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Cours Verre et Céramiques (

SGM

1

, EA

1

) DUT SGM 2012

IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

Version du 15 Septembre 2011

IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin Cours Verre et Céramiques (

SGM

1

, EA

1 ) DUT SGM 2012

1 2

Microstructure

Objectifs (microstructure) :

Les liaisons fortes

covalente

ionique

métallique

mixte

Les liaisons faibles

Van der Waals

Au bilan...

Les potentiels d’interaction

Définition

Lennard Jones

Relation avec les propriétés physiques

Les forces dérivant

Résumé

Architecture atomique.

Généralité

Exemple de la silice

Module d’Young

Coefficients de dilatation

IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

Cours Verre et Céramiques (

SGM

1

, EA

1 ) DUT SGM 2012

3

Propriété mécaniques : première partie constatation

Objectifs (mécanique) :

Matériaux fragiles

Module d’Young

Resistance mecanique

Expérience de Griffith (1921)

Défauts de surface

Une mesure intrinsèque Essais de ténacité méthode de mesure Quelques valeurs (ODG) Pourquoi MPa.m 1/2 conclusion 4 Propriété mécaniques : deuxièmememt compréhension Modèle énergétique de Griffith Condition "énergétique" Critère mécanique Statistique de Weibull Loi de Weibull IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

Cours Verre et Céramiques (

SGM

1

, EA

1 ) DUT SGM 2012

5 6 7 Propriété mécaniques : Autres méthodes de mesure Introduction Essais "Charpy" Résistance à la perforation Energie à rupture Propriété mécaniques : troisième partie "plasticité" Origine de la plasticité matériaux ioniques transition ductile-fragile extension du critère de Griffith Objectifs (verres) : Les verres Introduction Formulation des verres microstructure Notion de transition vitreuse Formateurs et Modificateurs de réseaux Trempe thermique Trempe chimique Effet des impuretés IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

Cours Verre et Céramiques (

SGM

1

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1 ) DUT SGM 2012

8 Verres et sécurité.

Verres trempé et durci Verres de sécurité ...

Le choc thermique Objectifs (bétons) : Bétons Définitions Introduction Préparation (1) Les granulats / la "granulo" Prise du ciment Mesure du temps de prise Le phénomène dépend ...

Temps de prise vs température Aspect thermodynamique ettringite Mise en oeuvre : béton armé Classes et sous classes de résistances Broyage compacite max Objectifs (process) : IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

Cours Verre et Céramiques (

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1 ) DUT SGM 2012

9 Mise en oeuvre Temperatures Quelques méthodes de mise en oeuvre Les bétons (compacité max) Les verres creux Les verres plats Les céramiques Triax L’emballage IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 4

Première partie I

Microstructure

IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 4

1. Microstructure

Au programme ...

1

Microstructure

Objectifs (microstructure) :

Les liaisons fortes

covalente

ionique

métallique

mixte

Les liaisons faibles

Van der Waals

Au bilan...

IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 5

1. Microstructure

1.1 Objectifs (microstructure) :

- Microstructures 1 Connaître les différents types de liaisons (structure) 2 3 Exprimer les conséquences sur les propriétés physiques Identifier architecture atomique (et fonctions de corrélation de paires associées) 4 Comprendre la ductilité des matériaux en relation avec leur structure IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 6

1. Microstructure

1.2 Les liaisons fortes

Définition :

Type de liaison

Il existe trois types principaux de liaisons fortes. Elles se différencient par leurs actions sur les électrons de valence (couches externes).

Liaisons covalentes Liaisons ioniques Liaisons métalliques IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 7

1. Microstructure

1.2 Les liaisons fortes

1.2.1 covalente

Définition :

Liaison covalente

Partage

d’électrons de valence entre 2 atomes Liaison directionnelle La couche extérieure des éléments doit être au moins à moitié pleine ex. : le diamant.

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1 Microstructure P. 8

1. Microstructure

1.2 Les liaisons fortes

1.2.1 covalente

Figure : Liaison covalente IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 9

1. Microstructure

1.2 Les liaisons fortes

1.2.2 ionique

Définition :

Liaisons ioniques

Perte et gain

d’électrons de valence entre 2 atomes Attraction entre les ions de signe opposé ( 600 − 1500

kJ .

mole

− 1 ) Liaison non-directionnelle Liaison entre les éléments qui ont beaucoup et peu d’électrons de valence ex. :

NaCl

Na

+ +

Cl

− le sodium cède son électron au chlore Halogénures alcalins (NaCl, KCl), Alcalino-terreux (MgCl2, CaCl2, BaCl2) Majorité des oxydes (MgO, CaO, Al2O3) IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 10

1. Microstructure

1.2 Les liaisons fortes

1.2.2 ionique

Figure : Liaison ionique IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 11

1. Microstructure

1.2 Les liaisons fortes

1.2.2 ionique

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1 Microstructure P. 12

1. Microstructure

1.2 Les liaisons fortes

1.2.2 ionique

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1 Microstructure P. 13

1. Microstructure

1.2 Les liaisons fortes

1.2.3 métallique

Définition :

Liaison métallique

Abandon et délocalisation

des électrons de valence entre les atomes.

formation d’une structure d’ions + noyés dans un nuage d’électrons concerne des éléments possédant peu d’électron de valence les électrons mobiles expliquent les conductivités thermique et électrique élevées des métaux ex. :

Fe

,

Cu

,

Al

, etc.

