TCH 006 TCH - Cours | ÉTS Montréal

TCH006TCH006 MATÉRIAUXMATÉRIAUX

Plan de coursPlan de cours

Session : automne 2011

Professeur : Gabriel Caron L’Écuyer, ing.Téléphone :Bureau: B-2326Courriel : [email protected] Web : http://www.seg.etsmtl.ca/Tch006Disponibilité : À déterminer

Préalable :DEC en sciences de la nature (ou équivalent)


Objectifs:

L’objectif principal de ce cours est de développer chezl’étudiant une connaissance globale et générale desmatériaux utilisés dans les domaines du génie. À laconclusion de ce cours, l’étudiant connaîtra lespropriétés physiques, mécaniques et chimiques descinq grandes classes de matériaux et sera en mesurede faire le choix préliminaire du matériau le plusapproprié à une application donnée en fonction desexigences et des contraintes de cette dernière.


Objectifs:

Choix de la famille de matériaux

(métaux,céramiques...)

Choix de la classe d’un matériaux

(acier, alliage d’aluminium...)

Choix du matériau(acier inoxydable 304, 6061

Al)

Besoins de connaissances

sur les matériaux

Choix de la famille de procédés

(mise en forme, traitement de surface...)

Choix de la classe de procédés

(moulage, déformation,...)

Choix du procédé(moulage par injection)

Besoins de connaissance sur les procédés de

fabrication

Besoins du marché: définition du problème

Concept(exploration de

solutions au problème)

Définition générale du produit

Détails(optimisation de

forme, fabrication et assemblage...)

Produit


Détails des sujets abordés et périodes allouées* :

•4 séances cours

•1 devoirPropriétés physiques des matériaux

•Statique (2 séances cours)

•RDM (3 séances cours)

•1 travail pratiques

Analyse mécanique et sélection

•2 séance cours

•1 travail pratiqueMétaux et alliages

•1/2 séance cours

•3 laboratoires

•1 visiteProcédés

•1/2 séance cours

Oxidation, corrosion et dégradation


Méthode pédagogique :

• 2 h de cours magistral par semaine.• 4 laboratoires ou devoirs.

Ouvrages de référence (pas obligatoires)

• ASHBY, M.F., Materials, engineering, science, processing and design, , ElsevierButterworth-Heinemann, 2007, 514 pages.

• ASHBY, M. F., Material Selection in Mechanical Design, Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005, 603 pages.

• BAZEGUI, A., BUI-QUOC, T., BIRON, A., MC INTYRE, G., LABERGE, C., Résistance desmatériaux, Presses internationales polytechnique, 2002, 715 pages.

• DORLOT, J.-M., BAÏLON, J.-P., MASOUNAVE, J., Des matériaux, Montréal, Éditionsde l’école polytechnique de Montréal, 2000, 467 pages.

• KALPAKJIAN, S. , SCHMID, S., Manufacturing Engineering and Technology, Pearson, 2010, 1176 pages.


Évaluations :

• Examen final 35%

• Examen partiel 33%

• 4 laboratoires ou devoirs 27%

• 1 mini-quizz (ou plus si nécessaire) 5%

IntroductionIntroduction

Objectif cours 1,2 et 3:

• Vue d’ensemble du monde des matériaux et leurs implications dans le processus de conception

• Connaître les trois classes de matériaux – Caractéristiques macroscopiques

– Caractéristiques microscopiques

• Relation contrainte déformation ductile/fragile/élastique N-L

• Analyse d’un essai de traction– Limite d’élasticité,

– limite à la rupture,

– allongement à la rupture

– module d’élasticité.

