Sciences des matériaux

• Propos introductif: analyse d'études de cas de défaillances majeures causées par un usage inadéquat des matériaux.
• Structure atomique de la matière : modèles atomiques, orbitales électroniques, nombres quantiques et classification périodique.
• Liaisons interatomiques et familles de matériaux : liaisons covalentes, ioniques, métalliques et secondaires ; classification des matériaux.
• Structures cristallines et amorphes : empilements atomiques, cristaux métalliques, ioniques, covalents et structure des polymères.
• Cristallographie : réseaux cristallins, symétries, mailles, réseaux de Bravais, directions cristallines et indices de Miller.
• Défauts cristallins : défauts ponctuels, dislocations, joints de grains, fautes d’empilement et macles.
• Techniques de caractérisation structurale par diffraction: loi de Bragg, diffraction des rayons X, EBSD.
• Transformations de phase et diagrammes d’équilibre : diagrammes de phases, germination, croissance et cinétique de transformation.
• Microstructures des matériaux : microstructures de solidification, microstructures des aciers et des alliages d’aluminium.
• Comportement mécanique et élasticité : essais mécaniques, contrainte, déformation, élasticité et propriétés des polymères et composites.
• Plasticité et mécanismes de durcissement : glissement cristallin, dislocations, écrouissage, durcissement par solution solide, taille de grain et précipitation.
• Mécanismes de rupture des matériaux : rupture fragile et ductile, mécanique de la rupture, introduction à la fatigue.
• Le métier d’ingénieur en sciences des matériaux: témoignages d’intervenants externe

Cette unité d'enseignement a pour objectif de fournir aux étudiants les bases scientifiques nécessaires à la compréhension des relations entre structure de la matière, microstructure, procédés d'élaboration et propriétés des matériaux. Une attention particulière est portée aux aspects thermodynamiques et cinétiques qui gouvernent l'évolution des microstructures et permettent leur contrôle par des traitements thermiques ou thermomécaniques.

À l'issue de cette unité d'enseignement, l'étudiant sera capable de :

• expliquer l'influence de la structure atomique, des liaisons interatomiques, de l'organisation cristalline et des défauts sur les propriétés des matériaux ;
• analyser les transformations de phases à l'aide des concepts fondamentaux de thermodynamique et de cinétique ;
• utiliser les diagrammes de phases pour déterminer quantitativement la nature, la proportion et l'évolution des phases présentes dans un matériau en fonction de la température et de la composition ;
• mobiliser les concepts de germination, de croissance et de cinétique de transformation afin de justifier l'évolution des microstructures observées lors de traitements thermiques ou de procédés de fabrication ;
• interpréter les microstructures caractéristiques des principales familles d’alliages métalliques (en particulier aciers et alliages d’aluminium);
• expliquer l'origine structurale des propriétés des polymères et prédire l'influence de leur architecture moléculaire sur leur comportement mécanique et thermique ;
• établir le lien entre microstructure et propriétés mécaniques (élasticité, plasticité, résistance, ténacité, rupture) ;
• identifier et expliquer les principaux mécanismes de déformation, de durcissement et de rupture des matériaux ;
• proposer et justifier des traitements thermiques ou thermomécaniques visant à à optimiser les propriétés d'un matériau ;
• développer une démarche d'ingénieur permettant de sélectionner ou d'adapter un matériau en tenant compte des relations entre procédé, structure, microstructure et performances.

Connaissances et compétences pré-requises ou co-requises

Pour suivre cette unité d'enseignement dans de bonnes conditions, l'étudiant doit disposer des connaissances de base acquises dans les enseignements scientifiques du tronc commun de l'ingénieur (en chimie générale, physique générale et thermodynamique), ainsi que les outils mathématiques nécessaires à l'analyse de phénomènes physiques.

Aucune connaissance préalable spécifique en science des matériaux n'est requise. Les notions de cristallographie, de microstructure, de diagrammes de phases et de comportement mécanique des matériaux sont introduites et développées au sein de l'unité d'enseignement.

Cours magistral et travaux pratiques.

Références, bibliographie et lectures recommandées

J. Baïlon,J. Dorlot, Des matériaux, 3ème édition, ISBN 9782553007705, Presses Internationales Polytechnique, 2000

Meyers & Chawla, Mechanical Behaviors of Materials – Second Edition, ISBN: 9780511810947, Cambridge University Press, 2012

Ashby & Jones, Matériaux : Ingénierie, Science, Procédé et Conception – Traduction de la 3^ème édition américaine, ISBN 9782889150250, EPFL Press

Dantzig & Rappaz, Solidification – Second Edition, ISBN: 9780849382383, EPFL Press, 2016

Support(s) de cours

• Syllabus
• Université virtuelle

Contacts

Dr. Ir. Charlotte de Formanoir

Campus

Solbosch

Méthode(s) d'évaluation

• Examen écrit
• Travail de groupe
• Rapport écrit

Examen écrit

• Question ouverte à réponse courte
• Question ouverte à développement long
• Question fermée à Choix Multiple (QCM)

Travail de groupe

Rapport écrit

Examen écrit : L'examen écrit vise à évaluer la compréhension des concepts fondamentaux ainsi que la capacité de l'étudiant à mobiliser les notions du cours pour analyser et résoudre des problèmes liés aux matériaux. L'examen comprend :

• des questions ouvertes à réponse courte, destinées à vérifier la maîtrise des concepts, définitions et mécanismes fondamentaux ;
• des questions ouvertes à développement long, visant à évaluer la capacité d'analyse, de raisonnement scientifique et de justification des phénomènes microstructuraux et des propriétés des matériaux.

• À l'issue de chaque séance, un questionnaire à choix multiples (QCM) permet d'évaluer l'acquisition des notions abordées.
• Pour certaines séances, un rapport de groupe (maximum 6 étudiants par groupe) doit être remis dans un délai d'une semaine après la séance.

Les modalités d'évaluation des travaux pratiques sont les suivantes :

• La présence aux travaux pratiques est obligatoire. Toute absence non justifiée entraîne une note de zéro pour la séance concernée.
• Les étudiants travaillent en groupes de six étudiants maximum.
• À l'issue de chaque séance, un questionnaire à choix multiples (QCM) permet d'évaluer l'acquisition des notions abordées. Le QCM se fait à livre ouvert. Toutefois l’utilisation du téléphone ou de tout outil d’intelligence artificielle est strictement interdit durant le QCM. En cas de triche, la note de zéro sera attribuée au QCM du groupe pour la séance.
• Pour certaines séances, un rapport de groupe doit être remis dans un délai d'une semaine après la séance. La note attribuée au rapport est commune aux membres du groupe. Toutefois, lorsqu'une absence de participation substantielle d'un étudiant à la rédaction du rapport est constatée et signalée par les autres membres du groupe, l'enseignant se réserve le droit d'attribuer à cet étudiant une note de zéro pour le rapport concerné.
• Dispense de travaux pratiques: Les étudiants ayant déjà validé la composante « travaux pratiques » lors d'une inscription antérieure peuvent être dispensés de participation aux séances. Dans ce cas, la note obtenue l'année précédente pour les travaux pratiques est conservée et reportée dans le calcul de la note finale.

Construction de la note (en ce compris, la pondération des notes partielles)

• Examen écrit : 67 %
• Travaux pratiques : 33 %

La note finale résulte de la moyenne pondérée de ces deux composantes.

Langue(s) d'évaluation

• français