Les Matériaux Et Leur Désignation

 

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La définition compète compète d’un d’une e pièce méc mécanique anique exige la détermin détermination ation de sa forme, de ses dimensions et de sa matière.

Le choix d’un matériau dépend de plusieurs critères :  :    Caractéristiques mécaniques : limite élastique, masse, dureté, résilience…   résilience…   Caractéristiques Caractéristiques physico-chimiques  physico-chimiques : comportement à la corrosion, vieillissement vieillissement… …    Caractéristiques de mise en œuvre : usinabilité, soudabilité, trempabilité…   trempabilité…







  Caractéristiques économiques : prix, disponibilité, expérience industrielle…   industrielle…



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1.  Familles de matériaux On peut regrouper les matériaux en familles :

LES MATERIAUX METALLIQUES    Les fontes  Ferreux  Les aciers non alliés Les aciers alliés

Non ferreux

 



 L’ aluminium aluminium et ses alliages

 Le

cuivre et ses alliages

LES POLYMERES    

Naturels (bois, caoutchouc, ...)

 

Synthétiques

 Les thermoplas thermoplastiques tiques  Les thermodurcissables



Les élastomères

LES CERAMIQUES 

LES COMPOSITES 

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2.  Les essais de matériaux Les caractéristiques mécaniques font partie des critères de choix des matériaux. Afin de déterminer celles-ci celles-ci à priori (pour la conception d’un produit par exemple) ou à posteriori (pour vérifier la qualité d’un matériau en contrôle réception par exemple), on réalise des essais mécaniques dont les plus usités sont: Essai de traction : Cet essai permet de caractériser la limite d’élasticité et la résistance à la rupture d’un matériau. En d’autres mots, on cherche à qualifier la propriété de certains matériaux (essentiellement des métaux) de pouvoir être étirés et allongés sans se rompre.

Essai de dureté : Cet essai consiste à déformer la surface d’une pièce par application d’un effort connu exercé par un élément « pénétrant » de forme variable en fonction du type d’essai.  d’essai.  

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Essai de choc : Cet essai destructif permet de caractériser la tenue aux chocs d’ un un matériau appelée également la résilience.

Essai de fatigue : Cet essai destructif permet de caractériser la tenue aux sollicitations d’un matériau mis en forme. On essaie alors de se rapprocher au plus près de la sollicitation qu’il subira dans son application. application. On comptabilise un nombre de cycles avant rupture.

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2.1 Essai de traction Il consiste à « tirer » sur une éprouvette de longueur et de diamètre normalisée, réalisée dans le matériau à tester et ce, jusqu’à sa rupture.  rupture. 

L’essai de traction est donc un essai destructif.

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Durant cet essai, on enregistre la courbe donnant l’intensité de la force de traction en Newton et l’allongement de l’éprouvette.

Sur cette courbe, on peut identifier plusieurs zones : -  Zone OA : Domaine élastique  C’est une zone linéaire (une droite). La charge est donc proportionnelle à l’allongement de l’éprouvette. Dans cette zone, si l’on interrompt l’effort, l’éprouvette reprend sa longueur initiale.  initiale.   -  Zone AD : Domaine plastique  plastique  Si on supprime la charge, la déformation est permanente. -  Zone AB : Domaine de grand glissement g lissement  

-  Zone CD : Striction  Striction  AFPI Eure

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-  Les points remarquables de la courbe sont :   Le point A qui correspond à une action mécanique d’intensité Fe. C’est la charge maximale élastique admise par l’éprouvette dans le

o

domaine élastique. On note :

Re = Fe /S0, c’est la limite élastique  élastique 

Avec S0, la section initiale de l’éprouvette l’éprouvette   Re est exprimé en Méga pascal ou en N/mm2    Le point C qui correspond à une action mécanique d’intensité Fr qui est la charge maximale admise par l’éprouvette pendant l’essai.  l’essai. 

o

Rm = Fr / S0, c’est la limite à la rupture On note : admise par le matériau. 2

Rm est exprimé en Méga pascal ou en N/mm   On note A% = 100 x (Lult – L0) / L0

A% est l’allongement exprimé en pourcentage.  pourcentage.  Si A% > 5%, le matériau est considéré comme ductile. Si A% < 5%, le matériau est considéré comme fragile.

