Le cours est facultatif mais fortement conseillé
Le cours est dispensé en anglais

 Equipe pédagogique

   Coord. Anne-Françoise GOURGUES-LORENZON (anne-francoise.gourgues-lorenzon@mines-paristech.fr, MINES Paristech)  

Objectifs

L’objectif de ce cours est de donner et/ou de rappeler les éléments essentiels à la compréhension des relations étroites entre la microstructure des matériaux et leurs propriétés mécaniques, ces relations étant abordées dans la suite du Master. Les 15h de formation prendront la forme de cours interactifs, où l’ensemble du groupe vérifiera au fur et à mesure que le contenu du cours a bien été acquis

Thèmes abordés

Chapitre 1. Les éléments de base sur la microstructure des matériaux

• Introduction aux différentes familles de matériaux : réflexion à partir de leurs propriétés d’emploi, origine et ordre de grandeurs numériques de ces propriétés (module d’Young, dilatation thermique, température de fusion...).
• Rappel sur les liaisons atomiques. Etat cristallin, état amorphe (et transition vitreuse), notions de base de cristallographie.
•  Microstructure des alliages métalliques, des céramiques : solution solide, grains, texture, phases.
• Défauts : lacunes, dislocations, interfaces et énergie d’interface, cavités, inclusions...

Chapitre 2. Formation des microstructures : outils thermocinétiques

• Les bases des transformations de phase du point de vue du matériau.
• Rappels de thermodynamique (potentiels thermodynamiques, diagrammes d’équilibre)
• Notions de cinétique (germination, croissance, loi d’Avrami), activation thermique.
• Transformations non diffusives

Chapitre 3. Elaboration des matériaux : quelques exemples

• Missions des procédés d’élaboration pour différentes familles de matériaux
• Elaboration des alliages ferreux (voie électrique, voie minerai), solidification, croissance des cristaux solides, microstructures et défauts de solidification
• Matériaux cimentaires
• Elaboration et mise en œuvre des verres minéraux : le rôle de la viscosité

Chapitre 4. Liens entre microstructure et résistance mécanique - Traitements thermiques

• Application au traitement thermique des alliages métalliques : diagramme d’équilibre fer-carbone, diagrammes TTT, TRC des aciers, microstructures associées.
• Etude de cas sur la précipitation : traitement thermique des alliages d’aluminium.
• Exemple 1 d’application : aciers pour automobiles
• Durcissement : solution solide, joints de grains (Hall-Petch), écrouissage, précipitation. Quantification de ces différentes contributions.
• Exemple 2 d’application : superalliages base nickel pour aubes de turbines aéronautiques

Chapitre 5. Mise en œuvre et microstructure des polymères

• Introduction à la structure des polymères : notion de macromolécule. Réseau 2D, 3D.
• Configuration (tacticité), conformation
• Etat amorphe. Pelote statistique.
• Etat cristallin : structure cristalline
• Microstructures : lamelles cristallines, sphérolite
• Evolution du module avec la température : état vitreux, viscoélasticité, état caoutchoutique, écoulement. Interprétation de mesures de spectroscopie d’impédance mécanique.
• Fibres : naturelles, synthétiques : microstructure et propriétés (rigidité)

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Objectives

This course aims at refreshing students’ knowledge about basics in materials science. Microstructure-property relationships are the core subject of this course, especially, mechanical properties that are addressed in the master curriculum. The 15-hour course is very interactive, so that the students will check acquired skills in real time.

Main topics

Chapter 1. Fundamentals about microstructure of materials

• Introduction to the various families of materials: starting from in-service properties. Origin, typical values of these properties (Young’s modulus, thermal expansion, melting temperature...) .
• Atomic bonding. Crystal state. Amorphous state (and glass transition). Basics of crystallography.
•  Microstructure of metal alloys, of ceramics: solid solution, grains, texture, phases.
• Defects in materials: vacancies, dislocations, interfaces (and interfacial energy), cavities, inclusions...

Chapter 2. Formation des microstructures : outils thermocinétiques

• Basics of phase transformations from the material’s point of view.
• Basics of thermodynamics (thermodynamic potentials, equilibrium phase diagrams)
• Basics of kinetics: nucleation, growth, Avrami equation, thermal activation.
• Non-diffusive phase transformations.

Chapter 3. Processing of materials: a few examples

• Objective of processing steps for different families of materials.
• Ferrous alloy metallurgy (steelmaking) : electrical route, ore route. Solidification, crystal growth, solidification-induced microstructures, solidification defects.
• Cementitious materials.
• Glass manufacturing: the role of viscosity.

Chapitre 4. Linking microstructure to mechanical strength - Heat treatments

• Application to heat treatments of metal alloys; iron-carbon equilibrium diagram, TTT and CCT diagrams of steels, associated microstructures.
• Case study on precipitation: heat treatments of aluminium alloys.
• Application 1: automotive steels.
• Strengthening: solid solution strengthening; grain size strengthening (Hall-Petch equation); strain hardening; precipitation strengthening. Quantification of all of these contributions.
• Application 2: nickel-base superalloys for aircraft turbine blades.

Chapitre 5. Polymer processing and microstructures

• Introduction to polymers: macromolecules. 2D, 3D networks.
• Configuration (tacticity), conformation
• Amorphous state. Random coil.
• Crystal state: crystal structure of polymers.
• Microstructures : crystal lamellae, spherulite
• Evolution of modulus with temperature: glassy state, viscoelasticity, rubbery state, viscous flow. Interpretation of dynamic mechanical analysis measurements.
• Fibres: natural fibres, synthetic fibres : microstructures, properties (stiffness).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Programme