M 2 MATERIAUX (1)

ROYAUME DU MAROC

OFPPT

Office de la Formation Professionnelle et de la Promotion du Travail DIRECTION RECHERCHE ET INGENIERIE DE FORMATION

RÉSUMÉ DE THÉORIE & GUIDE DES TRAVAUX PRATIQUES

MODULE MATERIAUX N°: 2

SECTEUR : FABRICATION MECANIQUE SPECIALITE : BAC PRO FM NIVEAU : TRONC COMMUN INDUSTRIEL BAC PRO

Module 2 – BAC PRO FM.

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Document élaboré par :

CDC GM

DRIF

Révision linguistique -

Validation - ETTAIB Chouaïb -

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OBJECTIF DU MODULE

MODULE : MATERIAUX Code :

Durée : 20 h

OBJECTIF OPERATIONNEL COMPORTEMENT ATTENDU Pour démontrer sa compétence, l’élève doit utiliser les matériaux métalliques courants du commerce en fonction de l’usage envisagé. selon les conditions, les critères et les précisions qui suivent. PRESENTATION L’objectif de ce module est de faire acquérir la compétence générale lui permettant de répondre aux questions sur le choix, l’utilisation et la mise en forme des matériaux lors de la conception et la fabrication des pièces mécaniques à partir d’un cahier des charges. Il vise donc à rendre l’élève apte à communiquer avec les spécialistes en matériaux et leur mise en forme en adoptant un comportement méthodique et communicatif. CONTEXTE DE REALISATION  A partir : - D’un cahier des charges - De consignes et directives : qualité, quantité et délai - De plan de définition, de croquis à main levée - Du parc machine disponible  A l’aide : - Des documents relationnels, des méthodes, des standards d’entreprise - Des dossiers machines - Des catalogues de fournisseurs des outils et outillages

REFERENCES - Notes de cours - Sites Internet - Livres scolaires et guides techniques

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PRECISION ET PREALABLES A.

Décrire les procédés d’élaboration des métaux et des principaux demiproduits disponibles dans le commerce

ELEMENTS DE CONTENU -

-

Principales familles de matériaux Identification des propriétés physico-chimiques des matériaux métalliques Procédés d’élaboration des fontes, aciers et alliages ferreux et non ferreux  Fontes, aciers  Alliages d’aluminium et de cuivre  Magnésium et alliages  Zinc et alliages Caractéristiques des métaux, spectrométrie, essais mécaniques Fabrication des produits laminés longs et plats, normalisation des formes, caractéristiques, emplois Fabrication des produits étirés et extrudés (pleins et creux), emplois

B.

Utiliser les désignations normalisées des métaux, matière plastique et des demi-produits

-

Désignation normalisée Désignations commerciales de certains matériaux et demi-produits Matériaux de synthèse  Thermoplastiques  Thermodurcissables  Elastomères ou caoutchoucs

C.

Déterminer une nuance et un demiproduit en fonction de l’application envisagée

-

Propriétés mécaniques des matériaux Les essais mécaniques Critères de choix des matériaux Choix d’un type de matériaux en tenant compte des caractéristiques mécaniques demandées Choix du matériau pour une application donnée Critère : rapport qualité / prix

-

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Contenu MATÉRIAUX - GÉNÉRALITÉS .................................................................................................. 5 I - Métaux ........................................................................................................................................ 6 II - Polymères ou matières plastiques ............................................................................................. 8 III - Céramiques .............................................................................................................................. 9 IV - Matériaux composites ............................................................................................................ 11 V - Matériaux nouveaux ................................................................................................................ 12 PROPRIETES DES MATERIAUX .............................................................................................. 13 I - Propriétés physiques ................................................................................................................. 13 II - Propriétés mécaniques ............................................................................................................. 14 III - Propriétés chimiques .............................................................................................................. 15 MÉTAUX FERREUX - ASPECT MÉTALLURGIQUE ............................................................. 16 I - Alliage fer-carbone ................................................................................................................... 16 II - Diagramme fer-cémentite (Fe - Fe3C) ..................................................................................... 17 III - Aciers au carbone ................................................................................................................... 18 IV - Traitements thermiques dans la masse .................................................................................. 19 V - Influence des éléments d’addition........................................................................................... 25 ACIERS ET FONTES ................................................................................................................... 27 I - Aciers non alliés « Aciers au carbone » ................................................................................... 27 II - Aciers faiblement alliés, pour haute résistance ....................................................................... 34 III - Aciers fortement alliés ........................................................................................................... 37 IV - Fontes ..................................................................................................................................... 38 MÉTAUX NON FERREUX ......................................................................................................... 42 I - États métallurgiques ................................................................................................................. 42 II - Aluminium et alliages ............................................................................................................. 43 III - Cuivre et alliages.................................................................................................................... 47 IV - Magnésium et alliages ........................................................................................................... 50 V - Zinc et alliages ........................................................................................................................ 51 MATIÈRES PLASTIQUES ET ÉLASTOMÈRES ...................................................................... 52 I - Propriétés générales et structures ............................................................................................. 52 II - Thermoplastiques .................................................................................................................... 57 III - Thermodurcissables ............................................................................................................... 59 IV - Elastomères ou caoutchoucs .................................................................................................. 59 ESSAIS DES MATÉRIAUX ........................................................................................................ 62 I - Définitions préliminaires .......................................................................................................... 62 II - Essai de traction ...................................................................................................................... 63 III - Essai de résilience .................................................................................................................. 67 IV - Essai de dureté ....................................................................................................................... 69 V - Essai de fluage ........................................................................................................................ 73 VI - Essai de fatigue ou d’endurance ............................................................................................ 74 VII - Extensométrie électrique, photoélasticité, vernis craquelants .............................................. 77

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MATÉRIAUX - GÉNÉRALITÉS Les matériaux sont à la source de la technologie et du monde industriel. La réussite technique et le succès commercial d’un produit fabriqué dépendent en grande partie du ou des matériaux choisis. Sélectionner un matériau n’est généralement pas une opération simple compte tenu de la grande variété proposée. Le choix dépend autant du prix que des qualités propres du matériau et du procédé de fabrication retenu pour la réalisation. La sélection est le plus souvent effectuée en équipe, client et concepteur étant associés aux techniciens de fabrication.