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Exercice : Classer les matériaux dans la catégorie ductile ou fragile. f ragile.

Fragile

Ductile

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2.2 Essai de dureté Cet essai permet de qualifier la capacité d’un matériau à résister à la pénétration (Un matériau très dur ne se raye pas = le diamant). a)  Mesure de dureté par rebondissement : Cet essai est principalement utilisé pour tester la dureté des caoutchoucs et des élastomères. Pour cela on laisse chuter bien verticalement et d'une hauteur fixe une petite masse d'acier terminée par un diamant arrondi. La masse est guidée dans sa chute par un tube lisse. La dureté est évaluée ensuite d'après la hauteur du rebond et exprimée en shore. Dans le cas d'un objet extrêmement mou, la pointe s'enfonce et ne rebondit pas. Les appareils sont en principe étalonnés pour obtenir une dureté de 100 pour un acier trempé à 0,9 % de carbone et d'environ 35 pour les aciers doux. Notons cependant que les résultats d'un essai effectué au moyen d'un duromètre Shore dépendent beaucoup de l'état de surface de la pièce testée. Pour garantir des mesures reproductibles, la masse de la pièce à mesurer doit être beaucoup plus importante que la masse du pénétrateur.

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b)  Mesure de dureté par pénétration intense : Il s'agit des essais les plus couramment pratiqués. Le principe est toujours identique : un pénétrateur indéformable laisse une empreinte dans le matériau à tester. On mesure les dimensions de l'empreinte et on en déduit la dureté.

Essai de dureté Brinell Principe : L'essai consiste à faire pénétrer en appliquant une force F un pénétrateur ayant une forme de bille dans un métal afin d'en déduire la dureté de ce matériau. HB : dureté Brinell D : diamètre du pénétrateur (mm) d1 et d2 : mesure de l'empreinte réalisée à 90° (mm) h : profondeur (mm) F : charge d'essai (N) g : accélération de la pesanteur

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Essai de dureté Vickers Principe : La mesure de dureté Vickers V ickers se fait avec une pointe pyramidale normalisée en diamant de base carrée et d'angle au sommet entre faces égal à 136°. L'empreinte a donc la forme d'un carré ; on mesure les deux diagonales d1 et d2 de ce carré à l'aide d'un appareil optique. On obtient la valeur d en effectuant la moyenne de d1 et d2. C'est d qui sera utilisé pour le calcul de la dureté. La force et la durée de l'appui sont également normalisées. HV : dureté Vickers d1 et d2 : mesure de l'empreinte réalisée à 90° (2 diagonales du carré de l'empreinte) (mm) F : charge d'essai (N) g : accélération de la pesanteur

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Essai de dureté Rockwell Principe : Les essais de dureté Rockwell sont des essais de pénétration. Il existe en fait plusieurs types de pénétrateurs qui sont s ont constitués d'un cône en diamant ou d'une bille en acier trempé polie. Pour obtenir une valeur de dureté Rockwell, on mesure une pénétration rémanente du pénétrateur sur lequel on applique une faible charge. L'essai se déroule en trois phases : Application sur le pénétrateur d'une charge initiale F0= 98 N (soit 10 kgf. Le pénétrateur s'enfonce d'une profondeur initiale I. Cette profondeur étant l'origine qui sera utilisée pour mesure la dureté Rockwell. R ockwell. Application d'une force supplémentaire F1. Le pénétrateur s'enfonce d'une profondeur de P. Relâchement de la force F1 et lecture de l'indicateur d'enfoncement. La valeur de r étant l'enfoncement rémanent obtenu en appliquant puis en relâchant la force F1. La valeur de dureté est alors donnée par la formule suivante :

