Physical chemistry of metals and ceramics [ LMAPR2013 ]

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Trois grands thèmes sont abordés : les solides inorganiques non-métalliques (céramiques et verres minéraux), la métallurgie physique, les procédés de mise en 'uvre des principaux métaux et alliages industriels (acier, aluminium, ').

Contribution du cours au référentiel du programme

Eu égard au référentiel AA du programme KIMA, cette activité contribue au développement et à l'acquisition des AA suivants :

AA1 Socle de connaissances scientifiques et techniques (AA1.1,1.3)

AA2 Compétences d'engineering (AA2.1, 2.2)

AA3 Compétences de R & D (AA3.1)

Acquis d'apprentissage spécifiques au cours

A la fin du cours, l'étudiant sera capable de/d'

AA1.1. Décrire les transformations de phase à l'état solide dans les systèmes binaires métalliques :

• en se basant sur les principes de base de la physico-chimie, décrire les différentes étapes régissant les transformations de phase dans les systèmes binaires métalliques comme les aciers et les alliages d'aluminium ;
• décrire les phénomènes de précipitation et de transformation de phase régis par la diffusion ;
• donner les caractéristiques des transformations martensitiques.

AA1.1. Préciser les caractéristiques générales des matériaux métalliques d'ingénierie les plus courants :

• utiliser les outils thermodynamiques et cinétiques décrivant les étapes de mise en 'uvre (diagramme de phase, diagramme TTT, TRC, ')
• décrire le schéma général de mise en 'uvre des alliages d'aluminium et justifier ses utilisations principales sur base des principes physico-chimiques gouvernant l'optimisation de leurs microstructures ;
• décrire le schéma général de mise en 'uvre des aciers, les différentes phases que les aciers peuvent présenter ainsi que le lien avec les propriétés structurales.

AA1.1. Décrire les équilibres entre phases dans les systèmes ternaires :

• utiliser les diagrammes de phase ternaires pour la description des transformations de phase survenant lors de l'élaboration de matériaux inorganiques, en particulier les verres minéraux et les céramiques.

AA1.1. Décrire la structure des céramiques et de verres inorganiques, ainsi que les défauts ponctuels présents dans les céramiques :

• décrire la structure des principales structures cristallines des céramiques ioniques ;
• décrire la structure des principales structures cristallines des céramiques covalentes ;
• décrire la structure cristallines des silicates et des verres inorganiques ;
• préciser les défauts intrinsèques et extrinsèques pouvant exister dans les céramiques et établir le lien avec les défauts électroniques en électronique ;
• décrire les équilibres entre plusieurs défauts simultanés

AA1.1. Préciser les mécanismes de transport de masse et de charge dans les céramiques :

• décrire les mécanismes de diffusion dans les céramiques ;
• décrire les mécanismes de conductivité ionique et électronique ;
• expliquer le principe de fonctionnement de composants basés sur des céramiques techniques (varistors, thermistors) ;
• explique le principe de fonctionnement des piles à combustible.

AA1.3, AA2.1. analyser les liens et influences des procédés de production et de mise en 'uvre des matériaux inorganiques : métaux, céramiques et verres ;

AA1.3, AA2.1 choisir adéquatement la catégorie de matériaux inorganiques adaptées à une application particulière, non seulement sur base d'un cahier des charges techniques mais également sur base de considérations socio-économiques. 

Les étudiants seront évalués individuellement et par écrit sur base des objectifs particuliers annoncés précédemment.

L'examen écrit portera d'une part sur les connaissances scientifiques et techniques abordées au cours et d'autre part sur la réalisation d'un exercice lié à la description physico-chimique des transformations de phase survenant au sein des matériaux inorganiques.

Un examen séparé sera organisé à propos des laboratoires. Cet examen consistera en la reconnaissance de la structure des échantillons métalliques étudiés durant les séances de laboratoire et en la résolution de problèmes s'y rapportant.  

Cotation des travaux pratiques

Une note sera attribuée pour l'examen relatif aux laboratoires. Cette note contribuera pour 10% de la note finale du cours. Cette note sera automatiquement reportée pour les sessions de rattrapage de l'année académique. 

Le cours est organisé autour de 12/13 cours magistraux, 4 séances d'exercices et 6 laboratoires. Les laboratoires consistent en l'observation métallographique d'échantillons métalliques. 

1. Equilibres de phase : rappel des systèmes binaires ; systèmes ternaires
2. Diffusion dans les solides
3. Céramiques et verres : - structure cristalline des céramiques - l'état vitreux et les verres minéraux - les défauts cristallins dans les céramiques - les phénomènes de transport de masse et de conductivité électrique - les équilibres de phase dans les procédés de synthèse
4. Métallurgie physique - rappels sur les types de transformations de phase - cinétiques de transformations : diagrammes TTT - application à différents métaux et alliages (aciers, aluminium, ')
5. Les procédés sidérurgiques
6. L'extraction de l'aluminium

Un syllabus est disponible via SICI.  Le professeur déposera également des versions actualisées du syllabus sur le site web icampus du cours.  

Pour les chapitres I et II, le livre de référence est :  
'Phase transformations in metals and alloys' (D.A. Porter & K.E. Easterling, Taylor & Francis, ISBN:0-7487-5741-4.

Pour les chapitres III à VI, le cours s'inspire principalement du livre «Physical Ceramics : Principles for Ceramic Science and Engineering » (Y-M Chiang, D. Birnie, W.D. Kingery) Wiley (ISBN 0-471-59873-9).  

Ce cours suppose acquises les notions de base du programme de bachelier relatives à la chimie et à la chimie physique. En particulier, les cours LMAPR 1805 : Introduction à la science des matériaux, LMAPR 1310 : Thermodynamique ' équilibres de phase et LMAPR 1231 : Procédés de chimie inorganique constituent des prérequis.