1. Prix comparatifs indicatifs (au kg) des principaux matériaux industriels (u.a. = unité arbitraire).

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2. Principales familles de matériaux.

I - Métaux Ils sont étudiés en détail dans les chapitres suivants. Seules les propriétés caractéristiques communes sont abordées ici.

3. Structure cristalline des métaux.

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Structure cristalline : c’est la façon dont les atomes sont empilés les uns sur les autres. Les métaux sont formés de monocristaux, ou grains, disposés côte à côte, dont la forme, plus ou moins régulière, est polygonale. Cette structure cristalline est à l’origine de leurs propriétés, elle influe sur les caractéristiques mécaniques et physiques.

Mailles : à l’intérieur des grains, les atomes, en contact les uns avec les autres, disposés régulièrement, forment des empilements compacts. Les réseaux cristallins ainsi formés sont appelés mailles. Les mailles rencontrées le plus fréquemment sont la maille cubique centrée, la maille cubique à faces centrées et la maille hexagonale compacte.

Structures cristallines des métaux : principales mailles type

maille cubique centrée

maille cubique à face centrée

maille hexagonale compacte

V = 0,68 a3 2 atomes par maille

V = 0,74 b3 4 atomes par maille

V = 0,74 vol. de la maille 6 atomes par prisme

fer α, Mn, Cr, W, Mo, V, Nb, Li, Zr, Ta, Ba, Ti ( > 882 °C) ... haute résistance peu ductile

fer γ, AI, Cu, Ag, Co, Pb, Ni, Au, Pt, Sr... résiste au cisaillement très ductile

Mg, Zn, Cd, Be, Co (< 419 °C) Ti (< 882 °C)... fragile peu ductile

forme de la maille

volume occupé par les atomes dans la maille exemples propriétés

4. Structures cristallines des métaux: principales mailles.

Allotropie : propriété de certains métaux ou alliages qui peuvent avoir, selon la température, des structures cristallines (mailles) différentes, avec des propriétés différentes. Exemples : fer α et fer γ, titane (< 882 °C et > 882 °C)...

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Alliages : lorsqu’on ajoute les atomes d’un autre métal, on modifie l’arrangement des plans de la structure cristalline du métal de base. Cela accroît le plus souvent la résistance. Exemple : le bronze est plus résistant que les deux métaux de base qui le constituent (cuivre et étain). Désignation normalisée : elle utilise à la fois des lettres, qui précisent la nature du métal de base et des éléments d’addition, plus des chiffres qui indiquent les indices de pureté et les teneurs. Deux types de symboles sont utilisés : les symboles chimiques usuels et les symboles métallurgiques.

Symboles chimiques et métallurgiques, densité des métaux usuels corps aluminium béryllium bore cadmium carbone graphite carbone diamant chrome cobalt cuivre étain fer lithium magnésium

symbole chimique Al Be B Cd C C Cr Co Cu Sn Fe Li Mg

symbole métallurgique A Be B Cd — — C K U E Fe L G

densité

corps

2,7 1,85 2,35 8 2,24 3,5 7,1 8,9 9 6 à 7,5 7,8 0,534 1,75

manganèse molybdène nickel phosphore platine plomb silicium soufre titane tungstène vanadium zinc zirconium

symbole chimique Mn Mo Ni P Pt Pb Si S Ti W V Zn Zr

symbole métallurgique M D N P — Pb S F T W V Z Zr

densité 7,2 10,2 8,9 1,88 21,5 11,34 2,4 2,1 4,5 19,3 5,9 7,15 6,5

II - Polymères ou matières plastiques Il en existe deux familles principales: les thermoplastiques et les thermodurcissables (voir chapitre 6 : matières plastiques et élastomères).

1. Thermoplastiques Très nombreux, ils sont les plus utilisés. Ils ramollissent et se déforment à la chaleur. Ils peuvent, en théorie, être refondus et remis en oeuvre un grand nombre de fois.

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5. Polymère ou macromolécule de polyéthylène.

Exemples : polyéthylène, polypropylène, polystyrène, PVC.

2. Thermodurcissables Ils ne ramollissent pas et ne se déforment pas sous l’action de la chaleur. Une fois créés, il n’est plus possible de les remodeler par chauffage. Exemples : phénoliques, époxydes …

Remarque : une même matière plastique, comme le polyester par exemple, existe parfois dans la forme thermoplastique et dans la forme thermodurcissable. 3. Elastomères ou « caoutchoucs » On peut les considérer comme une famille supplémentaire de polymères aux propriétés très particulières. Ils sont caractérisés par une très grande élasticité.

III - Céramiques Ni métalliques, ni polymères, ce sont les matières premières les plus abondantes de la croûte terrestre et les matériaux les plus anciens utilisés par l’homme. Elles sont très dures, très rigides, résistent à la chaleur, à l’usure, aux agents chimiques et à la corrosion. Leur principal inconvénient est la fragilité.

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Fabrication : elle comprend en général une mise en forme (pressage, moulage, extrusion...) suivie par un traitement thermique (cuisson ou frittage).

1. Céramiques traditionnelles Elles regroupent les ciments, les plâtres, les produits à base d’argile (terres cuites, faïence, porcelaine, grès cérame...) et les produits à base de silice (verre, cristal...).

Céramiques traditionnelles

produits vitrifiés

produits poreux

nuances

matières premières

exemples d’emploi

terre-cuite

marnes, argiles

tuiles, briques, horticulture, art

faïence

argile, silice, quartz

vaisselle, carrelage (mur), art

produits grésés

argile, kaolin, feldspath

carrelage (sol)

réfractaires

argile réfractaire, silice, chamotte, alumine, magnésie carbone-graphite...

ciment, béton brique pour four produits frittés

grès cérame

argile, chamotte, silice

vitreuses

argile, kaolin, feldspath, silice

porcelaine

kaolin, argile, feldspath, quartz

verres

abrasifs

silice alumine oxydes chaux magnésie

éviers, lavabos, baignoires vaisselle, art, génie électrique

sodico-calcique

vitres, flacons, ampoules

cristal (oxyde de plomb)

vaisselle, art, optique

borosilicate

résistant aux chocs thermiques

aluminosilicate

résistance à la chaleur

spéciaux

optique, laser, fibre optique

oxydes, carbures, diamant

meules, papiers abrasifs

2. Céramiques techniques Plus récentes, elles sont soit fonctionnelles, à « usage électrique », soit structurales, à usage mécanique ou thermomécanique. Exemples : oxydes d’alumine (Al2O3), zircone (ZrO2), nitrures de bore (BN) ou de silicium (Si3N4), carbures de silicium (SIC) ou de tungstène (WC). Utilisations : fibres optiques (silicium), mémoires magnétiques (ferrites), outils de coupe (carbures), abrasifs, isolants, écrans thermiques, joints d’étanchéité, laser, prothèses osseuses...