Échelle B, E et F :

/ 0,002

(idem pour échelles

Echelle C :

/ 0,002 

(idem pour échelles A et D)

Principe de la dureté Rockwell (échelle B, bille en acier) 

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Une unité de dureté Rockwell R ockwell correspondant à une pénétration de 0,002 mm Tableau de choix des échelles Rockwell:

Tableau comparatif des différents essais de dureté :

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2.3 Essai de résilience L'essai de flexion par choc sur éprouvette entaillée Charpy a pour but de mesurer la résistance d'un matériau à la rupture brutale. Il est fréquemment appelé essai de résilience. résilience.

Caractéristiques des éprouvettes

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3.  La désignation des matériaux métalliques 3.1  Les aciers (NF EN 10027-1) La norme a retenu deux groupes d’aciers. d’aciers.  

Groupe 1 : aciers désignés à partir de leur emploi et de leurs caractéristiques mécaniques ou physiques. · Aciers de construction : Le symbole S est suivi d’un nombre égal à la valeur minimale de la limite élastique en N/mm2 (Re) : exemple : S235 · Aciers de construction mécanique : Le symbole E est suivi d’un nombre égal à la valeur minimale de la limite élastique en N/mm2 (Re) : exemple : E335

Si l’acier est spécifié sous l’aspect d’une pièce moulée, sa désignation doit être précédée d’un G : exemple : GS 235  235 

Groupe 2 : aciers désignés à partir de leur composition chimique  

Aciers non alliés de teneur en manganèse inférieure à 1% (sauf aciers de décolletage)

La désignation comprend la lettre C suivie d’un nombre égal a 100 fois la teneur en carbone. Exemple : C35 (0.35% de carbone) Si l’acier est spécifié sous l’aspect d’une pièce moulée, sa désignation doit être précédée d’un G : exemple : GC 35  

Aciers faiblement alliés

Teneur en manganèse >1% Teneur de chaque élément 5%  >5%   La désignation commence par la lettre X suivie de la même désignation que celle des aciers faiblement alliés, à l’exception des valeurs des teneurs qui sont des % réels. Exemple : X30Cr13 (0.3% de carbone et 13% de chrome)  

Aciers rapides

La désignation comprend : - les lettres HS - le nombre indiquant les valeurs des teneurs en W, Mo, V, Co Exemple : HS 2-9-1-8 AFPI Eure

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3.2  Les fontes (NF EN 1560) La désignation comprend 6 symboles, certains pouvant etre absents :     



         

Le symbole EN suivi d’un tiret : ENEN Le symbole GJ (G pour pièce moulée et J pour fonte) Le symbole de la structure du graphite (tableau (tab leau 1) Le symbole de la micro ou macro structure (tableau 2) Le tableau de la classification selon les caractéristiques mécaniques ou la composition chimique   Un symbole réservé pour des exigences supplémentaires.

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Exemple applications -  Fonte graphite sphéroïdal : Pièces de transmission, vilebrequin, tuyauteries   tuyauteries

-  Fonte malléable : Carters, boîtiers  boîtiers 

-  Fonte graphite lamellaire : Bâtis machines, carters… 

Désignation selon caractéristiques mécaniques : Les fontes sont désignées par des chiffres dépendant des caractéristiques mécaniques (Rm : résistance à la traction en N/mm2, A% allongement, résistance a la flexion par chocs en N/m2) Exemple : EN EN– –GJN GJN– –400 400– –185 : fonte à graphite sphéroïdal de résistance à la traction minimale de 400 N/mm2 et de résistance à la flexion par chocs de 185 N/m2.

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Désignation selon la composition chimique : La lettre X précède la composition chimique avec les mêmes symboles que pour l’acier.   l’acier. Lorsqu’elle est exigée, la teneur en carbone est indiquée en centième s de pourcent après la lettre X.

