Matériaux métalliques - 2ème édition

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Véritable encyclopédie technique des matériaux métalliques, cet ouvrage traite de tous les types de métaux : alliages ferreux (aciers et fontes), métaux et alliages non ferreux, métaux et alliages nouveaux (métaux amorphes, mémoire de forme). Après une partie générale sur la métallurgie physique, il fournit pour chaque matériau toutes les informations utiles à la connaissance, au choix et à l'utilisation : compositions et désignations, propriétés d'usage, méthodes de mise en oeuvre, domaines d'application et perspectives, données commerciales. Cette seconde édition apporte une mise à jour des normes et réglementaions des matériaux.

Publié le : mercredi 22 octobre 2008
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EAN13 : 9782100539185
Nombre de pages : 880
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1  Notions de métallurgie physique
1.1 Structure des métaux
1MÉTALLURGIE PHYSIQUENOTIONS DE
Michel Colombié
1.1 Structure des métaux 1.1.1 Liaisons entre atomes dun solide Les solides, quels quils soient, sont formés datomes liés entre eux par des forces sur lesquelles nous reviendrons. Rappelons dabord que les atomes sont constitués dun noyau central chargé positivement, autour duquel gravitent des électrons négatifs. Ces derniers sont organisés en différentes couches en général complètes à 8 électrons sauf la dernière. Nous noterons que létat le plus stable est atteint lorsque cette dernière couche contient, elle aussi, 8 électrons. Types de liaisons À partir des remarques précédentes, on comprendra que plusieurs types de liaison puis sent exister entre atomes dans les solides Liaison covalente La liaison covalente est caractérisée par la mise en commun entre atomes dun ou de plusieurs électrons de façon à compléter leur couche extérieure à 8 électrons. Par exemple (figure 1.1), latome de chlore possède 7 électrons sur sa couche exté rieure : la mise en commun dun électron de chaque atome entraîne une liaison covalente entre deux atomes. Autre exemple, le germanium possédant 4 électrons périphériques se combine avec 4 autres atomes de germanium : chacun mettra en commun un électron périphérique de façon à compléter toutes les couches extérieures à 8. Ces liaisons covalentes sont fortes et directionnelles. Liaison io nique Les atomes liés par des liaisons ioniques perdent ou gagnent un ou plusieurs électrons périphériques pour compléter leur couche extérieure à 8. Ils deviennent ainsi des ions positifs ou négatifs ; la liaison résulte de lattraction entre les ions de charges opposées. Par exemple, dans le cas du fluorure de lithium LiF, latome de lithium perd son électron périphérique qui vient compléter la couche externe du fluor (figure 1.1). Cette liaison ionique est encore une liaison forte. Cest le cas de nombreux composés tels que les oxydes métalliques, comme Al O , MgO, CaO, etc. 2 3 Liaison métallique La liaison métallique (figure 1.1) se caractérise par la mise en commun des électrons de liaison qui sont répartis dans lensemble du réseau dions. Ainsi, les métaux sont constitués
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A
NOTIONS DE MÉTALLURGIE PHYSIQUE
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Cl
Cl
 Liaison covalente de deux atomes de chlore
e
++ Fe e
++ Fe
e
e
e
++ Fe e
++ Fe
2+ Liaison métallique : ions Fe dans le nuage électronique
+ Li
1.1 Structure des métaux
F
 Liaison ionique du fluorure de lithium
+ CH C 2
O + H
H
N
CH 2
CH N C CH 2 2 O Liaison de Van der Waals. Réticulation du nylon
Figure 1.1 Quatre types de liaisons.
dions occupant des positions déterminées, formant un réseau et baignant dans un « nuage électronique ». La position des ions résulte des forces dattraction et de répulsion électrostatiques qui sexercent entre ces ions positifs et le nuage électronique délocalisé. Il sagit dune liaison moyennement forte. On comprendra cependant que, compte tenu de la « flexibilité » du nuage électronique, qui peut se déplacer à lintérieur de la structure, cette dernière est assez souple. En effet, sil manque localement un ou plusieurs ions, la structure sera préservée, le nuage électronique sadaptant pour maintenir les liaisons des autres ions. Nous verrons que cette propriété est à la base du comportement des maté riaux métalliques. Lia ison de Van der Waals Dans beaucoup de molécules à liaisons covalentes, le centre des charges positives nest pas confondu avec celui des charges négatives ; il y a déformation des orbites externes. Cela donne lieu à la formation de dipôles (figure 1.1). La liaison de Van der Waals est due à lattraction de ces molécules polarisées. Cest, au contraire des précédentes, une liaison de faible intensité. Ce sont ces liaisons faibles qui, par exemple, relient entre elles les macromolécules par réticulation. Types de liaison et propriétés des matériaux Les matériaux céramiques (oxydes, nitrures, carbures, etc.) sont caractérisés par des liaisons covalentes ou ioniques ; ces liaisons très fortes expliquent les températures de fusion et les résistances élevées de ces matériaux. Ce seront donc des réfractaires, en général très durs mais fragiles. De même, les liaisons étant directionnelles, les atomes
1  Notions de métallurgie physique
1.1 Structure des métaux
ne pourront pas prendre toutes les positions pour être le plus proche possible ; leur densité sera donc relativement faible. Enfin, lordre indispensable à ces types de liaison ne permet pas la présence de nombreux défauts dans la structure. Les faibles intensités des liaisons de Van der Waals expliquent, au contraire, que les polymères aient à la fois une température de fusion et une résistance mécanique très faibles. La liaison métallique de force moyenne entraîne pour les métaux des résistances ou des duretés et des températures de fusion intermédiaires. Nétant pas directionnelle, elle permet aux atomes de se rapprocher au maximum, conduisant à des densités élevées et aux structures les plus compactes. Enfin, sa flexibilité autorise une grande quantité de défauts, dont nous verrons linfluence en particulier sur les propriétés mécaniques et la déformation plastique Ces quelques remarques expliquent donc lexistence des trois grandes familles de maté riaux : céramiques, métaux, polymères et leurs principales propriétés. La métallurgie sintéressera à la deuxième, caractérisée par la liaison métallique évoquée cidessus. On y rencontrera accessoirement des composés comme les carbures, les nitrures ou les oxydes, de type céramique. Forces interatomiques. Modèle électrostatique Quel que soit le type de liaison parmi celles évoquées cidessus, les atomes sont donc liés entre eux par des forces dattraction ou de répulsion très directement fonction de leur distancex. En première approximation, nous utiliserons le modèle atomique de latome de Bohr ; selon ce modèle, les électrons chargés négativement sont maintenus en équi libre autour du noyau, sous leffet de leur interaction avec des charges positives. En considérant, toujours en première approximation, le cas de deux atomes (figure 1.2), les charges électriques de même signe créent un potentiel électrostatique de répulsion U entre les atomes, alors que les charges de signes opposés créent un potentiel élec r trostatique dattractionU. a
e e
+
e e
Figure 1.2Deux atomes.