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6. Domaines d’application des céramiques techniques.

IV - Matériaux composites Ils sont composés d’un matériau de base (matrice ou liant : polymère, céramique ou métal) renforcés par des fibres, ou agrégats, d’un autre matériau afin de combiner au mieux les avantages des deux. Les deux corps, de structure différente, ne se mélangent pas (structure hétérogène) au contraire d’un alliage (structure homogène).

Exemples familiers : béton armé (béton + armature acier), pneumatiques (élastomère + toile + fils d’acier), équipements sportifs (raquettes, ski...). Composites à matrices polymères : en renfort, la fibre de verre, la plus économique, est la plus utilisée. La fibre de carbone, plus coûteuse, est utilisée dans des applications plus pointues : équipement sportifs de haut niveau, aéronautique... Les fibres organiques comme les aramides (kevlar) sont un compromis entre les deux.

diamètre 0,001 mm

Rr (da N/mm2)

E (da N/mm2)

verre E

3—20

250—350

7x103

carbone

7—10

250— 700

35 x 103

aramide (kevlar)

12

270—350

11 x 103

acier

13

420

20 x 103

carbure de silicium (Si C)

3—10

2 100

43 x 103

alumine Al203

3—10

2 100

50 x 103

Fibres

7. Caractéristiques mécaniques de quelques fibres de renforcement de composites.

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8. Principaux constituants des matériaux composites.

V - Matériaux nouveaux Depuis la préhistoire, toutes les époques ont connu le développement de nouveaux matériaux : âge de pierre, âge du bronze, acier au XIXe siècle... De nos jours, les composites récents, les céramiques techniques et les métaux de pointe sont les plus prometteurs. En développement croissant, ils sont bien souvent des éléments déterminants dans la fabrication et le succès des machines les plus complexes: engins spatiaux, avions, équipements sportifs pour la haute compétition... En outre, ils pallient de plus en plus à la pénurie des ressources naturelles en matériaux traditionnels et en matériaux stratégiques : chrome, manganèse, cobalt...

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PROPRIETES DES MATERIAUX I - Propriétés physiques Homogénéité : Un matériau est homogène s'il possède, en tous points, les mêmes propriétés chimiques et physiques. La plupart des métaux et des alliages sont considérés comme homogènes. Le bois et les composites ne le sont pas, ils sont hétérogènes.

Isotropie : Un matériau est isotrope s'il présente les mêmes caractéristiques mécaniques dans toutes les directions de la matière. Les métaux et les alliages sont généralement isotropes. Les matières plastiques, les matériaux composites et le bois ne sont pas isotropes. Le bois est plus résistant dans le sens des fibres que dans le sens perpendiculaire aux fibres.

Ductilité : C'est l'aptitude qu'a un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. Elle est caractérisée par l'allongement pour cent : A% (plus A% est grand, plus le matériau est ductile). Si A% = 5% les matériaux sont considérés comme ductiles. Si A% < 5% les matériaux sont considérés comme fragiles ou "cassants". Z% (striction) et K (résilience) sont également des indicateurs. La ductilité est une propriété déterminante pour les matériaux devant être déformés à froid (emboutissage, pliage...)

Malléabilité : Cette propriété est identique à la ductilité mais appliquée à la compression. L'aluminium, le cuivre, l'or, certains laitons et certains aciers inoxydables sont très malléables (A% > 35%) et acceptent des emboutissages profonds.

Elasticité : Elle caractérise l'aptitude qu'à un matériau à reprendre sa forme et ses dimensions initiales après avoir été déformées. Un ressort, chargé normalement, a un comportement élastique. La propriété contraire est la plasticité.

Plasticité : Un matériau qui ne reprend pas sa forme et ses dimensions initiales après avoir été déformé est dit plastique. La pâte à modeler a un comportement plastique.

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La plupart des métaux et des alliages ont un comportement élastique sous charges modérées et plastique sous charges excessives.

Couleur : Facilite l’identification et protége souvent contre la corrosion (peinture ou anodisation) Masse volumique : C’est la masse du matériaux pour un certain volume (exprimé en Kg/m3, Important pour le poids des ensembles).

Conductibilité : Thermique et Électrique. C’est la capacité du matériaux à conduire ou non la chaleur et l’électricité. (En général l’un entraîne l’autre.)

Dilatabilité : C’est la capacité d’un matériau à pouvoir « gonfler ou rétrécir » en fonction de la température à laquelle il est soumis.(Très important pour les mécanismes fonctionnant à une température élevée.)

Fusibilité : Au plus un matériau est dit fusible, au plus son point de fusion est bas. (étain : très fusible, alumine : très peu fusible.)

Fluidité : Lorsqu’un matériau et dit fluide, cela veut dire qu’il est liquide comme de l’eau. Au contraire certains matériaux sont très peu fluides, ils sont visqueux.

Usinabilité : L’usinabilité, c’est la capacité d’un matériau à être travailler sur machine-outil. Soudabilité : C’est la capacité du matériau à être ou non facilement assemblé a un autre par soudage.

II - Propriétés mécaniques Résilience : Aptitude à résister aux chocs. Ténacité : Aptitude à résister aux efforts prolongés. Dureté : Aptitude à résister à la pénétration d’un autre corps. Fatigue : Aptitude à résister à des efforts variant de façon périodique. Elasticité : Aptitude à pouvoir revenir à ses dimensions d’origine après un effort.

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III - Propriétés chimiques Corrosion : Résistance à l’action de l’oxygène de l’air ou des agents chimiques.

