Fiche de révision : Couches minces, inox et tribologie

📋 Plan du Cours

1. Liaisons atomiques et énergie
2. Structures cristallines et défauts
3. Comportements et propriétés mécaniques
4. Défauts et rupture fragile
5. Rupture fragile et ténacité
6. Plasticité et glissement cristallin
7. Dureté et mesure Vickers
8. Écrouissage et traitements des alliages
9. Durcissement des alliages légers
10. Transformation martensitique des aciers
11. Fonctions des couches minces
12. Dépôt et croissance des couches minces
13. Aciers inoxydables et éléments d’alliage
14. Frottement, usure et lubrification

📖 1. Liaisons atomiques et énergie

★ À maîtriser

📌 Entre deux atomes, l’interaction résulte de la compétition entre une attraction et une répulsion.

• Les liaisons fortes sont métallique, ionique et covalente, tandis que les liaisons de van der Waals sont faibles et intermoléculaires.

• La distance interatomique d’équilibre correspond au minimum de l’énergie d’interaction, tandis que la dissociation correspond à la séparation des atomes.

Compléments

• Pour les liaisons ionique et covalente, l’exposant de répulsion est compris entre 7 et 10, tandis que pour la liaison métallique il est compris entre 2 et 4.

• L’énergie de liaison s’exprime en J·mol⁻¹ dans le Système international ou en eV·liaison⁻¹, avec 1 eV = 1,6 × 10⁻¹⁹ J.

💡 Astuce mémo

Attraction rapproche, répulsion équilibre

📖 2. Structures cristallines et défauts

🔑 Notions clés & Définitions

• Polymorphisme : Propriété de certains métaux de cristalliser selon des réseaux différents en fonction de la température.

★ À maîtriser

📌 Un cristal possède un ordre structural, tandis qu’un verre est un matériau vitreux désordonné.

• Dans le fer, la ferrite est cubique centrée et l’austénite est cubique à faces centrées.

Compléments

• La maille cubique à faces centrées contient 4 atomes et a une compacité de 0,74, tandis que la maille cubique centrée contient 2 atomes et a une compacité de 0,68.

📌 Les propriétés d’un monocristal sont anisotropes, tandis que celles d’un polycristal à orientations aléatoires sont isotropes.

• Les propriétés mécaniques et électriques sensibles aux défauts comprennent notamment la déformation plastique et la conductibilité électrique des isolants et des semi-conducteurs.

💡 Astuce mémo

Cristal ordonné, verre désordonné

📖 3. Comportements et propriétés mécaniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Loi de comportement : Réponse d’un matériau à une sollicitation donnée, quantifiée par une courbe contrainte-déformation.

★ À maîtriser

📌 La déformation élastique est réversible, tandis que la déformation plastique est irréversible.

• Les trois comportements mécaniques fondamentaux sont :
  • le comportement élastique
  • le comportement plastique
  • le comportement visqueux

📐 Formule - Dans le domaine élastique linéaire, la loi de Hooke s’écrit $\sigma = E\,\varepsilon$.

Compléments

• Le module d’Young des métaux est de l’ordre de 10² GPa et leur limite d’élasticité est de l’ordre de 10² à 10³ MPa.

• Les quatre sollicitations simples sont :
  • la traction ou la compression
  • le cisaillement
  • la flexion
  • la torsion

💡 Astuce mémo

Élastique réversible, plastique irréversible

📖 4. Défauts et rupture fragile

★ À maîtriser

📌 Un matériau fragile se rompt brutalement sans avertissement et libère d’un coup l’énergie élastique emmagasinée, tandis qu’un matériau ductile absorbe une partie de l’énergie par déformation plastique avant la rupture.

• La résistance expérimentale à la rupture est de 10 à 10⁴ fois inférieure à la résistance théorique, estimée autour de E/10 à E/15.

• Un défaut concentre la contrainte localement au-dessus de la contrainte extérieure, ce qui peut amorcer la rupture des liaisons, la propagation d’une fissure puis la rupture fragile.