• Autres propriétés physiques des matériaux

HistoriqueHistoriqueEn 200 ans le nombre de matériaux disponible à l’ingénieur est passé de quelques centaines à près de 200000

Ashby (2007)

HistoriqueHistorique

Ashby (2005)

HistoriqueHistoriqueÉvolution des matériaux dans les aspirateurs :

a) 1905

b) 1950

d) 1998

d) 1985

Ashby (2007)

ClassificationClassification

Par domaine d’application : génie mécanique

Ashby (2007)


Par domaine d’application : Aéronautique

Ashby (2007)


Par domaine d’application : Génie civil et architecture

Ashby (2007)


Par domaine d’application : biotechnologie

Ashby (2007)


Par la nature atomique :

Classification Classification

• Aluminium 6061– Silicium : minimum 0.4%, maximum 0.8% (par poids)

– Fer : pas de minimum, maximum 0.7%

– Cuivre : minimum 0.15%, maximum 0.40%

– Manganèse : pas de minimum, maximum 0.15%

– Magnésium : minimum 0.8%, maximum 1.2%

– Chrome : minimum 0.04%, maximum 0.35%

– Zinc : pas de minimum, maximum 0.25%

– Titane : pas de minimum, maximum 0.15%

– Autres éléments : maximum 0.05% chq., 0.15% total

– Aluminium : 95.85% – 98.56%


Tous les matériaux solides sont regroupés sous 3 (ou 5)classes :

Ashby (2007)


Tous les matériaux solides sont regroupés sous 3 (ou 5)classes :

ConsommationConsommation

Consommation mondiale annuelle des matériaux (Ashby 2007)

10x plus que tous les autresmétaux combinés

Consommation comparables

Matériaux de constructiondominant

Mat

éri

aue

n f

ort

e c

rois

san

ce

Ashby (2007)


Les matériaux d’une même classe auront des propriétés de base similaires :•Module d’élasticité•Limite d’élasticité•Expansion thermique•Conduction thermique•Conduction électrique

Ashby (2007)


Les matériaux d’une même classe auront des propriétés de base similaires :•Module d’élasticité•Limite d’élasticité•Expansion thermique•Conduction thermique•Conduction électrique

Les familles occupent des régions discrètes

Échelle logarithmique

Sélection des matériauxSélection des matériaux

Un matériau pour une application donnée doit répondre aux quatre exigences suivantes:

• Exigences physiques• Exigences techniques• Exigences économiques• Exigences sociales/environnementales• Exigences inconnues

Fonction

Forme

Procédé de fabrication

Matériaux

Tous ces choix sontinterdépendants


Concept

MatériauProcédé

de fabrication


Processus de sélection dans lors de la conception d’un produit:

Fonction • Qu’est-ce que le composant fait ?

Contraintes • Quelles conditions non négociables doivent être rencontrées

Objectifs • Qu'est-ce qui doit être maximisé ou minimisé?

Variables libres • Quels paramètres du problème sont libres d’être modifiées par le concepteur?


• Exemple de la conception d’un tire-bouchon Le

s co

nce

pts

La solutionretenue

Ashby (2007)


Choix du matériaux pour le bras de levier du tire-bouchon

Fonction Levier (poutre en flexion)

Contraintes • Assez rigide• Assez solide• Assez tenace• Résiste à la corrosion dans l’eau et le vin• Longueur est spécifiée

Objectifs Minimiser le coût

Variables libres Choix du matériauChoix de la section (normale sur le dessin)


Choix du matériaux pour le bras de levier du tire-bouchon

Propriétés des matériauxPropriétés des matériaux

Pour utiliser convenablement un matériaux il faut connaitre et caractériser ses propriétés physiques

Mécaniques Thermiques

Électriques, magnétiques et

optiquesChimiques

Propriétés

Propriétés des matériauxPropriétés des matériauxPropriétés mécaniques Propriétés thermiques

Ashby (2007)

Propriétés des matériauxPropriétés des matériauxPropriétés électriques, magnétiques et

optiquesPropriétés chimiques

Ashby (2007)

Aspect environnementauxAspect environnementauxCroissance de la demande en matériaux est exponentielle:

• Augmentation du niveau de vie

• Augmentation démographique

Pro

ject

ion

du

no

mb

re d

e v

oit

ure

s e

n c

hin

eD

’ap

rès

US

Dep

artm

ent

of

ener

gy(2

006)

Aspect environnementauxAspect environnementaux

Cycle de vie d’un produit

Comment réduire l’empreinte écologique ?• Concevoir le produit de manière à réduire la quantité de matériel et d’énergie

nécessaire et la quantité de résidus générés à chacune des phases du cycle de vie.• Prévoir ce qui advient du produit une fois sa durée de vie terminée.

