Matériaux
1. Propriétés, applications et conception
Michael F. Ashby
David R. H. Jones
Dunod
Avant-proposXIII
Avant-propos des traducteursXVI
Chapitre 1 ¤ Les matériaux et leurs propriétés1
1.1 Introduction1
1.2 Exemples de sélection des matériaux3
Partie 1 ¤ Le coût et la disponibilité13
Chapitre 2 ¤ Le coût et la disponibilité des matériaux14
2.1 Introduction14
2.2 Quelques données sur le prix des matériaux14
2.3 Répartition de l'utilisation des matériaux18
2.4 Les matériaux omniprésents19
2.5 La croissance exponentielle et la période de doublement de la consommation20
2.6 La disponibilité des ressources21
2.7 À l'avenir23
2.8 Conclusion24
Partie 2 ¤ Les constantes d'élasticité27
Chapitre 3 ¤ Les constantes d'élasticité28
3.1 Introduction28
3.2 Définition de la contrainte28
3.3 La déformation31
3.4 La loi de Hooke33
3.5 La mesure du module d'Young34
3.6 Quelques valeurs numériques de modules d'Young35
Chapitre 4 ¤ Les liaisons interatomiques39
4.1 Introduction39
4.2 Les liaisons fortes40
4.3 Les liaisons secondaires44
4.4 Les états condensés de la matière45
4.5 Les forces interatomiques46
Chapitre 5 ¤ L'empilement des atomes dans les solides50
5.1 Introduction50
5.2 Les empilements cristallins50
5.3 Les structures compactes et l'énergie du cristal51
5.4 La cristallographie53
5.5 Les indices de plans54
5.6 Les indices de direction56
5.7 D'autres structures cristallines simples et importantes56
5.8 L'empilement des atomes dans les polymères57
5.9 L'empilement des atomes dans les verres minéraux59
5.10 La densité des solides60
Chapitre 6 ¤ Les origines physiques du module d'Young64
6.1 Introduction64
6.2 Le module des cristaux64
6.3 Les caoutchoucs et la température de transition vitreuse67
6.4 Les composites68
6.5 Résumé71
Chapitre 7 ¤ Étude de cas : conceptions faisant intervenir le module d'élasticité74
7.1 Première étude : un miroir de télescope - comment choisir un matériau qui minimise la déformation d'un disque sous l'effet de son poids74
7.2 Deuxième étude : comment choisir le matériau le plus léger possible pour fabriquer une poutre de raideur donnée78
7.3 Troisième étude : comment choisir le matériau d'une poutre de raideur donnée à moindre coût80
Partie 3 ¤ Limite d'élasticité, résistance à la traction, dureté et ductilité83
Chapitre 8 ¤ La limite d'élasticité, la résistance à la traction, la dureté et la ductilité84
8.1 Introduction84
8.2 L'élasticité linéaire et non-linéaire ; le comportement anélastique84
8.3 Le comportement non-élastique (plastique) vu sur les courbes charge/allongement86
8.4 La déformation plastique étudiée sur les courbes rationnelles contrainte/déformation88
8.5 L'énergie de déformation plastique90
8.6 L'essai de traction91
8.7 Quelques valeurs numériques92
8.8 L'essai de dureté96
8.9 Récapitulation des termes employés dans ce chapitre - Quelques relations utiles97
Chapitre 9 ¤ Les dislocations et la déformation plastique des cristaux103
9.1 Introduction103
9.2 La limite d'élasticité d'un cristal parfait103
9.3 Les dislocations dans les cristaux105
9.4 La force agissant sur une dislocation111
9.5 D'autres propriétés des dislocations112
Chapitre 10 ¤ Méthodes de durcissement et plasticité des polycristaux114
10.1 Introduction114
10.2 Mécanismes de durcissement114
10.3 Durcissement de solution solide115
10.4 Durcissement par précipités et dispersoïdes116
10.5 L'écrouissage116
10.6 La limite d'écoulement des dislocations118