• La résistance à la propagation d’une fissure est quantifiée par la ténacité Kc, exprimée en N·m⁻³ᐟ² ou en Pa·m¹ᐟ².

Compléments

• Selon la théorie de Griffith présentée dans le cours, la propagation d’une fissure requiert une condition énergétique et une condition mécanique.

💡 Astuce mémo

Fissure → contrainte concentrée → rupture

📖 5. Rupture fragile et ténacité

🔑 Notions clés & Définitions

• Ténacité : La ténacité Kc quantifie la résistance d’un matériau à la propagation d’une fissure.

★ À maîtriser

📌 La rupture brutale se produit lorsqu’une fissure préexistante de profondeur a est soumise à une contrainte suffisante pour atteindre la condition de rupture définie par la ténacité du matériau.

Compléments

• La contrainte en fond de fissure peut être atténuée par un usinage et un polissage de qualité ainsi que par des changements de section progressifs.

• Une fissure de 0,1 mm peut diminuer la résistance à la rupture d’un facteur de l’ordre de 100.

📌 La propagation d’une fissure nécessite une condition énergétique, où l’énergie élastique libérée dépasse l’énergie de création des surfaces, et une condition mécanique, où la contrainte à la racine dépasse la limite élastique théorique. - Griffith, Théorie de la rupture fragile de Griffith

💡 Astuce mémo

Fissure sous contrainte → concentration des contraintes → rupture

📖 6. Plasticité et glissement cristallin

🔑 Notions clés & Définitions

• Comportement élastoplastique : Le comportement élastoplastique associe une déformation élastique puis une déformation plastique lorsque la contrainte ou la déformation augmente, avant la rupture.
• Système de glissement : Un système de glissement est la combinaison d’un plan de glissement et d’une direction de glissement située dans ce plan.
• Striction : La striction est une diminution locale de la section de l’éprouvette pendant la déformation plastique en traction.

★ À maîtriser

📌 La contrainte conventionnelle utilise la section initiale S₀, tandis que la contrainte vraie tient compte de la section instantanée S et ne décroît pas dans la zone d’écrouissage plastique.

📐 Formule - Les relations entre valeurs vraies et conventionnelles sont $\sigma_{v}=\sigma_{c}(1+\varepsilon_{c})$ et $\varepsilon_{v}=\ln(1+\varepsilon_{c})$.

• Les dislocations sont les défauts responsables de la déformation plastique des matériaux cristallins, à condition qu’elles soient mobiles.

Compléments

• Les plans et directions de glissement actifs sont ceux qui présentent la plus forte densité atomique, et les nombres de systèmes de glissement sont 12 pour les structures cfc, 12 pour les structures cc et 3 pour les structures hc.

💡 Astuce mémo

Glissement des plans → dislocations mobiles → déformation plastique

📖 7. Dureté et mesure Vickers

🔑 Notions clés & Définitions

• Dureté : La dureté mesure la résistance d’un matériau à la pénétration.

★ À maîtriser

📐 Formule - La dureté vraie est le rapport de la force appliquée à la surface projetée de l’empreinte : $H=\frac{F}{S_{\mathrm{projetée}}}$.

Compléments

• La dureté dépend des déformations élastoplastiques, du frottement entre le pénétrateur et le matériau, ainsi que de la géométrie, des propriétés mécaniques et de la charge appliquée du pénétrateur.

• Les essais Brinell et Rockwell utilisent des charges de 100 à 3000 kg, tandis que les essais Knoop et Vickers utilisent des charges de 1 g à 1000 g.

• La dureté Vickers utilise l’aire réelle de l’empreinte, et son facteur géométrique indiqué est 1,8544.

📖 8. Écrouissage et traitements des alliages

★ À maîtriser

• L’écrouissage rend le mouvement des dislocations de plus en plus difficile et augmente la contrainte nécessaire à la poursuite de la déformation plastique.

📌 Les alliages normalisés sont obtenus par refroidissement lent et leur constitution est prédite par les diagrammes de phases, tandis que les alliages trempés sont refroidis rapidement et présentent des structures hors équilibre.

