L'unité d'enseignement est obligatoire.
Les cours sont dispensés en français.
Les cours sont dispensés en anglais.

Descriptif de l'Unité d'Enseignement

3 ECTS / 30 h / 10 séances de 3 heures

Cours magistral : 13h

Travaux dirigés : 13h

Travaux pratiques : 4h

Equipe pédagogique

Coord. Bruno Fayolle (bruno.fayolle@ensam.eu, ENSAM Paris)

Etienne Barthel (etienne.barthel@espci.psl.eu, ESPCI Paris)

Karine Lavernhe (karine.lavernhe@ens-paris-saclay.fr, ENS Paris-Saclay)

Ricardo Gatti (riccardo.gatti@onera.fr, ONERA)

Jean-Michel Scherer (jean-michel.scherer@minesparis.psl.eu, Mines Paris)

Sylvie Pommier (sylvie.pommier@universite-paris-saclay.fr, ENS Paris-Saclay)

Objectifs

Cette unité d’enseignement a pour objectif d’éclairer les relations entre la microstructure des matériaux et leurs propriétés mécaniques en s’intéressant aux mécanismes élémentaires de déformation et de durcissement. C’est un domaine interdisciplinaire au carrefour de la mécanique et de la physique. En effet, le comportement mécanique d’un matériau, autrefois caractérisé et modélisé essentiellement à l’échelle macroscopique (l’échelle de l’objet, la pièce) l’est de plus en plus à des échelles multiples car il découle de mécanismes physiques se produisant à des échelles allant de l’échelle atomique (O.1 nm), jusqu’à l’échelle de la microstructure (0.1 mm). Bien comprendre ces mécanismes permet de modéliser de manière plus pertinente le comportement des matériaux et également de créer des matériaux nouveaux aux propriétés optimales pour une application donnée. On s’intéressera ici plus particulièrement aux cas des matériaux métalliques, polymères et des matériaux à longueur interne (matériaux nanostructurés, mousses métalliques ou os exemple).

Applications

La science des matériaux est une culture à acquérir dès que l’on travaille dans le domaine de la tenue en service des matériaux, de leur transformation ou de leur fabrication, et plus particulièrement lorsque des comportements complexes (non-linéaires par exemple) sont rencontrés. Les applications les plus directes seront le choix de matériau dans les phases de dimensionnement, ou le choix de procédés de transformation pour un matériau donné afin d’obtenir les propriétés optimales pour une application donnée et enfin la conception de nouveaux matériaux pour des applications émergentes. Les secteurs industriels concernés sont très larges, transport, énergie, construction mais aussi électronique ou santé !

Thèmes abordés

• Polymères : 3 premières séances
• Métaux : 4 séances suivantes
• Matériaux à longueur interne (métal et polymères) : 2 dernières séances
• 1 TP : numérique ou expérimental et une séance de restitution (30% de la note finale)

Bibliographie

• D. François, A.Pineau, A. Zaoui, (1993), Comportement mécanique des materiaux, tomes 1 et 2, Hermes, Paris
• J. Friedel, (1964), Dislocations, Pergamon, Oxford.
• J.P. Hirth, J.Lothe, (1968), Theory of dislocations, Mac Graw Hill.
• D. Jaoul, (1965), Etude de la plasticité et application aux métaux, Dunod, Paris.
• D. Hull, J. Bacon, (1984), Introduction to dislocations, International series on materials science and technologie, Pergamon, Oxford.
• H. H. Kausch et col.(2001), Matériaux Polymères. Propriétés Mécaniques et Physiques, Traité des Matériaux vol. 14. Presses Polytechniques et Universitaires Romande Lausanne.
• G. Kostortz et col. (2001), Phase Transformations in Materials, Wiley-VCH, Weinheim.

Plan du cours

Séance 1 : Polymères, cours

Introduction générale aux macromolécules. Les grandes familles de matériaux polymères par structure et par technique de mise en œuvre. Leurs applications principales. Relations entre leurs microstructures et leurs propriétés mécaniques et optiques.

Séance 2 : Polymères, cours, TD

Equivalence temps-température, visco-élasticité et hyperélasticité, influence de la température sur le comportement mécanique des polymères - Exercice : Viscoélasticité – Equivalence Temps-température

Séance 3 : Polymères, cours et TD

Mécanismes de plasticité et de rupture des polymères …- Etude de cas : observation des mécanismes d’endommagement : craquelures et bandes de cisaillement

Séance 4 : Métaux, cours et TD

Introduction générale sur le comportement des métaux. Contrainte: Plasticité cristalline : systèmes de glissement, cissions résolues, critère de plasticité du monocristal. Ecarts à la loi de Schmid dans les CC et HC. Cas du polycristal, rôle de la texture. Exercice: calcul de surface seuil du monocristal en traction-torsion selon l’orientation cristalline, sensibilisation aux effets de la texture cristalline

Séance 5 : Métaux, cours et TD

Dislocations: Paradoxe de Taylor et dislocations, vis, coin. Vecteur de Burgers. Champ de contrainte et de déformation autour d’une dislocation, énergie associée. Exercice: Interaction élastique entre deux dislocations selon leurs positions relatives et leur nature Vis/Coin. Conséquences pratiques …

Séance 6 : Métaux, cours et TD

Durcissement : Mécanismes de durcissement, création et multiplication des dislocations (moulin de Franck et Read). Interaction dislocation solution solide, dislocation /précipités (contournement, cisaillement). Exercice : Description de la courbe d’écrouissage du monocristal.

Séance 7 : Métaux, cours et TD

Vitesse de déformation : Cinématique de la déformation plastique cristalline : glissement simple et glissements multiples, mécanismes de déformations plastiques complémentaires, dislocations géométriquement nécessaires, montée, glissement dévié, maclage et autres. Exercice : Déformation Dissociation des dislocations, effets Suzuki, études de cas (microstructures alliages industriels / applications)

Séance 8 : Matériaux à longueur interne, cours

Matériaux nano-structurés et nano-objets. Loi d’évolution de la densité de dislocation avec la déformation plastique. Mise en évidence de l'effet de taille de grain sur les propriétés mécaniques des polycristaux: loi de Hall Petch et écart à cette loi pour les nano-cristallites

Séance 9 : Matériaux à longueur interne, TD et cours

Exercice: Dislocations géométriquement nécessaires et dislocation image pour expliquer les effet de surface dans les nano-objets. Déformation des mousses métalliques et micro-objets. Comment la structure interne et\ou externe d’un matériau modifie ses propriétés mécaniques, exemple des mousses d’aluminium et des interconnectes métalliques dans les microsystèmes.

Séance 10 : Matériaux à longueur interne - démonstration

Simulation numérique de la dynamique des dislocations dans les matériaux à fort effet de confinement. / Simulation numérique du comportement d'un polycristal avec utilisation de loi de plasticité cristalline.