Puisque les ressources de la planète ne sont pas infinies, la vie d’un produit doit être considérée comme un cycle et non comme un processus linéaire allant de l’extraction à l’élimination.

Ashby (2007)

Aspect environnementauxAspect environnementauxComment réduire l’empreinte écologique ?Mettre de l’emphase sur la phase la plus énergivore du cycle de vie du produit.Pour la gestion des matières résiduelles : 3RVE (prioriser cet ordre)

– Réduction à la source;– Réutilisation;– Recyclage;– Valorisation;– Enfouissement.

Ashby (2007)


• Facteurs influençant la quantité de matériaux et d’énergie utilisés

Ashby (2007)


Comparaison de l’énergie de production des matériaux (par masse)

Ashby (2007)


Comparaison de l’énergie de production des matériaux (par volume)

Ashby (2007)


Étude de cas: Eco-sélection du matériau (i) barrière d’autoroute et (ii) parechoc

Ashby (2007)


Exemple d’éco-sélection du matériau (i) barrière d’autoroute et (ii) parechoc

Ind

ice

s d

e p

erf

orm

ance

du

mat

éri

au

Ashby (2007)


Exemple d’éco-sélection du matériau (i) barrière d’autoroute

Ashby (2007)


Exemple d’éco-sélection du matériau (ii) parechoc

Ashby (2007)

Rappel sur les dimensions et unitésRappel sur les dimensions et unités

Dimensions et unités ?


Dimensions fondamentales ou de base:– Longueur L– Masse M– Temps t– Température θθθθ– Courant électrique I– Intensité lumineuse Iv– Quantité de matière N

Dimensions secondaires (groupements formés à partir d’unités fondamentales) exemple:

- Volume L3

- Densité M/L3

- Force ML/t2

- Pression M/(t2L)- Etc…


Système International (SI) voir site http://www.utc.fr/~tthomass/Themes/Unites/


Attention à l’uniformité des dimensions et des unités dans les formules

Préfixe Symbole Facteur

Yotta Y 1024

Zetta Z 1021

Exa E 1018

Peta P 1015

Tera T 1012

Giga G 109

Mega M 106

Kilo k 103

Hecto h 102

Deka da 101

Préfixe Symbole Facteur

Deci d 10-1

centi c 10-2

milli m 10-3

micro µ 10-6

nano n 10-9

pico p 10-12

femto f 10-15

atto a 10-18

zepto z 10-21

yocto y 10-24


Nombre sans dimension et effets d’échelle

Les matériaux de la semaineLes matériaux de la semaineA

ttributs

Classification Céramique

Prix ($/kg) 0.05

Densité (kg/m3) 2300 - 2600

Module d’élasticité (GPa) 15 - 25

Résistance compression (MPa) 14 - 70

Résistance traction(Mpa) -

Le béton est un composite très complexe et peu cher. La matrice est du ciment; le renfort, un mélange de sable et de gravier ('agrégat'), occupant 60-80% du volume. L'agrégat accroît la rigidité et réduit le coût. Le béton est résistant en compression mais craque facilement en traction. Ceci est combattu en ajoutant des renforts d'acier. Le béton renforcé peut supporter des charges utiles même lorsque craqué. Composition (résumé)6:1:2:4 Eau: ciment Portland : Agrégat fin : Agrégat grossier

Béton

Les matériaux de la semaineLes matériaux de la semaine

Renforcissent du béton

Béton précontraint

Armatures de béton


Se fixer au béton

Ancrages mécaniques

Ancrages « cast in place »

Ancrages chimiques


http://www.explorations-architecturales.com/data/new/fiche_52.htm

Mise en place du béton Coffrages

Pompes à béton

Aiguille vibrante

Benne

TCH 006 TCH - Cours | ÉTS Montréal

Documents

Transcript of TCH 006 TCH - Cours | ÉTS Montréal