• Le durcissement par freinage des dislocations augmente la dureté, la limite élastique et la résistance à la traction, mais diminue la ductilité et la ténacité.

Compléments

• Les traitements mécaniques et thermiques sans apport de matière sont regroupés sous le nom de traitements par transformation structurale.

• Le laminage d’un alliage peut nécessiter des recuits intermédiaires pour reconstruire le cristal et réduire l’excès de dislocations.

💡 Astuce mémo

Alliage normalisé à l’équilibre, alliage trempé hors équilibre

📖 9. Durcissement des alliages légers

★ À maîtriser

• Dans un alliage Al-Mg trempé, la sursaturation en magnésium déforme le réseau d’aluminium et bloque les dislocations, ce qui augmente la dureté et la limite élastique.

• 🔄 Le traitement de l’alliage Al-Cu se déroule en trois étapes :
  1. Mise en solution de 4 % de cuivre dans l’aluminium à 550 °C
  2. Trempe pour obtenir une solution sursaturée à 20 °C
  3. Revenu dispersant de fins précipités de CuAl₂

Compléments

• Les alliages légers cités sont les alliages d’aluminium, de magnésium et de titane, dont la masse volumique est inférieure à 4,5 g·cm⁻³.

• Le durcissement par solution solide concerne notamment les alliages suivants : alliages Al-Mg de la série 5000, alliages de titane TA6V, alliages de magnésium contenant du lithium, alliages de magnésium contenant de l’aluminium, alliages de magnésium contenant de l’argent, alliages de magnésium contenant du zinc

📌 Le durcissement par précipitation produit des propriétés mécaniques intermédiaires, car le revenu rend une partie de la mobilité aux dislocations tout en laissant des précipités fins qui les gênent encore.

💡 Astuce mémo

Solution solide : atomes dissous ; précipitation : particules dispersées

📖 10. Transformation martensitique des aciers

★ À maîtriser

• La transformation martensitique du fer est displacive et transforme la phase cfc à chaud en phase cc à froid.

• Lors du revenu, le carbone en sursaturation migre et forme de fins précipités de Fe₃C, tandis que le réseau se relaxe en ferrite et cémentite, ce qui augmente la ductilité tout en conservant une dureté appréciable.

Compléments

• Pour le fer pur, la martensite commence à se former à 550 °C et sa formation atteint 100 % à 350 °C.

📌 Une trempe à environ 10⁵ °C·s⁻¹ est nécessaire pour éviter le nez de la courbe TTT du fer pur, tandis qu’environ 200 °C·s⁻¹ suffit pour l’acier eutectoïde à 0,8 % de carbone.

• La martensite de fer pur est environ deux fois plus dure que le fer cc obtenu par refroidissement lent, notamment parce qu’elle forme des grains très fins.

• La martensite de l’acier eutectoïde à 0,8 % de carbone est environ cinq fois plus dure que la perlite normalisée, notamment en raison de sa sursaturation en carbone et de la distorsion du réseau.

💡 Astuce mémo

Trempe → martensite dure et fragile → revenu plus ductile

📖 11. Fonctions des couches minces

★ À maîtriser

• La préparation de surface permet de modifier les propriétés physico-chimiques et spécifiques de la surface, notamment sa composition, son aspect, sa mouillabilité, son adhérence, sa rugosité, ses contraintes superficielles et ses caractéristiques tribologiques ou électriques.

• La fabrication de couches minces vise à contrôler la croissance, la structure cristalline, la morphologie, l’épaisseur et les propriétés d’usage, pour des épaisseurs allant du nanomètre à plusieurs micromètres.

📐 Formule - Pour une couche antireflet, l’épaisseur vérifie $e=\frac{(2p+1)\lambda}{4N}$; l’épaisseur minimale correspond à p=0, soit $e=\frac{\lambda}{4N}$.

• Le dépôt antireflet réduit la réflexion par interférences destructives entre les faisceaux réfléchis.