Tableau des principales caractéristiques des métaux usuels

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MÉTAUX FERREUX - ASPECT MÉTALLURGIQUE Les aciers et les fontes sont les alliages du fer et du carbone avec éventuellement des éléments d’addition (aciers alliés). Ils sont peu coûteux (le fer, métal de base le moins cher, existe en grande quantité sur la planète) et sont facilement recyclable.

I - Alliage fer-carbone 1. Fer Le fer perd ses propriétés magnétiques au dessus de 768 °C, point de Curie, et existe sous plusieurs formes en fonction de la température (densité 7,88) :



Fer α (alpha) : il existe jusqu’à 912 °C. De structure cristalline à maille cubique centrée, il ne dissout pratiquement pas le carbone (0,022 %C à 727 °C, 0,008 %C à température ambiante). La solution fer α plus carbone dissous s’appelle la ferrite.



Fer γ (gamma) : il est stable entre 912 °C et 1 394 °C de maille cubique à faces centrées, il peut absorber, ou « dissoudre », beaucoup plus d’atomes de carbone que le fer α car les interstices sont plus nombreux entre les atomes. La proportion maximale est de 2,11 % à 1148 °C. La solution fer γ plus carbone dissout s’appelle l’austénite.



Fer δ (delta) : il est stable entre 1 394 °C et 1 538 °C ; de maille cubique centrée, il a peu d’importance sur le plan industriel.

2. Carbone Il fond à 3 500 °C et cristallise sous trois formes possibles : le graphite, le diamant et le noir de fumée.

3. Alliage fer-carbone Alliés avec le fer, les atomes de carbone remplissent plus ou moins les interstices, ou les vides, laissés entre les atomes de fer de chaque maille. Les caractéristiques de la structure de base sont modifiées, le fer devient acier ou fonte avec de meilleures propriétés. Sous certaines conditions d’équilibre, le carbone peut s’amalgamer, sans dissolution, au fer pour former du carbure Fe3C ou cémentite qui contient 6,67 %C, pourcentage maximal d’absorption. C.D.C. – G.M.

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II - Diagramme fer-cémentite (Fe - Fe3C)

1. Diagramme fer-carbone (Fe-Fe3C ou fer-cémentite).

Ce diagramme est très utile pour comprendre les aciers, les fontes et les traitements thermiques. Il est limité à droite par la cémentite (6,67 %C, matériau fragile, cassant, très dur) et fait apparaître les deux grandes familles de métaux ferreux les aciers (entre 0,008 et 2,1 %C) et les fontes (de 2,1 % à 6,67 %C). Ligne A1 (727 °C) : elle marque la fin de la transformation de la perlite, mixture de fer contenant 0,77 %C, en austénite ; au-dessus de 727 °C la perlite n’existe plus. C.D.C. – G.M.

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Ligne A3 : elle précise la fin de la transformation de la ferrite en austénite la ferrite n’existe plus au dessus de cette ligne. Ligne Acm : elle indique la fin de la dissolution, après dissociation, de la cémentite dans l’austénite lorsque celle-ci existe. Symboles A, r, et c : ils sont normalisés, aux normes internationales. Le symbole A est utilisé pour arrêt, r pour refroidissement et c pour chauffage. Exemples : Ar1 signifie passage de la ligne A1 lors d’un refroidissement ; Ac3 passage de A3 lors d’un chauffage ; passage de Acm lors d’un chauffage...

III - Aciers au carbone Lorsque les refroidissements sont suffisamment lents, l’austénite se transforme d’abord en ferrite qui, compte tenu des interstices plus petits de sa maille, ne peut pas absorber tous les atomes de carbone libérés. En conséquence, au fur et à mesure que la température diminue, une partie du carbone libéré se combine avec les atomes de fer pour produire de la cémentite. Cette cémentite s’agglomère avec la ferrite précédente pour donner la perlite. En fin de refroidissement on peut obtenir trois cas d’aciers. 1. Acier eutectoïde (0,77 %C) Toute l’austénite initiale est précipitée en perlite : un seul constituant de base contenant 0,77 %C. 2. Aciers hypoeutectoïdes (0,008 à 0,77 %C) Ce sont les plus utilisés industriellement ; ils ont deux constituants de base, la perlite et la ferrite. Au refroidissement l’austénite se transforme d’abord en perlite, mais comme il n’y a pas assez d’atomes de carbone pour n’obtenir que de la perlite, il reste toujours une certaine quantité de ferrite dont la proportion est fonction du pourcentage de carbone initial.

Exemples : un acier à 0,4 %C contient 45 % de perlite et 55 % de ferrite un acier à 0,6 %C contient 79 % de perlite et 21 % de ferrite...

3. Aciers hypereutectoïdes (entre 0,77 et 2,11 %C) Ils ont deux constituants de base, la perlite et la cémentite. Tout le carbone initial ne pouvant être dissous et consommé par la perlite, les atomes restants s’amalgament avec le fer pour

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former de la cémentite, dans des proportions qui sont fonction du pourcentage de carbone initial. Exemples : un acier à 1,2 %C contient 6 % de cémentite et 94 % de perlite ; un acier à 1,4 %C contient 9,5 % de cémentite et 90,5 % de perlite...

2. Microstructures des aciers en fonction du pourcentage de carbone (grossissement x 400).

IV - Traitements thermiques dans la masse La structure et les propriétés mécaniques (Rr, Re, H, A%, K) des aciers peuvent être modifiées par un chauffage suivi d’un refroidissement à durée contrôlée. Ce sont les traitements thermiques dans la masse trempes, revenus et recuits. Les transformations sont effectuées près des lignes A1, A3 et Acm du diagramme fer carbone.

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3. Dans le cas des traitements thermiques dans la masse (trempe, revenu, recuit...), le traitement évolue de la surface jusqu’au coeur de la pièce.