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1 Microstructure P. 14

1. Microstructure

1.2 Les liaisons fortes

1.2.3 métallique

Figure : Liaison métallique IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 15

1. Microstructure

1.2 Les liaisons fortes

1.2.4 mixte

Définition :

Liaisons mixtes

Il est relativement rare de rencontrer des liaisons purement covalente ou purement ionique. Selon l’électronégativité des atomes, le caractère ionique ou covalent est plus ou moins marqué. On les appelle aussi « covalente polaire », « iono-covalente »

Liaison covalente pure liaison mixte liaison ionique H Position moyenne du doublet   H H   Cl  Na  Cl Modèle H - H + d H-Cl d Na + Cl -

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1 Microstructure P. 16

1. Microstructure

1.3 Les liaisons faibles

Définition :

Liaisons faibles

Les liaisons faibles ne mettent pas en jeu les électrons des atomes, mais reposent sur des interactions dipolaires. Leur énergie est relativement faible de quelques dizaines de

J .

mol

− 1 à quelques dizaines de

kJ .

mol

− 1 .

Liaisons de Van der Waals Liaisons Hydrogène IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 17

1. Microstructure

1.3 Les liaisons faibles

1.3.1 Van der Waals

Définition :

Liaison de Van der Waals

Effet d’orientation de Keesom :

C’est une orientation de type "dipôle permanent - dipôle permanent". Elle s’effectue donc entre molécules polaires, c’est-à-dire possédant un moment dipolaire non nul.

Effet d’induction de Debye :

C’est une orientation de type "dipôle permanent - dipôle induit". Elle s’effectue donc entre une molécule polaire et une molécule apolaire qui se polarise sous l’effet du champ électrique créé par la molécule polaire (d’où le terme "induit").

Effet de dispersion de London :

C’est une orientation de type "dipôle instantané - dipôle induit" ou "dipôle instantané - dipôle instantané".

Elle s’effectue donc entre deux molécules apolaires.

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1 Microstructure P. 18

1. Microstructure

1.4 Au bilan...

Caractère mixte ou hybride des liaisons atomiques

Diamant, Si, Ge

Covalente P ol ym èr es

gra ph ite

Van der Waals

H 2 O, N 2 , Cl 2 SiO 2 mica

M ét au x

Fe, Ni, Co

Métallique

Cu, Na, Ag

Ionique

NaCl, MgO, Al 2 O 3 Figure : Bilan des interactions IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 19

2. Les potentiels d’interaction

Au programme ...

2

Les potentiels d’interaction

Définition

Lennard Jones

Relation avec les propriétés physiques

Les forces dérivant

Résumé

Architecture atomique.

Généralité

Exemple de la silice

Module d’Young

Coefficients de dilatation

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1 Microstructure P. 20

2. Les potentiels d’interaction

2.1 Définition

Définition :

Potentiel

Les interactions entre atomes sont régies par des « potentiels » (il s’agit en fait d’énergie potentielle) d’interaction.

U

Répulsion à courte distance (principe de Pauli)

d

Attraction à longue distance (état solide ou liquide) Le principe est de superposer une composante attractive (qui justifie la liaison) et une répulsive (qui décrit les atomes comme des « sphères rigides »). La forme la plus classique est le potentiel de Lennard-Jones.

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1 Microstructure P. 21

2. Les potentiels d’interaction

2.1 Définition

2.1.1 Lennard Jones

Potentiel de Lennard-Jones 0.3

0.2

0.1

0 -0.1

0 -0.2

-0.3

0.5

1 Distance atomique Uo énergie de cohésion atomique ao distance inter-atomique au zéro absolu r rayon de courbure Ua potentiel électrostatique d ’attraction Ur potentiel électrostatique de répulsion 1.5

répulsion (r12) attraction (r6) totale 2

E p

(

r

) = 4

E

0 h

r

0

r

12 −

r

0

r

6 i Le terme puissance 6 (attractif) domine à grande distance (ici interactions de Van der Waals) ; on peut le démontrer rigoureusement dans le cadre de la physique classique.

L’exposant 12 du terme répulsif domine à courte distance, est empirique pour décrire au mieux l’impossibilité d’interpénétration mutuelle des nuages électroniques de deux atomes.