+
Le potentiel dattractionUdonné par la loi de Coulomb : est U=A/x. Le coefficientA a a dépend des charges en présence ; il est négatif, car sagissant de forces dattraction, lénergie diminue sixdiminue. n Le potentiel de répulsion est de la formeU=B/x, avecn, une constante de lordre de r 6 à 11 selon les matériaux. La figure 1.3 représente la variation deU,Udu potentiel résultant et U=U +U en a r a r fonction dex. Il présente un minimum pour une distancexcorrespondant à la position 0 déquilibre des deux atomes. Par conséquent, cette position déquilibre des atomes à létat solide correspond à lexistence du puits de potentielU pour la distancex. On 0 0 constate que ce puits de potentiel est dautant plus profond, cestàdire queU est 0
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A
NOTIONS DE MÉTALLURGIE PHYSIQUE
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U
O
U o
U r
U
x o
U a
Potentiel entre deux atomes
x
F
F m
O
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x o
Force entre deux atomes
Figure 1.3 Variation deUet deF.
x
dautant plus grand, que la valeur denest élevée.Ureprésente en réalité lénergie de 0 cohésion, cestàdire lénergie quil faut fournir au matériau pour quil passe de létat solide à létat gazeux où la distance entre atomes est très élevée : cest donc lenthalpie de sublimationHcorrespondant au passage de létat solide à létat gazeux. m Lapplication dune force, par exemple de traction, entre les atomes entraînera évidem ment un déplacement de la position déquilibre autour dex; cela nest autre que le 0 phénomène de déformation élastique des matériaux correspondant au déplacement de latome dans son puits de potentiel autour de sa position déquilibre. La force appliquée dU se calcule facilement :F=dx
soit :F
dA B =+n dxx x
dFS x dσ0 0dF   Le module délasticité peut sobtenir de même :E===  dεdxx Sdxx 0 0
(1n)A soit, tous calculs faits :E=2 S x 0 0 La résistance à la rupture correspondrait à la valeur maximale de la force, soitF: m
F mA1n   R==m 2  S1+n S x 0 0m Ce modèle permet donc de comprendre la notion de cohésion et de rigidité des matériaux solides, en particulier des métaux. Ces caractéristiques, mesurées parRetE, sont liées m à la profondeur du puits de potentiel dans lequel se trouve latome, cestàdire à la valeur du coefficientncompris entre 6 et 11. Par contre, cette théorie présente deux difficultés :
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1.1 Structure des métaux
1. Compte tenu des valeurs denentre 6 et 11, on calcule facilement que comprises E R. Or, expérimentalement, cette relation nest pas vérifiée. Pour un acier, par exem m 10 E210 000 ple,R=MPa=21 000 MPa(E210 GPa). m 10 10 Or en pratique Rm800/1 000 MPa soit de lordre de 20 fois inférieur. 2. La déformation élastique du matériau correspondrait au déplacement le long de la courbe dexàx. On constate, la courbe nétant pas linéaire, que la force nest pas proportionnelle 0m au déplacementx, ce qui est contraire à la loi de Hooke constatée expérimentalement. Nous expliquerons ultérieurement ces deux contradictions.
1.1.2 Architecture cristalline Systèmes et réseaux cristallins Dans un métal ou un solide en général, chaque ion ou chaque atome occupe une position bien définie dans lespace, non seulement par rapport à ses premiers voisins, mais aussi par rapport à tous les autres atomes. On dit quil existe un ordre à grande distance. Lensemble de la répartition des atomes ou des ions présente une symétrie telle que toute la structure peut être décrite par la translation selon trois axes dun motif constant. De façon tout à fait générale, ce motif peut être défini par un parallélépipède caractérisé par (figure 1.4) :  trois vecteursa,betc,  porté par trois axes Ox, Oyet Oz,  formant entre eux trois anglesα,βetγ. Le parallélépipède ainsi défini est unemaille primitive. Selon les relations qui sétablis sent entre les trois longueursa,betcet les trois anglesα,β, etγ, on distingue 7 systè mes cristallins différents. Chaque sommet de la maille primitive est un nud. En plaçant dautres nuds, soit au centre de la maille, soit au centre de ses bases, soit au centre de ses six faces, on obtient 14 réseaux cristallins ouréseaux de Bravais.
x
a
c γ α O β
b
z
Maille élémentaire
Figure1.4Mailleélémentaire.
y
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