4. Traitements thermiques des aciers et diagramme fer carbone ou fer cémentite (Fe – Fe3C).

1. Trempe, ou durcissement par trempe a) Principe Lorsque la vitesse de refroidissement est suffisamment rapide les atomes de carbone n’ont plus le temps de diffuser et les transformations décrites dans les paragraphes précédents n’ont plus le temps de se réaliser. L’austénite n’a plus le temps de perdre son carbone et ne peut se transformer ni en ferrite ni en perlite. La solution de fer obtenue, sursaturée en carbone, est appelée martensite ; elle est très dure, HB =750, et très fragile). C’est le constituant de base des aciers trempés. Procédé : on chauffe la pièce jusqu’à température d’austénitisation suivi d’un maintien en température afin d’homogénéiser la structure, puis on refroidit rapidement (eau, huile...). La transformation de toute l’austénite en martensite n’est possible que si la vitesse de refroidissement est suffisamment rapide.

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Dans le cas contraire il y a formation d autres constituants plus tendres : bainite, perlite...

Propriétés : elle augmente Rr, Re et H mais diminue K et A %. Elle amène aussi l’apparition de tensions internes génératrices de criques et de déformations.

5. Évolution des caractéristiques après trempe ou revenu.

6. Constituants des aciers suivant la vitesse de refroidissement cas de l’acier eutectoïde à 0,77 % C.

Hypertrempe : elle se produit chaque fois que la température de trempe est trop élevée. La conséquence est la persistance, après refroidissement, d’une grande quantité d’austénite résiduelle adoucissant l’acier. b) Trempes étagées Si une trempe classique, refroidissement en une seule opération, est trop brutale (risques de déformations et de fissurations des pièces) on pratique une trempe étagée avec refroidissement en plusieurs étapes. Les trempes étagées martensitique et bainitique sont les plus utilisées.

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c) Recommandations pour la conception des pièces trempées Eviter les arêtes vives, les brusques variations d’épaisseurs ou de sections (à l’origine de contraintes résiduelles, criques, fissures...). Ne pas perdre de vue que la transformation de l’austénite en martensite s’accompagne d’un accroissement de volume de 4 %. d) Trempabilité

7. Essai Jominy de trempabilité. NE EN ISO 642.

8. Éprouvette Jominy avec préparation et mesures, après trempe.

Elle est mesurée par l’essai normalisé Jominy. Lorsque les pièces sont massives elles sont difficiles à refroidir rapidement dans leur totalité. L’intérieur de la pièce, refroidi en dernier, plus lentement, est le plus difficile à tremper. Un acier a une bonne trempabilité s’il permet la trempe, même à coeur, des pièces massives.

9. Nature des constituants d’une pièce massive dans le cas d’une pénétration de trempe difficile.

Cas des aciers au carbone non alliés, de type C ou XC : leur trempabilité varie du médiocre au mauvais si le pourcentage de carbone (%C) diminue.

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Entre 0,4 et 0,7 %C la pénétration de la trempe se limite à une profondeur de 20 mm environ. Ceux au-dessous de 0,35 %C ne sont pas considérés comme trempables.

Les pourcentages les plus favorables, de 0,35 à 0,7 %C, permettent une certaine dureté tout en conservant une ductilité et une résilience acceptables. Au-dessus de 0,7 %C les aciers, assez délicats à mettre en oeuvre, sont moins utilisés. Les refroidissements rapides créent des contraintes internes très élevées, causes de criques, fissurations et déformations. Les aciers XC sont plutôt utilisés pour des pièces « petites », de faibles volumes, ou minces.

Cas des aciers alliés : leur trempabilité est nettement supérieure aux précédents. Les éléments d’addition permettent, à résultat égal, de diminuer notablement les vitesses de refroidissement (vitesses critiques de trempe). Cette propriété favorise la pénétration de la trempe en profondeur. De plus, après un revenu, ces aciers peuvent avoir une bonne résilience, ce qui est impossible avec les aciers au carbone (de type C ou XC...). Les éléments d’addition qui augmentent le plus la trempabilité sont : le bore, le manganèse, le molybdène, le chrome, le silicium, et le nickel.

10. Courbes de trempabilité de quelques aciers.

2. Revenu a) Principe Après trempe, la martensite, très dure et très fragile, est pratiquement inutilisable en l’état, Afin de corriger l’effet de fragilisation, tout en conservant un bon ensemble de caractéristiques (Rr, Re, H), on pratique un revenu.

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Procédé : il s’applique aux pièces trempées et consiste

en

un

chauffage,

à

température

inférieure à 700 °C, suivi d’un maintien en température pour homogénéiser la structure, puis d’un

refroidissement

lent

et

contrôlé.

Le

traitement permet d’amener les caractéristiques mécaniques au niveau souhaité. Propriétés : augmentation de K et de A% ; atténuation

des

contraintes

internes.

Inconvénients: diminution de H, de Rr et Re. Les résultats

dépendent

essentiellement

de

la 11. Évolution typique des caractéristiques mécaniques en fonction de la température de revenu.

température de réchauffage.

b) Principaux revenus Un réchauffage jusqu’à 220 °C élimine les contraintes internes et est pratiquement sans effet sur la dureté. Un accroissement de la température amènera un adoucissement de plus en plus grand du métal, une dureté plus basse et une plus grande ductilité. Les températures de revenu les plus usuelles sont comprises entre 500 et 675 °C.

12. Structure schématique des aciers après trempe et revenu.

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3. Recuit a) Principe Son effet est inverse de celui de la trempe. Le métal est amené au maximum de ses caractéristiques de ductilité : A% et K maximales, Rr et H minimales. La structure obtenue, perlite et ferrite, présente une meilleure usinabilité. Procédé : Le procédé consiste en un chauffage au-dessus de la température d’austénitisation suivi d’un maintien en température pour homogénéiser la structure, puis d’un refroidissement lent.

b) Différents recuits 

Recuit d’homogénéisation : il détruit l’hétérogénéité chimique des aciers bruts de coulée.



Recuit de régénération il affine et uniformise le grain du métal.



Recuit de détente il fait disparaître les contraintes internes après moulage ou soudage.



Recuit de recristallisation : pour les aciers forgés ou écrouis.



Recuit complet : il facilite l’usinage et la déformation à froid en faisant disparaître les constituants les plus durs.

Sur le plan industriel une même opération de recuit peut englober les caractéristiques des cinq cas précédents.

