Sciences des matériaux Propriétés et comportements des matériaux
Du microscopique au macroscopique.

Sommaire et contenu du livre "Sciences des matériaux Propriétés et comportements des matériaux - Du microscopique au macroscopique."

Table des matières Chapitre 1 -INTRODUCT/ON 1 1-Matériaux anciens et matériaux modernes 1 2· Classification des matériaux 2 2.1. Classement des matériaux selon leur microstructure 2 2.2. Classement des matériaux selon leur emploi 4 3· Plan de l'ouvrage 5 Partie A : DE LA MICROSTRUCTURE A LA MACROSTRUCTURE DES MATERIAUX Chapitre Il-ELEMENTS DE PHYSIQUE ATOMIQUE 7 1· Bases de la mécanique quantique 8 1.1. Equivalence masse -énergie 8 1.2. Dualité ondes -corpuscules 8 1.3. Principe d'exclusion de Pauli 10 1.4. Principe d'incertitude de Heisenberg 10 1.5. Quelques rappels sur les propriétés des ondes 10 1.6. Ondes associées aux particules 13 1.7. Notion de paquet d'ondes 14 1.8. Ondes stationnaires 15 2· Equation de Schrodinger 17 2.1. Equation de Schrôdinger indépendante du temps 17 2.2. Energie potentielle d'une particule 17 2.3. Solutions de l'équation de Schrôdinger 18 3· Electrons dans les atomes 19 3.1. Moments cinétiques et moments magnétiques 19 3.2. Structure électronique des atomes 24 4· Formes des orbitales atomiques 29 4.1. Représentation radiale des orbitales atomiques 29 4.2. Représentation angulaire des orbitales atomiques 29 4.3. Autres représentations 30 5· Liaisons atomiques 31 5.1. Liaisons fortes 31 5.2. Liaisons faibles 33 5.3. Propriétés induites par le type de liaison 34 6-Exercices 35 Chapitre III -SOLIDES CR/STALLINS. 37 1· Stabilité des solides 37 2· Concepts des structures cristaUines 40 2.1. Loi de la constance des angles dièdres 41 2.2. Loi des troncatures 41 2.3. Forme macroscopique des cristaux 43 3· Réseau périodique 44 3.1. Rangées el plans réticulaires 45 3.2. Maille élémentaire et maille conventionnelle 45 4· Systèmes cristaUins 46 4. J. Réseaux de Bravais 46 4.2. Symétries cristallines 48 5· Indices de Miller 49 5.1. Cas des plans 49 5.2. Cas des directions 50 5.3. Distances entre plans 51 5.4. Cas particulier du système hexagonal 52 5.5. Plans de grande densité 52 Table des matières 6-Quelques structures types 53 7-Cristaux métalliques 54 8-Cristaux céramiques 56 8.1. Exemple des silicates 56 8.2. Exemple des pérowskites 57 9-Défauts des structures cristallines 58 9.1. Types de défauts 58 9.2. Défauts ponctuels 59 9.3. Défauts linéaires: dislocations 60 9.4. Défauts plans: joints de grains 63 10-Quasicristaux 64 11-Exercices 66 Chapitre IV -SOLIDES NON CRISTALLINS OU PARTIEL. CRISTALLINS_ 69 1-Structure des verres 69 2-Structures des polymères 72 2.1. Macromolécules 72 2.2. Configurations des macromolécules 73 2.3. Liaisons entre les atomes des macromolécules 74 2.4. Polymères réguliers 77 2.5. Polymères cristallins et non cristallins 79 2.6. Polymères thermodurcis 83 3-Exercices 85 Chapitre V -PROPRIETES ELASTOPLASTIQUES MICROSCOPIQUES 87 1-Contraintes et déformations 87 1.1. Contraintes 87 1.2. Déformation d'un milieu continu 90 1.3. Relation contrainte déformation: élasticité 91 2-Déformation élastique microscopique 93 2.1. Loi de Hooke 93 2.2. Agitation thermique et dilatation 94 3-Vibrations des réseaux cristallins 95 