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UE PROPRIETES MECANIQUES DES MATERIAUX

Responsable : O. Thomas

Présentation de l’enseignement :

Ce cours de tronc commun présente les notions essentielles permettant de décrire les principales propriétés mécaniques des solides. La mise en forme des matériaux – et en particulier des métaux – a été un ingrédient essentiel du développement des sociétés humaines (âges du cuivre, du bronze, du fer. Révolution industrielle, …) et ce n’est pourtant que dans les années 1930 que les défauts cristallins responsables de la déformation plastique des métaux ont été identifiés.

Aujourd’hui (début du XXIème siècle) une activité de recherche importante est consacrée à l’étude des effets de taille sur les propriétés mécaniques : Est-ce que les objets de taille nanométrique ont des propriétés mécanique différentes de celles des matériaux massifs ?

Cet enseignement vise à donner une formation de base sur les propriétés mécaniques des matériaux et permettra d’aborder des questions d’actualité (micro et nano dispositifs mécaniques, nanotubes de carbone, fils d’araignée, etc) à travers en particulier des projets tutorés.

Le cours est structuré en cinq grands chapitres. A l’issue de l’enseignement les étudiants effectuent individuellement ou en équipe un mini-projet qui leur permettra d’appliquer les concepts appris et d’exercer leur autonomie.

 

Programme

Chapitre 1 : Lois de comportement                    (4 heures)

• Rigide, plastique, newtonien, viscoplastique, fragile, élastique…..
• Comportements des différents matériaux (métaux, céramiques, composites….)

Chapitre 2 : Elasticité                            (6 heures)

• Déplacement, Déformation, Contrainte, Energie élastique
• Tenseurs d’élasticité, rôle de la symétrie du cristal
• Equations d’équilibre, Tenseur de Green, Introduction aux éléments finis
• Elasticité de surface
• Mécanique du cantilever.
• Mécanismes de relaxation élastique

Chapitre 3 : Plasticité / théorie des dislocations            (9 heures)

III.1/ Introduction à la théorie des dislocations
Les premiers stades de la plasticité.  L’échec du modèle du cristal parfait cisaillé. Nécessité de l’existence de défauts de structure. Description géométrique des dislocations, circuit de Burgers.

Systèmes de glissement. Facteur de Schmidt

III.2/ La physique des dislocations 
Champ de contrainte associé.  Energie des dislocations, règle de Frank. Forces sur les dislocations, loi de Peach-Koehler.  Interactions entre dislocations. Mouvement des dislocations : glissement, montée. Dislocations partielles.

III.3/ Application à la déformation des matériaux à basse température:
Ecoulement plastique. Source de Frank-Read. Contrainte de Peierls et glissement. Obstacles au glissement : durcissement par les joints de grains, la forêt, les précipités et atomes en solution.

Chapitre 4 : Déformation à haute température            (3 heures)

Défauts ponctuels. Fluage. Montée.

Chapitre 5 : Mécanique de la rupture                    (4 heures)

Théorie de Griffith, ténacité, propagation des fissures, lois d’échelle….

 

Projet final :

Propriétés mécaniques de matériaux avancés (nano-matériaux, matériaux pour l’énergie, …). Travail de recherche bibliographique, appuyé par des discussions avec des chercheurs. Il implique la rédaction d’un compte-rendu et une présentation orale devant la classe et les enseignants.

Objectifs :

Le cours vise à donner les concepts fondamentaux nécessaires à la compréhension des propriétés mécaniques des solides (élasticité, lois de comportement, plasticité cristalline, …). A l’issue de ce cours les étudiants seront capables d’identifier et de comprendre les propriétés mécaniques d’un solide particulier.

Nombre d’heures :

Le cours correspond à 26 heures en présence de l’enseignant. Un investissement supplémentaire conséquent est attendu des étudiants lors des exercices proposés, du projet final et de la lecture des références conseillées. 

Ouvrages de référence :

• W. Hosford, Mechanical behavior of materials, Cambridge Univ. Press, 2005
• J.P. Hirth, J. Lothe, Theory of Dislocations, second edition (Melbourne, Florida:Krieger), 1992.
• Y. Quéré, Physique des Matériaux, Ellipses, 1988