V - Influence des éléments d’addition Ajoutés en quantité suffisante, ils augmentent plus ou moins fortement la trempabilité et ont également une influence sur les caractéristiques mécaniques (Rr, H, A%, K), la résistance à la corrosion, la soudabilité, la coulabilité, la forgeabilité, l’usinabilité, le magnétisme... La solubilité, pourcentage de dissolution admissible, dépend de la structure du fer. Symboles métallurgiques pages 10. Aluminium : désoxydant, il diminue le grain et augmente légèrement la trempabilité. II est l’élément d’addition des aciers de nitruration. Bore : améliore la trempabilité des aciers à pourcentage de carbone faible et moyen. Chrome : élément qui augmente le plus la résistance à la corrosion et à l’oxydation. Cobalt : permet une grande dureté à chaud par durcissement de la ferrite. Manganèse : neutralise la fragilité engendrée parles sulfures et augmente fortement la trempabilité. Molybdène : augmente fortement la trempabilité, favorise un grain plus fin, neutralise en partie la fragilité due à la trempe, augmente la résistance et la dureté à chaud, la résistance à l’abrasion, la résistance à la corrosion des aciers inoxydables.

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Nickel : renforce la résistance des aciers non trempés ou recuits, rend plus résilients les aciers ferritiques-perlitiques, surtout aux basses températures, rend austénitiques les aciers ayant un pourcentage de chrome élevé. Phosphore : renforce la résistance des aciers à bas pourcentage de carbone. Plomb : (0,15 à 0,35%): améliore l’usinabilité. Silicium : utilisé comme désoxydant, c’est l’élément d’alliage des aciers évocation électrique (diminution du magnétisme). Il améliore la résistance des aciers faiblement alliés et la trempabilité des aciers sans trace de graphite. Soufre : considéré en général comme une impureté (formation de sulfure de fer entraînant des ruptures). Tungstène : entraîne la formation de particules très dures et très résistantes à l’abrasion (aciers à outil) et améliore lu dureté et la résistance à température élevée. Vanadium : favorise un grain plus fin, augmente la trempabilité, s’oppose fortement à la détrempe pendant le revenu.

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ACIERS ET FONTES

Les aciers sont des matériaux contenant en masse plus de fer que tout autre élément et dont la teneur en carbone est inférieure à 2 % (ou 2,1 %), limite courante les séparant des fontes. La normalisation (NF EN 10020) retient trois familles principales d’aciers les aciers non alliés (aucun élément d’alliage ne dépasse 0,6 % ; sauf 1,65 % pour Mn), les aciers inoxydables (10,5% de chrome minimum et 1,2 % de carbone maxi) et les autres aciers alliés. De prix compétitif, mieux adaptées au moulage que les aciers, du fait d’une plus grande fluidité à chaud et de températures de fusion inférieures (≃ 1200 °C contre 1500 °C), les fontes sont régulièrement utilisées. L’ordre des paragraphes prend en compte la désignation des matériaux.

I - Aciers non alliés « Aciers au carbone » 1. Aciers non alliés d’usage général (S, E, etc.) Caractérisés par une faible teneur en carbone, ce sont les plus utilisés. Ils existent dans des qualités diverses (JR, JO, J2, K2...) et des variantes réservées à des usages particuliers (moulage, soudage...).

Propriétés spécifiées : ténacité, formabilité, grosseur de grain...

La plupart sont disponibles sous forme de laminés marchands (profilés, poutrelles, barres, tôles...) aux dimensions normalisées. Certains sont proposés en semi-fini : prélaqués, galvanisés, nervurés, ondulés, etc. Normes : NF EN 10027 A02-005-3, etc.

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1. Laminés marchands.

Applications (construction soudée, formage à froid ou à chaud, emboutissage, étirage, laminage, pliage...): carrosseries, fers et profilés pour le bâtiment, construction navale, plateforme

pétrolière,

trains,

chaudronnerie,

ameublement,

électroménager,

biens

de

consommation... a) Désignation normalisée Lettre (S, E, etc.) suivie de la limite élastique à la traction Re en MPa ou N/mm2. S’il s’agit d’un acier moulé la désignation est précédée de la lettre G. Exemple : GE 335, GS 235, etc.

Le laminage est un procédé de fabrication par déformation plastique. Il concerne différents matériaux comme du métal ou tout autre matériau sous forme pâteuse comme le papier ou les pâtes alimentaires. Cette déformation est obtenue par compression continue au passage entre deux cylindres contrarotatifs appelés laminoir.

Un laminoir est une installation industrielle ayant pour but la réduction d'épaisseur d'un matériau (généralement du métal). Il permet également la production de barres profilées (produits longs). Laminoirs à chaud

Le laminage à chaud a pour but de mettre en forme le matériau. Son principal avantage est la modification des caractéristiques mécaniques dans le sens de l'étirement.

Laminage des produits plats Il existe de nombreux types de laminoirs dans l'industrie sidérurgique : -

Laminoir à plaque (plate mill) pour des produits de quelques mètres de largeur et de longueur et de plusieurs centimètres d'épaisseur ;

-

Laminoir dégrossisseur (roughing mill) pour la réduction d'épaisseur des brames sans besoin de précision : transforme un produit issu de l'acierie (la brame, sorte de pavé d'acier de 10 cm à 20 cm d'épaisseur) en coil (bobine de métal enroulée à chaud) ayant une épaisseur de 2 cm maximum ;

-

Laminoir vertical (edger) pour la mise à largeur des produits (souvent couplé à un laminoir dégrossisseur) ;

-

…

Principe C.D.C. – G.M.

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Matériaux

Le principe du laminage est celui du coin tournant. Après passage dans un four de réchauffage qui porte les brames à plus de 1 300 °C, le métal est acheminé sur des rouleaux motorisés. Progressivement, par un passage successif dans différentes cages équipées de cylindres refroidis à l'eau le métal perd en épaisseur et gagne en longueur. Laminage des produits longs Les blooms ou billettes issues de la coulée en lingots ou de la coulée continue sont transformés en poutrelles, profilés, rails, barres, tubes ou fils.