Exemple : EN-GJN-X300 CrNiSi9-5-2 : fonte blanche chrome nickel a 3% de carbone.

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3.3  Alliages d’aluminium :  La désignation symbolique est composée successiv successivement ement des éléments suivants :   

 

  le préfixe EN suivi d’un espace  espace   l’aluminium     la lettre A qui représente l’aluminium   la lettre C pour les produits moules (cast) ou W pour les produits corroyés (*) (wrought)   un tiret   tout cela suivi des symboles chimiques des éléments d’addition, d’addition,   successivement successivem ent suivis de leurs teneurs massiques prises dans l’ordre l’ordre   décroissant

Exemple : EN AC-AlSi7Mg ou EN AC-AlSi5Cu3Mn produits moulés Exemple de noms commerciaux : alpax (carters moteurs), duralumin (EN ACAlCu4Mg - construction aéronautique), aéronautique), duralinox…  duralinox… 

(*)Le corroyage est opération consistant à déformer un métal en provoquant un resserrement et une orientation des cristaux de métal par l'action d'un travail de déformation dans une ou plusieurs directions privilégiées. Le corroyage est effectué à chaud, à température modérée ou à température ambiante, et permet par déformation appropriée d'obtenir des produits ou demi-produits à la forme désirée (bloc, tôle, barre, fil, profilé). Les déformations par corroyage sont réalisées par des procédés de transformation tels que le forgeage, le laminage, le filage, le matriçage.

La désignation numérique (NF EN 573-1) des produits moulés est composée successivement successivem ent des éléments suivants :

   

  le préfixe EN suivi d’un espace  espace 

la lettre A, qui représente l’aluminium  l’aluminium     la lettre C, qui représente les produits moules (cast)   un tiret

La première partie de la désignation EN AC- est suivie de cinq chiffres représentant la compos composition ition chimi chimique. que. Les deux premie premiers rs chiffres indiquent lle e groupe d’alliages et les trois derniers sa composition chimique.

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La désignation numérique (NF EN 573-1) des d es produits corroyés est composée successivement successivem ent des éléments suivants :   le préfixe EN suivi d’un espace  espace     la lettre A, qui représente l’aluminium  l’aluminium    la lettre W, qui représente les produits corroyés (wrought)   un tiret   La première partie de la désignation EN AW- est suivie de quatre chiffres 









représentant la composition chimique et, si nécessaire, une lettre identifiant une variante nationale attribuée par ordre alphabétique. La signification des quatre chiffres est la suivante :   le premier chiffre indique le groupe d’alliages selon le tableau ci dessous   pour le groupe 1,les deux derniers chiffres indiquent le pourcentage minimal d’aluminium au-delà au-delà de 99% et le deuxième chiffre indique les modifications dans les limites d’impuretés ou dans les éléments d’addition (zé (zéro correspond a des limites d’impuretés naturelles)  naturelles)    pour le groupe 2 et 8, les deux derniers chiffres servent seulement à identifier l’alliage tandis que le deuxième chiffre indique les modifications de l’alliage (zéro correspond a l’alliage original).  original).  







Exemple : EN AW – 2024 est un alliage d’aluminium à 4% de cuivre et 1,5% de magnésium.

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3.4  Cuivre et alliages La désignation des alliages (NF A 02-009) comporte les symboles chimiques de l’élément  de base (Cu) et ceux des éléments d’alliage, suivis de nombre l’élément indiquant leur teneur (>1%). Ils sont rangés par ordre décroissant de teneurs ou par ordre alphabétique en cas d’égalité. d’égalité.   Exemple : CuTe, CuAsP, CuZn36Pb3, CuNi30Mn1Fe Alliages célèbres : laitons (Cu, Zn) et bronzes (Cu, Sn)

Annexes : Classification des aciers par emplois

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