Compléments

• Les classifications possibles des traitements de surface se fondent sur :

  • le procédé
  • le secteur
  • la fonction
  • la nature du dépôt
  • la technique de dépôt
  • le facteur économique

• Les couches minces peuvent servir à réduire le frottement, protéger de la corrosion ou de l’usure, améliorer l’adhérence, limiter la réflexion lumineuse et modifier la couleur selon la température ou une charge électrique.

📖 12. Dépôt et croissance des couches minces

🔑 Notions clés & Définitions

• Plasma : Gaz ionisé, produit artificiellement sur Terre en appliquant des champs électriques assez puissants pour ioniser le gaz.

★ À maîtriser

• Le choix d’une technique de dépôt dépend du matériau, de la vitesse de dépôt souhaitée, de la température maximale supportée par le substrat, de l’adhérence, de la forme du substrat et de la pureté recherchée.

• Un procédé de dépôt sous vide comporte la création d’espèces en phase vapeur, leur transport vers le substrat, puis la croissance de la couche par nucléation et croissance, avec éventuellement un bombardement ionique.

📌 Une source d’évaporation doit contenir le matériau à déposer, le chauffer jusqu’à sa phase liquide et posséder une capacité suffisante pour atteindre l’épaisseur souhaitée.

• En pulvérisation cathodique, des ions énergétiques issus du plasma bombardent la cible et arrachent des espèces qui se déposent sur le substrat.

• En pulvérisation magnétron, le confinement des électrons près de la cathode augmente leur trajet et les collisions ionisantes, ce qui accroît la vitesse de dépôt.

📌 La CVD fait réagir des précurseurs gazeux sur le substrat sous l’effet de la température, tandis que la PECVD active la réaction par un plasma.

• L’épitaxie est la croissance d’un cristal dont l’orientation est fixée par le substrat.

• Les modes de croissance d’une couche sont :

  • Franck–Van der Merwe, croissance bidimensionnelle couche par couche
  • Stranski–Krastanov, formation d’une monocouche puis nucléation et croissance de cristallites tridimensionnelles
  • Volmer–Weber, croissance directe de cristallites tridimensionnelles

• Le procédé sol-gel forme un réseau tridimensionnel à partir d’une suspension de particules inorganiques dans un solvant organique, revêt le substrat par enduction puis densifie la couche par traitement thermique.

Compléments

• Le cours présente le plasma comme représentant environ 99 % de l’Univers et cite le tube néon comme application courante.

• Le nom « plasma » pour les gaz ionisés est attribué à Irving Langmuir en 1927.

• Les trois modes de chauffage d’une source d’évaporation sont le chauffage par résistance, par induction et par bombardement électronique.

• En chauffage par bombardement électronique, un filament de tungstène chauffé à environ 2800 °C produit les électrons, accélérés par une anode sous 4 à 10 kV puis focalisés sur le matériau à évaporer.

• En pulvérisation haute fréquence, la différence de mobilité entre électrons et ions crée une autopolarisation négative à la surface d’un substrat isolant, et la fréquence utilisée est généralement 13,56 MHz.

📌 En pulvérisation polarisée, si la tension du substrat est inférieure à la tension seuil VT, le dépôt se forme; si elle est très supérieure à VT, la vitesse de dépôt devient nulle; et si elle dépasse VT, le dépôt est décapé.

💡 Astuce mémo

Créer la vapeur, la transporter, puis faire croître la couche.

📖 13. Aciers inoxydables et éléments d’alliage

★ À maîtriser

• Les éléments d’alliage améliorent la trempabilité en décalant les courbes TTT vers la droite, ce qui permet de transformer correctement des pièces plus épaisses lors de la trempe.

• Dans un acier Fe-Cr contenant plus de 13 % de chrome, le chrome stabilise la structure ferritique et empêche la transformation martensitique par trempe.

• Le nickel stabilise l’austénite et peut maintenir une structure austénitique à température ambiante, tandis que le chrome favorise la ferrite.

• Dans les aciers inoxydables au chrome, le carbone peut former des carbures de chrome aux joints de grains, appauvrir le chrome dissous et réduire la protection contre la corrosion, favorisant la corrosion intergranulaire.