Laminoirs à froid

C'est lors du laminage à froid que le métal voit ses caractéristiques mécaniques changer. En effet, l'écrouissage local (déformation plastique) augmente la zone de déformation élastique, la limite d'élasticité est repoussée, mais la résistance à la rupture est constante (il s'agit d'une propriété interne du matériau). Le laminage à froid est généralement réservé aux produits plats (tôles d'acier). Il transforme un produit laminé à chaud en bobine de métal de fine épaisseur (moins de 3 mm). Il existe principalement deux types de laminoirs à froid :

Le laminoir monocage réversible (le plus simple, la bande passe plusieurs fois dans la même cage de laminoir) ; Le tandem (le plus compliqué, constitué de plusieurs cages (de 4 à 6) au travers desquelles la bande passe simultanément). Le pilotage de ce genre de laminoir est difficile à cause de l'interaction entre les cages. On notera qu'il existe aussi des laminoirs réversibles à deux cages, mais ce sont des exceptions notables dans le parc mondial des laminoirs. Il peut être suivi d'opérations de revêtement après recuit et écrouissage. Comment fabrique-t-on l’acier ? Un processus de transformation en 3 étapes

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2. processus de transformation de l’acier

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3. Formage par déformation

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b) Principales nuances normalisées Remarques : les valeurs de Rr, Re, A % et KV indiquées varient d’une qualité à l’autre, dépendent des procédés de fabrication, des traitements, des épaisseurs d’un produit à l’autre.

4. Désignations des aciers au carbone.

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5. Exemple d’objets utilisant des aciers au carbone.

(Entre parenthèses ancienne désignation).

2. Aciers spéciaux, non alliés, de type C Destinés aux traitements thermiques (trempe, cémentation) des pièces petites ou moyennes, ils sont caractérisés par un ajustement précis de leur composition, une plus grande pureté et des éléments d’addition en très faible quantité (Mn < 1 % ; Cr + Ni + Mo < 0,63 %).

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a) Désignation Lettre C suivie du pourcentage de carbone multiplié par 100 plus au besoin des indications complémentaires (E = teneur en souffre, C = formage à froid, S = ressort, D = tréfilage...). Exemple : GC 35 E (0,35 % de carbone, G = acier moulé, E = teneur maxi en souffre).

b) Principales nuances normalisées Les caractéristiques mécaniques varient selon les traitements et les dimensions (voir tableau p. 47).



Aciers à faible teneur en carbone (< 0,3 %) : ils sont réservés à la cémentation et aux traitements de surface (catégorie des aciers “doux “).



Aciers à teneur moyenne en carbone (0,3 à 0,5 %) : ils sont utilisés pour les trempes et les revenus, dans le cas d’applications exigeant une plus grande résistance et une certaine tenue à l’usure (catégorie des aciers” mi-dur “).

Applications : pièces moulées et forgées, arbres, axes, engrenages, visserie...



Aciers à haute teneur en carbone (> 0,5 %) : ils sont employés pour des applications exigeant : grandes duretés, hautes résistances, tenue à l’usure. Ils ont tendance au gauchissement et aux déformations après trempe. Ils perdent leurs propriétés aux hautes températures. Ne durcissant pas en profondeur ils sont surtout utilisés pour des pièces « petites » en volume, ou minces.

Exemples de nuances : C 55 (XC 55) ; C 60 ; C 65 ; C 70 ; C 80 (XC 80).

Applications : pièces forgées, ressorts, lames, rasoirs, forets, matrices...

II - Aciers faiblement alliés, pour haute résistance Pour ces aciers, aucun élément d’addition ne dépasse 5 % en masse (Mn 1 %). Ils sont choisis chaque fois qu’une haute résistance est exigée. Ils sont utilisés en l’état ou avec traitement.

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1. Désignation normalisée Pourcentage de carbone multiplié par 100, suivi des symboles chimiques des principaux éléments d’addition classés en ordre décroissent. Puis, dans le même ordre, les pourcentages de ces mêmes éléments multipliés par 4, 10, 100 ou 1000 (voir détails figure 4), plus au besoin des indications complémentaires. Exemple : G 35 NiCrMo 16 (0,35 % de carbone ; 4 % de nickel et des traces < 1% de chrome et 6. Désignation des aciers faiblement alliés.

de molybdène, G acier moulé).

2. Aciers de cémentation (% C < 0,2 %) En plus de la cémentation, ils peuvent recevoir une trempe dans la masse : trempabilité fonction de la composition (Voir cémentation, chapitre 7 : Traitements de surface).

Classement, par résistances « sous-couche » croissantes : 10NiCr6, (20NiCrMo2–13NiCr14), (20NiCrMo7–20NiCrMo2), (16NiCrMo13–25MnCr5–20NiCr6). 10NiCr6 est un acier doux comparable à la nuance C22 mais en plus résilient. 3. Aciers pour trempe dans la masse Ils permettent la trempe en profondeur des pièces massives, et sont beaucoup plus performants que les aciers C.

Classement par résistances croissantes possibles : 28Mn6, (20MnCr5–38Cr2–46Cr2–20NiCr6– 20CrMo4), (41Cr4–30NiCr11–34CrMo4–41CrAlMo7) – (55Si7–45SiCrMo6), (42CrMo4–51CrV4 –50CrMo4), (34CrNiMo6–31CrMo12–3CrNiMo8–36NiCrMo16). Remarques : 20Mn5 est un acier mi-doux semblable au C25 en plus trempant. L’acier pour roulements 100Cr6 existe dans les variantes 100CrMn6, 100CrMo7.2, 100CrMnMo8, etc.

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III - Aciers fortement alliés Ils sont destinés à des usages particuliers (inoxydable...). Pour ces aciers au moins un élément d’addition dépasse la teneur de 5 % en masse. 1. Désignation Lettre X, symbolisant la famille, suivie des mêmes indications que pour les aciers faiblement alliés. Seule différence : pas de coefficient multiplicateur pour le pourcentage des éléments d’addition (ni 10, ni 4, ...). Exemple : GX 6CrNiTi 18–11 (0,06 %C ; 18 % de chrome ; 11 % de nickel et des traces de titane (< 1%), G pour acier moulé). 7. Désignation des aciers fortement alliés.