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1 Microstructure P. 22

2. Les potentiels d’interaction

2.1 Définition

2.1.2 Relation avec les propriétés physiques

Potentiel de Lennard-Jones 0.3

0.2

0.1

0 0 -0.1

-0.2

-0.3

0.5

1 1.5

E = 0.1 eV E = 0.2 eV E = 0.3 eV Distance atomique

Figure : Potentiel de Lennard-Jones

2

pic pointu, profondeur Uo élevée, pente raide : - liaisons covalentes, ioniques, métalliques pic évasé, profondeur Uo faible, courbe évasée : - force de Van der Waals IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 23

2. Les potentiels d’interaction

2.1 Définition

2.1.3 Les forces dérivant

Conséquences de Lennard-Jones 1.5

1 0.5

0 0 -0.5

-1 -1.5

0.5

1 1.5

Distance atomique

Figure : Force d’interaction

E = 0.1 eV E = 0.2 eV E = 0.3 eV 2

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1 Microstructure P. 24

2. Les potentiels d’interaction

2.2 Résumé

Type de liaison Covalente Ionique Métallique Van der Waals -> f = faible -> m = moyen -> e = élevé

T f

e e m-e f Propriétés

E α

e e f f m-e f m-f e

σ r

f f m-e f IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 25

2. Les potentiels d’interaction

2.3 Architecture atomique.

K - Devoir Maison K # 1 Combien trouve-t-on d’atomes dans un centimètre cube de solide ?

Rmq :

Aide ...

La distance classique entre deux atomes est de l’ordre de 1Å . . .

Rmq :

Réponse

Vous devriez trouver un nombre proche d’une des plus grandes constantes connue en physique.

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1 Microstructure P. 26

2. Les potentiels d’interaction

2.3 Architecture atomique.

2.3.1 Généralité

Comment disposer 10 24 atomes dans 1

cm

3 de solide ?

Deux cas extrêmes sont possibles : En ordre, solides cristallins : - métaux - céramiques - polymères En désordre solides amorphes : - polymères - céramiques - verres - carbone

métaux

SOLIDE CRISTALLIN Solide amorphe (ou liquide) Figure : Cristallin vs amorphe IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 27

2. Les potentiels d’interaction

2.4 Exemple de la silice

Figure : Quartz versus Silice IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 28

2. Les potentiels d’interaction

2.5 Module d’Young

U

F S

0 

E

l l

0

U

0 

E

 Module d’Young plus faible Module d’Young plus élevé

d

Figure : Potentiel d’interaction / module d’Young IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 29

2. Les potentiels d’interaction

2.6 Coefficients de dilatation

U

L

.

T U

0 

d U 0

Figure : Potentiel d’interaction / Coefficient de dilatation IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

1 Microstructure P. 30

2.

Deuxième partie II

Propriétés mécaniques

IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

2 Propriétés mécaniques P. 31

3. Propriété mécaniques : première partie constatation

Au programme ...

3

Propriété mécaniques : première partie constatation

Objectifs (mécanique) :

Matériaux fragiles

Module d’Young

Resistance mecanique

Expérience de Griffith (1921)

Défauts de surface

Une mesure intrinsèque Essais de ténacité méthode de mesure Quelques valeurs (ODG) Pourquoi MPa.m 1/2 conclusion IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

2 Propriétés mécaniques P. 32

3. Propriété mécaniques : première partie constatation

3.1 Objectifs (mécanique) :

- Mécanique 1 Savoir définir la résistance mécanique 2 3 Connaître les expériences de Griffith Identifier une mesure intrinsèque 4 Comprendre la notion de ténacité : Définition méthode de mesure (trois modes) quelques valeurs typiques Pourquoi MPa.m 1/2 5 6 transition ductile / fragile Modèle de Griffith (énergétique et mécanique) 7 8 Extension aux matériaux ductiles Autres caractérisations de la "ténacité" (résilience, énergie à rupture, etc.) 9 La concentration de contraintes (Kt) IUT Chambéry - DUT SGM / L. Flandin

2 Propriétés mécaniques P. 33

3. Propriété mécaniques : première partie constatation

3.2 Matériaux fragiles

Définition :

Fragile ?

Un matériau est dit fragile lorsqu’il rompt brutalement. Sa courbe contrainte déformation demeure linéaire (élastique) jusqu’à rupture où toute l’énergie élastique emmagasinée est libérée.

Définition :

Ductile ?

Un matériau est dit ductile lorsqu’il absorbe de l’énergie sous forme de déformation plastique avant rupture.

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2 Propriétés mécaniques P. 34

Le reste du cours n'est pas en ligne, Si vous êtes enseignant je vous le ferai parvenir pas mail sur simple demande Pour les étudiants, je préfère que vous veniez assister :-)