10.7 Limite d'écoulement des polycristaux118
10.8 Remarques finales120
Chapitre 11 ¤ Aspects continus de l'écoulement plastique122
11.1 Introduction122
11.2 Le début de la déformation plastique et la limite élastique en cisaillement k122
11.3 Analyse de l'essai de dureté125
11.4 Instabilité plastique : la striction lors d'un chargement en traction126
Chapitre 12 ¤ Étude de cas : conceptions faisant intervenir la limite d'élasticité133
12.1 Introduction133
12.2 Étude de cas n° 1 : conception élastique de matériaux pour ressorts133
12.3 Étude de cas n° 2 : conception plastique ; matériaux pour un réservoir sous pression138
12.4 Étude de cas n° 3 : plasticité en grande déformation ; laminage de métaux140
Partie 4 ¤ Rupture brutale, rupture fragile et ténacité145
Chapitre 13 ¤ Rupture brutale et énergie de rupture146
13.1 Introduction146
13.2 Critère énergétique pour la rupture brutale146
13.3 Données pour Gc et Kc151
Chapitre 14 ¤ Les micromécanismes de la rupture brutale156
14.1 Introduction156
14.2 Les mécanismes de propagation de fissures ; 1 : le déchirement ductile157
14.3 Les mécanismes de propagation de fissures ; 2 : le clivage159
14.4 Les composites, dont le bois160
14.5 Éviter la fragilité des alliages161
Chapitre 15 ¤ Étude de cas en rupture brutale165
15.1 Introduction165
15.2 La rupture rapide d'un réservoir d'ammoniaque165
15.3 L'explosion d'une fenêtre de perplex en cours de chargement hydrostatique168
15.4 La fissuration d'une couverture en polyuréthane expansé d'un réservoir de méthane liquide171
15.5 Effondrement d'une balustrade de balcon175
Chapitre 16 ¤ Rupture probabiliste des matériaux fragiles180
16.1 Introduction180
16.2 La statistique de la rupture et la distribution de Weibull183
16.3 La fissuration d'une couverture en polyuréthane expansé d'un réservoir de méthane liquide187
Partie 5 ¤ Rupture en fatigue191
Chapitre 17 ¤ Rupture par fatigue192
17.1 Introduction192
17.2 Comportement en fatigue de pièces non fissurées193
17.3 Comportement en fatigue des pièces fissurées197
17.4 Les mécanismes de fatigue198
Chapitre 18 ¤ La conception contre la fatigue204
18.1 Introduction204
18.2 Données de fatigue pour des pièces non fissurées204
18.3 Concentrations de contraintes205
18.4 Facteur de sensibilité aux entailles206
18.5 Données de fatigue pour des soudures208
18.6 Des méthodes pour améliorer l'endurance en fatigue210
18.7 La conception comme moyen de réduire l'amplitude des cycles210
18.8 Comment tester les réservoirs sous pression contre la fatigue212
Chapitre 19 ¤ Étude de cas en rupture par fatigue216
19.1 Introduction216
19.2 Étude de cas n° 1 : fatigue à grand nombre de cycles d'une pièce non fissurée ; rupture du mécanisme d'un orgue216
19.3 Étude de cas n° 2 : fatigue oligocyclique d'une pièce non fissurée ; rupture d'un mousqueton sur une chaîne de force223
19.4 Étude de cas n° 3 : fatigue d'une pièce fissurée ; sécurité du moteur de Stretham227
Partie 6 ¤ Déformation et rupture par fluage235
Chapitre 20 ¤ Fluage et rupture par fluage236
20.1 Introduction236
20.2 L'étude du fluage, les courbes de fluage241
20.3 La relaxation par fluage243
20.4 Endommagement et rupture en fluage244
20.5 Matériaux résistants au fluage245
Partie 7 ¤ Déformation et rupture par fluage249
Chapitre 21 ¤ Théorie cinétique de la diffusion250
21.1 Introduction250
21.2 La diffusion et la loi de Fick251
21.3 Valeurs numériques de coefficients de diffusion255
