بسم الله الرحمان الرحيم ” وأنزلنا الحديد فيه بأس شديد و منافع للناس’’

1. بسم الله الرحمان الرحيم” وأنزلنا الحديد فيه بأس شديد و منافع للناس’’

2. SCIENCES DES MATERIAUXSDM Dr Abderrahim BENMOUSSAT Enseignant – chercheur Sciences des matériaux et environnement UNIVERSITE ABOU BEKR BELKAID -TLEMCEN Faculté des sciences de l’Ingénieur Département génie mécanique

3. Plan de la présentation • Importance des matériaux à travers l’histoire • Classification des matériaux • Matériaux et environnement • Choix des matériaux • Structure et organisation des matériaux • Changements d’état des matériaux • Comportement des matériaux en dégradation

4. LES SCIENCES DES MATERIAUX Sont l’étude des relations entre la structure (organisation atomique et moléculaire) et les propriétés des différents matériaux dans leur état physique (solide,liquide ou gaz) et qui définissent leur comportement. Elle est complétée par le génie des matériaux (procédés de fabrication et mise en forme)

5. Un matériau est une forme transformée solide de la matière naturelle pour la conception d’objets (outils et armes) par la maîtrise des techniques d’élaboration et de mise en œuvre définie par trois fonctions: • Dimensionnement • Forme géométrique • Aspect économique relatif à son prix.

6. Les matériaux ont de tout temps défini: niveau de développement civilisation mutations technologiques dans toutes les spécialités dans l’activité des populations humaines.

7. Au cours de l’histoire, l’utilisation directe de matières premières naturelles (pierre, bois ,bronze et fer) étaient leurs outils et armes. Cette utilisation s’est progressivement étendue à des matériaux de plus en plus perfectionnés , comme le choix des aciers pour la construction mécanique ou le choix du silicium pour la fabrication des circuits intégrés. La fabrication de nouveaux armements a partir de matériaux nouveaux été à l’origine de l’innovation technique dans beaucoup de domaines.

8. Ère de la civilisation humaine est définie en tout temps en termes de matériaux desquels les armes et les outils sont fabriqués. • âge de pierre • âge de bronze • âge de cuivre • âge de fer • Ère du silicium dans la deuxième moitié du vingtième siècle par la technologie du silicium en électronique les polymères et matériaux légers et économiques, devrait marquée cette période comme l’ère du silicium.

9. Classification des matériaux Les matériaux sont classés suivant différents critères tels que leur: • Composition • Structures atomiques et nature des liaisons • Propriétés

10. Classification suivant la nature des liaisons et sur les structures atomiques Matériaux composites Les trois classes de matériaux: métaux, céramiques et polymères

11. Classification suivant la nature des liaisons et sur les structures atomiques • Métaux et Alliages (liaisons métalliques • Polymères organiques (liaisons covalentes et liaisons secondaires) • Céramiques (liaisons ioniques et liaisons covalentes

12. Tableau périodique des éléments A gauche les métaux (70) a droite les non métaux, au milieu les semi conducteur (Si, B et C)

13. Métaux et alliages • bon conducteurs de la chaleur et de l’électricité • opaques à la lumière visible qu’ils réfléchissent • Durs, rigides et déformables plastiquement • Température de fusion élevée

14. Métaux et alliages • les aciers par leur grande diversité et par leur prix relativement faible, restent, et resteront longtemps, le matériau de base des industries mécaniques • L’aluminium et les alliages légers pour l'industrie aéronautique • le nickel et les alliages résistant à haute température pour les moteurs

15. Polymères organiques • Matériaux composés de molécules formant de longues chaînes d’atomes de carbones sur lesquels sont fixés des éléments comme l’hydrogène ou le chlore, ou des groupements d’atomes comme le radical méthyle ( – CH3) • Isolants électriques et thermiques • Mise en forme facile • Ne supportent pas les températures > 200°C

16. Céramiques • Matériaux inorganiques, SIO2 (silice), Al2O3(Alumine)... résultent de la combinaison d’éléments métalliques (Mg,Al, Ti..) avec des éléments non métalliques (O) • Résistances mécaniques et thermiques élevés • Matériaux fragiles comme le verre • Réfractaires • Abrasifs

17. Propriétés des matériaux Caractérise la réaction du matériau à une sollicitation extérieure (3types) • Propriétés mécaniques ( reflètent le comportement des matériaux soumis à des systèmes de forces • Propriétés physiquesmesurent le comportement des matériaux soumis à l’action de la température, des champs électriques ou magnétiques, ou de la lumière • Propriétés chimiques, caractérisent le comportement des matériaux soumis à un environnement chimique plus ou moins agressif.