Compléments

• L’acier inoxydable 18/8 contient 0,1 % de carbone, 18 % de chrome, 8 % de nickel et 1 % de manganèse; le nickel stabilise son austénite à température ambiante et le chrome contribue à sa résistance à la corrosion.

• Les inox ferritiques contiennent moins de 0,1 % de carbone et de 12 % à 30 % de chrome; ils ne peuvent pas subir de trempe martensitique et résistent à la corrosion sous contrainte.

• Les inox martensitiques contiennent environ 1 % de carbone et de 12 % à 17 % de chrome; ils sont trempables, durs et résistants à l’usure, mais leur résistance à la corrosion est délicate.

• Les inox austéno-ferritiques contiennent 18 % à 28 % de chrome et 4 % à 9 % de nickel; leurs deux phases leur confèrent une meilleure ténacité que les inox ferritiques et une meilleure limite élastique que les inox austénitiques.

• Les inox durcis par précipitation obtiennent d’excellentes propriétés mécaniques par germination de précipités, par exemple NiAl, après trempe et revenu.

💡 Astuce mémo

Le chrome favorise la ferrite, le nickel et le carbone l’austénite.

📖 14. Frottement, usure et lubrification

🔑 Notions clés & Définitions

• Frottement : Le frottement est le phénomène qui s’oppose au mouvement relatif de deux surfaces en contact et se traduit par un effort tangentiel opposé au mouvement.
• Usure : L’usure est la perte de matière et l’endommagement des surfaces dus au frottement; elle ne peut être évitée, mais peut être réduite ou contrôlée.
• Lubrification : La lubrification protège du frottement et de l’usure en séparant les surfaces par un film de faible résistance au cisaillement.
• Tribomètre : Le tribomètre est un simulateur instrumenté du frottement qui mesure les forces tangentielle et normale et peut contrôler l’environnement du contact.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le coefficient de frottement est le rapport entre la force tangentielle et la force normale : $\mu = \frac{F_T}{F_N}$.

• Le frottement à deux corps passe par la formation du contact par déformation et labourage, la formation de jonctions adhésives entre aspérités, puis leur cisaillement ou leur rupture, qui peut arracher de la matière.

📌 L’usure adhésive transfère de la matière d’un corps vers son antagoniste, tandis que l’usure abrasive enlève de la matière sous l’action de particules ou d’aspérités dures.

📐 Formule - Le taux d’usure volumique est le volume usé divisé par la charge normale et la distance d’usure : $K = \frac{V}{F_N d}$.

📌 Les lubrifiants sont liquides, comme les huiles, graisses et paraffines, ou solides, comme le graphite, le DLC, les polymères et le MoS₂.

Compléments

• Le cours situe le frottement sec entre 0,3 et 0,5, le frottement lubrifié entre 0,01 et 0,3 et le freinage entre 0,5 et 0,7; un coefficient supérieur à 1 peut conduire au grippage.

• L’aire réelle de contact ne représente qu’environ 0,01 % à 1 % de l’aire apparente, car la charge est supportée par les microcontacts entre aspérités.

• L’usure érosive est une perte de matière provoquée par un fluide en mouvement contenant des particules solides, tandis que l’usure par fatigue produit des fissures superficielles qui se propagent dans le matériau sous des charges répétées.

• L’usure par fretting est l’usure provoquée par le glissement répété de deux surfaces soumises à de petites vibrations.

• Le taux d’usure est généralement exprimé en mm³·N⁻¹·m⁻¹ et doit être calculé pour chaque antagoniste.

• Les lubrifiants solides résistent aux températures élevées et au vide, mais leur élaboration peut être complexe et leur durabilité parfois insuffisante.

• Dans la désignation SAE 10W40, le nombre avant W caractérise l’écoulement à froid et celui après W la viscosité à chaud; un indice hivernal plus faible indique une huile qui s’épaissit moins à froid.

💡 Astuce mémo

Contact des aspérités → frottement → usure, que la lubrification cherche à réduire.