonées 660 14.3.3 Matrices métalliques 662 14.3.4 Matrices céramiques 666 14.3.5 Ciment, béton et plâtre 668 14.4 Propriétés comparées des matériaux composites et des métaux 670 14.5 Bois et bois modifiés 674 14.5.1 Structure du bois 677 14.5.2 Comportement du bois sous contrainte 677 14.5.3 Influence de l'humidité 679 14.5.4 Bois modifiés 680 14.5.4.1 Lamellés-collés 680 14.5.4.2 Contre-plaqués 681 14.5.4.3 Panneaux de particules 681 14.5.4.4 Panneaux de fibres 681 Chapitre 15 Choix des matériaux 15.1 Raisons du choix 683 15.2 Évaluation des besoins 686 15.2.1 Exigences fonctionnelles 686 15.2.2 Exigences technologiques 692 15.2.3 Exigences économiques 694 15.2.4 Exigences sociales 699 Appendice A Tableau périodique 701 Appendice B Liste des symboles 703 AppendiceC UIÙtés et facteurs de conversion 705 Appendice D Constantes physiques 709 Appendice E Alphabet grec 711 Appendice F Expressions de la composition d'un mélange (ou alliage) binaire 713 Appendice G Valeur de la fonction erreur erf (z) selon la valeur de la variable z 717 Appendice H Facteur géométrique a associé à une fissure 719 Appendice 1 Didacticiel (cédérom) 721 Bibliographie 725 Index 729