18. Matériauxet Environnement • Ressources d’un élément sont la quantité de cet élément disponible dans l’écorce terrestre, les océans et l’atmosphère • Gisement est la zone où la concentration en minerai est importante • Recyclage des matériaux facile pour les métaux difficile pour les polymères organiques

19. Cycle des matériaux(d’après Materialsand man’s Needs, 1974 et A. Kelly, 1994

20. Coûts des Matériaux

21. CHOIX DES MATERIAUX Fonction Matériau Caractéristiques: physique, mécaniques, Thermiques, électriques, Environnementales économiques Géométrie Procédé Le choix du matériau est déterminé par sa fonction

22. Procédés d’élaboration • Pyrométallurgie (voie sèche) • Hydrométallurgie (voie humide) Exemple du Zinc

23. Pyrométallurgie ou voie sèche

24. ProcédéparExtraction humide du zinc Grillage  ZnS + 3/2 O2→ ZnO + SO2 + Vapeur Avec une chaleur ∆H=-445Kj/mole 800-1000°C Lixiviation neutre et acide   ZnO + H2SO4→ ZnSO4 + H2O Purification froid et à chaud

25. Repulpage neutre et acide • Électrolyse • Refonte • Mise en Lingot

29. Structure et organisation des matériaux(Architecture atomique) C‘est le mode de répartition des atomes ou des molécules dans le matériau solide et les relations géométriques existant entre les positions de tous les atomes Deux types d’arrangements ont été observés: • Matériaux cristallins (arrangement régulier, ordre à grande distance) • Matériaux amorphes ou non cristallins (arrangement non régulier, ordre à courte distance)

30. Structure Cubique Cristalline, a)empilement de cube dans un cristal, b) structure cubique simple formés de huit atomes aux sommets

31. Structure Cubique du Cristal NaCl et de son réseau

35. Les quatorze réseaux spatiaux de Bravais (p –primitif, C- centré, F faces centrées répartis en sept systèmes cristallins

37. Les quatorze réseaux spatiaux de Bravais (p –primitif, C- centré, F faces centrées répartis en sept systèmes critallins

38. Structure tétraédrique amorphe SIO2

39. Transformations de phases des matériaux Les matériaux sont rarement utilisés à l’état purs mais à l’état de mélanges (alliages) par addition d’autres éléments. Les aciers et les fontes sont des alliages Fer – carbone, le silicium en électronique n’acquière de propriétés performantes que par l’introduction de petites quantités d’un élément dopant étranger, sinon il se comporte comme un matériau isolant.

40. Dans les mélanges, les atomes ou molécules de nature différentes peuvent être solubles en toute proportion (Cu – Ni) ou solubles partiellement (Fe –Fe3C). • Les diagrammes de phases définissent les états d’équilibre entre les phases (loi de Gibbs) et permet d’analyser la formation des microstructures (Austénite, ferrite... Pour le fer et le carbone)

41. Diagramme d’équilibre de phases d’une substance pure montrant les domaines de stabilité du solide cristallin, du liquide et de la vapeur. T –point triple C- point critique

42. Variation à pression constante de l’enthalpie libre des trois phases d’une substance pure A en fonction de la température . Le point A correspond au point de fusion et B au point d’ébullition

43. Diagramme d’équilibre de phases du système binaire complètement miscible. La courbe de refroidissement ne montre pas de palier (d’après Eisenstadt 1971)

44. Diagramme d’équilibre de phases du système Argent – cuivre avec système eutectique et les courbes de l’analyse thermique

45. Diagramme d’équilibre métastable Fer – cémentite Fe3C utilisé pour les aciers et les fontes, présentant des domaines péritectique, eutectique et eutectoide.

46. Comportement des matériaux • Mécanique des matériaux étudie le comportement des matériaux sous sollicitations mécaniques (déformation,élasticité, plasticité, rupture...) • Physique des matériaux étudie le comportement des matériaux sous sollicitations physiques (température, rayonnement, champ...) • Chimie des matériaux étudie le comportement des matériaux sous sollicitations chimiques (corrosion, interactions chimiques

47. COMPORTEMENT DES MATERIAUX Il est très important de faire un bilan de santé du matériau Depuis sa naissance, jusqu’à son extinction et même au delà Univers Famille Classe Sous-Classe Membre Caractéristiques Densité Module Résistance Ténacité Conductivité Th. Dilatation Thermique Résistivité Coût Corrosion Oxydation 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 5005-0 5005-H4 5005-H6 5083-H2 5083-H4 5154-0 5154-H2 Aciers Alliages Cu Alliages Al Alliages Ti Alliages Ni Alliages Zn Céramiques Verres Métaux Polymères Élastomères Composites Matériau Classification des matériaux et leur attributs (> 80 000 matériaux) Des Matériaux de JP BAILON

48. Mécanique des matériaux • Défaillances mécaniques • Défaillances par détérioration de surfaces: fatigue, usure • Défaillances mécaniques par déformation plastique • Défaillances mécaniques par rupture ductiles, fragiles ou de fatigue • Défaillances par corrosion • Ruptures des pièces plastiques et matériaux composites • Vieillissement des polymères • …

49. OBJECTIFS • Connaître les différents modes de dégradation des ouvrages de transport des hydrocarbures • Maîtriser les facteurs influant la dégradation des ouvrages de transport des hydrocarbures • Maîtriser les effets de la corrosion sur les ouvrages de transport des hydrocarbures

50. Comportement à la corrosion • Le comportement à la corrosion d'un matériau en service dépend d'une multitude de facteurs: • • composition chimique et microstructure du métal, • • composition chimique de l'environnement, • • paramètres physiques (température, convection, irradiation, etc.), • • sollicitations mécaniques (contraintes, chocs, frottements). • La résistance à la corrosion n'est donc pas une propriété intrinsèque du métal, mais plutôt une propriété de l'interface métal/milieu. La corrosion dépend donc d'un système extrêmement complexe, dont les effets se manifestent, en pratique, sous une multitude d'aspects, parfois inattendus.