2. Aciers inoxydables Famille très importante, caractérisée par une grande résistance à la corrosion, à l’oxydation à chaud, au fluage et subdivisée suivant la teneur en nickel (2,5 %). a) Aciers inoxydables austénitiques Ces aciers, les plus utilisés, sont les plus résistants à la corrosion (Ni 7 %). Leurs caractéristiques sont : tenue aux températures élevées et à l’écaillage ; ductilité (A % élevé) ; résilience ; faciles à forger et à souder ; usinabilité médiocre. Ils peuvent être durcis par corroyage (écrouissage) mais pas par trempe. Leur degré de dilatation est élevé et leur conductibilité

thermique

assez

basse.

Nombreuses nuances. Applications (chimie, alimentaire, transports, nucléaire...) : pièces embouties, chaudronnées, cuves, réservoirs, armatures, conduites, vannes, visserie,...

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b) Aciers inoxydables ferritiques Ils sont toujours ductiles, ne durcissent ni par trempe (C < 0,08 %) ni par écrouissage : ils sont faciles à étirer, former, plier, forger, rouler (Ni < 1 %). Propriétés : les plus économiques, usinabilité médiocre, soudabilité moyenne ; peu résilients et faible résistance à la rupture (Rr) sous températures élevées. Applications : équipements ménagers, décoration intérieure, automobiles, mobiliers... c) Aciers inoxydables martensitiques (0,08  C  1 %) Résistent aux chocs, durcissent par trempe, sont soudables à chaud, faciles à forger, ont une bonne usinabilité et de bonnes caractéristiques mécaniques à température élevée (Ni < 7 %), et résistent moins à la corrosion que les précédents. X30Cr13 existe en X12Cr13, X20Cr13, X39Cr13, X46Cr13 et X12CrS13. Applications : composants divers (toutes industries), couteaux, ressorts...

d) Aciers inoxydables à durcissement par précipitation Comme les martensitiques en plus résistants à la corrosion. 3. Autres familles 

Aciers à outils : aciers rapides ; exemples : X160CrMoV12 (Z160CDV12) ; HS 6-5-3-8.



Aciers réfractaires : pour hautes températures ; exemples : X12NiCrSi35–16, X8CrNi25–11 (austénitiques) ; X10CrAISi13, X18CrN28 (ferritiques)...



Aciers Maraging : très hautes résistances pour l’aéronautique, Rr proche de 200 daN/mm2 ; exemple : X2NiCoMo18 (Z2NKD18).



Aciers Hadfields : au manganèse ; très grande résistance à l’usure la dureté superficielle peut atteindre 500 HB sous l’effet des chocs ; exemple X120Mn12 (Z120M12).



Aciers pour roulements, pour appareils à pression...

IV - Fontes Leur grande coulabilité permet d’obtenir des pièces de fonderie aux formes complexes. A cause du pourcentage élevé de carbone qu’elles contiennent, entre 2 et 4 %, elles sont en général assez fragiles, peu ductiles (inadaptées aux déformations à froid : forgeage, laminage...) et difficilement soudables.

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Matériaux

8. Désignation des fontes NF EN 1560.

1. Fontes à graphite lamellaire EN–GJL (ex. « FGL ») Les plus économiques, les plus utilisées, ce sont les fontes de moulage par excellence. Le carbone se présente sous forme de fines lamelles de graphite qui lui donne une couleur « grise ». Propriétés : bonne coulabilité ; bonne usinabilité grande résistance en compression et grandes capacités d’amortissement des vibrations. Norme NF EN 1561. Applications : bâtis de machine, supports, carters, blocs-moteurs...

2. Fontes à graphite sphéroïdal EN-GJS (ex. « FGS ») Ce sont les plus utilisées après les fontes à graphite lamellaire, obtenues par addition de petites quantités de magnésium juste avant moulage ; le graphite s’agglomère pendant le traitement sous forme de nodules ou sphères. Norme NF EN 1563. Propriétés : ductilité, résilience et usinabilité. Applications : vilebrequins, arbres de transmission, pièces de voirie, tuyauteries...

3. Fontes malléables EN-GJMW et GJMB (ex « FMB et FMN ») Elles sont obtenues par malléabilisation de la fonte blanche (paragraphe 4) – sorte de recuit – et ont des propriétés mécaniques voisines de celles de l’acier. Elles peuvent être moulées en faibles épaisseurs et sont facilement usinables. Applications : carters, boîtiers... NF EN 1562.

9. Microstructures des fontes usuelles. C.D.C. – G.M.

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Matériaux

4. Autres familles Fontes blanches (FB) : à base de perlite et de cémentite (carbures Fe3C), elles sont très dures, fragiles, résistantes aux frottements, à l’abrasion

et

aux

températures

élevées.

Difficiles à usiner, les applications sont limitées. Fontes alliées : elles peuvent être à graphite lamellaire, sphéroïdal ou blanches (EN–GJN) et sont destinées à des usages particuliers. Principaux éléments d’addition : nickel, cuivre, chrome, molybdène et vanadium. Ces éléments contrôlent plus ou moins la formation du graphite et développent des propriétés particulières.

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Principales fontes : teneur en % fontes malléables fontes à coeur noir fontes à coeur (EN-GJMB) blanc (EN-GJMW)

fontes à graphite lamellaire (EN-GJL)

fontes à graphite sphéroïdal (EN-GJS)

carbone

2,5 – 4,0

3,0 – 4,0

2 – 2,8

2,7 – 3,2

1,8 – 3,6

silicium

1,0 – 4,0

1,8 – 2,8

0,9 – 1,7

0,6 – 0,9

0,3 – 2,6

manganèse

0,2 – 1,0

0,1 – 1,0

0,25 – 0,65

0,2 – 0,45

0,2 – 1,5

soufre

0,02 – 0,1

< 0,03

0,06 – 0,25

0,08 – 0,2

0,06 – 0,2

phosphore

0,04 – 1,0

< 0,10

0,08 – 0,25

0,05 – 0,2

0,06 – 0,18

ferrite

ferrite

éléments (teneur en %)

structure dominante de la matrice

– – – –

ferrite perlite + ferrite perlite perlite + carbures

– – – –

ferrite perlite + ferrite perlite + baïnite perlite + ferrite + martensite

fontes blanches (EN-GJN)

– perlite – cémentite

perlite pour la structure perlitique MP

10. Exemple d’objets utilisant des aciers faiblement et fortement alliés ainsi que des fontes alliées. C.D.C. – G.M.

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