21.4 Mécanismes de diffusion256
Chapitre 22 ¤ Mécanismes de fluage - Matériaux résistants au fluage259
22.1 Introduction259
22.2 Mécanismes de fluage : métaux et céramiques259
22.3 Mécanismes de fluage : polymères265
22.4 Sélection des matériaux pour résister au fluage267
Chapitre 23 ¤ L'aube de turbine : une étude de cas de conception contrôlée par la résistance au fluage271
23.1 Introduction271
23.2 Cahier des charges pour une aube de turbine273
23.3 Les superalliages à base de nickel274
23.4 Développements en conception : le refroidissement des aubes278
23.5 Développements prospectifs : métaux et composites à matrice métallique279
23.6 Développements prospectifs : céramiques réfractaires281
23.7 Rentabilité282
Partie 8 ¤ Oxydation et corrosion285
Chapitre 24 ¤ Oxydation des matériaux286
24.1 Introduction286
24.2 L'énergie d'oxydation287
24.3 Vitesses d'oxydation288
24.4 Données290
24.5 Micromécanismes291
Chapitre 25 ¤ Études de cas en oxydation sèche296
25.1 Introduction296
25.2 Étude de cas n° 1 : obtention d'alliages inoxydables296
25.3 Étude de cas n° 2 : protection des aubes de turbine297
25.4 Influence des revêtements sur les propriétés mécaniques300
25.5 Remarque finale : opérations de soudage302
Chapitre 26 ¤ Corrosion humide des matériaux304
26.1 Introduction304
26.2 La corrosion humide305
26.3 Les différences de potentiel, forces motrices de la corrosion humide306
26.4 Vitesses d'oxydation humide308
26.5 L'attaque localisée : la fissuration par corrosion309
Chapitre 27 ¤ Études de cas en corrosion humide314
27.1 Introduction314
27.2 Étude de cas n° 1 : la protection des canalisations souterraines314
27.3 Étude de cas n° 2 : matériaux pour une toiture légère de bâtiment industriel317
27.4 Étude de cas n° 3 : les pots d'échappement d'automobiles319
Partie 9 ¤ Frottement, abrasion et usure323
Chapitre 28 ¤ Frottement et usure324
28.1 Introduction324
28.2 Le frottement entre deux matériaux324
28.3 Données sur les coefficients de frottement327
28.4 Lubrification329
28.5 L'usure des matériaux330
28.6 Propriétés en surface et en volume331
Chapitre 29 ¤ Études de cas en frottement et usure334
29.1 Introduction334
29.2 Étude de cas n° 1 : conception d'un palier lisse334
29.3 Étude de cas n° 2 : matériaux pour skis et patins de traîneaux338
29.4 Étude de cas n° 3 : le caoutchouc à haute adhérence340
Partie 10 ¤ Conception avec des métaux, des céramiques, des polymères ou des composites343
Chapitre 30 ¤ Conception et matériaux344
30.1 Introduction344
30.2 La méthodologie de la conception347
Chapitre 31 ¤ Étude de cas finale : matériaux et énergie dans la conception des automobiles350
31.1 Introduction350
31.2 L'énergie et les voitures350
31.3 Les différentes manières d'économiser l'énergie351
31.4 Les matériaux contenus dans une automobile352
31.5 Matériaux de substitution352
31.6 Méthodes de production358
31.7 Conclusions361
Annexe A ¤ Symboles et formules363
A.1 Liste des principaux symboles363
A.2 Résumé des principales formules365
A.3 Ordres de grandeur des propriétés370
Annexe B ¤ Constantes physiques et conversions d'unités371
B.1 Constantes physiques (unités S.I.)371
B.2 Tableau général - conversion d'unités372
B.3 Conversion d'unités - contrainte et pression373
B.4 Conversion d'unités - énergie373
B.5 Conversion d'unités - puissance374
Bibliographie375
Index et lexique français-anglais377
Index et lexique anglais-français383