3.1. Premiers modèles 95 3.2. Ondes élastiques dans les cristaux 97 4-Déformation plastique des cristaux 99 4.1. Glissements dans les monocristaux 99 4.2. Consolidation des monocristaux 101 4.3. Limite élastique des cristaux 102 5-Rôle des dislocations 103 5.1. Mécanisme de cisaillement 103 5.2. Propriétés élastiques des dislocations 104 5.3. Durcissement structural 108 6-Exercices 109 Chapitre VI -PROPRIETES PHYSIQUES III 1-Matériaux conducteurs 111 1.1. Rappels III 1.2. Loi de Wiedemann-Franz 112 1.3. Modèle de Sommerfeld 113 1.4. Statistique de Fermi-Dirac 117 1.5. Modèle des bandes d'énergie 119 1.6. Conducteurs, isolants et semiconducteurs 121 2-Matériaux semiconducteurs 123 2.1. Zones de Brillouin 123 2.2. Masse effective, conduction par électrons et trous 125 2.3. Bandes d'énergie dans un cristal tridimensionnel 127 2.4. Densité d'états dans les bandes permises 128 3-Matériaux diélectriques 129 3.1. Propriétés des diélectriques _--,----:---:----:-:-_-:--129 3.2. Interprétation physique de la polarisation électrique 130 3.3. Piézoélectricité 132 3.4. Ferroélectricité 133 4-Matériaux magnétiques 134 4.1. Induction magnétique 134 4.2. Diamagnétisme et paramagnétisme 135 4.3. Ferromagnétisme 136 5-Exercices 143 Chapitre VII -ATOMESETRANGERSDANSLESSOLIDES CRISTALLINS_145 1-Solutions solides 145 1.1 . Types de solutions solides 145 J.2. Solutions d'insertion 146 1.3. Solutions de substitution 149 1.4. Solutions solides ordonnées 149 1.5. Phases intermédiaires 150 2-Diffusion dans les solides 151 2.1. Diffusion et autodifTusion 151 2.2. Equations de Fick 152 2.3. Solutions des équations de Fick 154 3-Exercices 155 Chapitre VIII -ETUDE EXPERIMENTALE DES MICROSTRUCTURES__157 1-Matérialographie optique 157 2-Microscopies électroniques 159 2.1. Microscopes électroniques à transmission 159 2.2. Microscopes électroniques à balayage 160 3-Rayons X 162 3.1. Nature des rayons X 162 3.2. Production des rayons X 162 3.3. Etude spectrale du rayonnement X 163 3.4. Interaction des rayons X avec la matière 165 4-Radiographie industrielle 168 5-Diffraction des rayons X par les cristaux 169 5.1. Diffusion des rayons X par les électrons 169 5.2. Loi de Bragg 170 5.3. Facteur de structure d'un cristal 171 5.4. Méthodes de la radiocristaJJographie 173 6-Vers d'autres techniques 177 6.1. Analyse des matériaux vitreux 177 6.2. Utilisation des neutrons 177 6.3. Utilisation de la lumière infrarouge 178 7-Exercices 179 Partie B : TRANSITIONS DE PHASES DANS LES MATERIAUX Chapitre IX -THERMODYNAMIQUE ET TRANSITIONS 181 1-Eléments de thermodynamique 181 1.1. Rappels des fondements de la thermodynamique 181 1.2. Propriétés de l'enthalpie libre 182 1.3. Energie superficielle 183 2-Définitions des transitions 184 2.1 . Présentation des transitions 184 2.2. Classification des transitions 185 3-Equilibres de phases 186 3.1. Règle des phases 186 3.2. Etude expérimentale de la solidification d'un matériau cristallin 187 Table des matières 4-Germination -,--188 4.1. Gennination homogène 188 4.2. Gennination hétérogène 189 5-Exercices 190 Chapitre X-SOLIDIFICATION ET TRANSFORMATIONS A L'ETATSOLIDE 191 1-Diagrammes de solidification d'un alliage 191 1.1. Principe 191 1.2. Règles de lecture des diagrammes de solidification 192 2-Principaux diagrammes de solidification 193 2.1. Solution solide illimitée 193 2.2. Transformation eutectique 194 2.3. Transformation péritectique 195 2.4. Fonnation d'une combinaison chimique du type AxB y 197 2.5. Remarques 198 3-Mécanismes de solidification 198 3.1. Hétérogénéités des solutions solides 198 3.2. Coefficient de ségrégation 199 3.3. Microstructures de solidification des alliages 200 3.4. Application de la ségrégation à la purification des matériaux 204 4-Systèmes ternaires 205 4.1. Représentation des diagrammes ternaires 205 4.2. Fonnes des diagrammes ternaires 206 5-Transformations à l'état solide 208 5.1. Transformations allotropiques 208 5.2. Réactions de précipitation 210 5.3. Transfonnations eutectoïdes 212 5.4. Solubilité partielle à basse température 212 5.5. Ecrouissage et recristallisation 213 5.6. Transformations martensitiques 216 6-Obtention de solides par frittage 217 7-Exercices 218 Chapitre XI -TRANSITION V1TREUSE 221 1-Introduction 221 2-Transition vitreuse 223 2.1. Volume spécifique et tempéraI ure 223 2.2. Volume libre 224 3-Autres transitions 225 4-Exercices 226 Partie C : ESSAIS MECANIQUES ET LOIS DE COMPORTEMENT DES MATERIAUX Chapitre XII -ESSAIS MECANIQUES 227 1-Essais de dureté 228 2-Essais de traction 229 2.1. Machines et appareils de mesure des défonnations 229 2.2. Rigidité des machines de traction 230 2.3. Eprouvettes de traction 232 2.4. Fonnes générales des courbes de traction 232 2.5. Courbes rationnelles de traction 234 3-Autres essais mécaniques 235 3.1. Essais de compression 235 3.2. Essais de flexion 235 4-Exercices 236 Chapitre XIII -RHEOLOGIE 1-Comportements élastique et viscoélastique 238 1.1. Solides élastiques 238 1.2. Matériaux visqueux 240 1.3. Solides viscoélastiques 241 1.4. Equivalence temps-température dans les polymères 244 2-Comportements plastique et viscoplastique 245 2.1. Solides plastiques 245 2.2. Solides viscoplastiques 246 2.3. Lois du fluage 247 3-Comportement élastoplastique 252 3.1. Ecrouissage monotone 252 3.2. Ecrouissage cyclique et accommodation 253 3.3. Critères de plasticité 255 3.4. Limite élastique des polycristaux 255 3.5. Plasticité discontinue 256 3.6. Effet Bauschinger 257 4-Exercices 257 Chapitre XIV -ENDOMMAGEMENT ET RUINE DES MATERIAUX 259 1-Endommagement des matériaux 259 2-Rupture ductile et rupture fragile 262 2.1. Caractères des ruptures ductile et fragile 262 2.2. Transition ductile-fragile 264 3-Mécanique de la rupture et ténacité 267 3.1. Introduction 267 3.2. Théorie de la rupture de Griffith 268 3.3. Contraintes au voisinage d'une fissure chargée 270 3.4. Condition de propagation des fissures 272 3.5. Mécanismes de propagation des fissures 273 3.6. Méthodes de mesure de KIc 274 3.7. Maîtrise de la rupture fragile 275 3.8. Cas des céramiques, statistique de Weibull 276 4-Rupture par fluage 278 5-Endommagement et rupture par fatigue 279 5.1. Caractères des ruptures de fatigue 279 5.2. Lois générales de la fatigue 281 5.3. Dispersion statistique des ruptures de fatigue 282 5.4. Paramètres de la tenue en fatigue 283 5.5. Fatigue oligocyclique 284 5.6. Interprétation physique de la fatigue 285 5.7. Essais de fatigue 289 6-Exercices 292 Solutions des exercices 293 Pour en savoir plus... 308 Index 309