DESIGNATION ET PROPRIETES DES MATERIAUX
IUP-GSI/M1 Projet: Guidon de moto CHANTELOT Pierre
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Les grandes classes de matériaux Aciers Aluminium Or Métaux et alliages Bronze Fontes ……... Verres Bétons Céramiques, Verres Céramiques techniques (alumine, diamant,..) Porcelaine
Matrice céramique Matériaux Composites Matrice métallique Matrice polymère
Elastomères (caoutchouc, silicones..) Polymères, Thermoplastiques (polystyrene,polyéthylène,PVC Thermodurcissables (Résines) Mousses (polystyrène expansé)
Bois Soie Matériaux Naturels Coton, Cuir Papier
On estime entre 100000 et 150000 matériaux disponibles pour l’ingénieur, de nouveaux apparaissent tous les ans. Guidon de moto
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Les grandes classes de matériaux Métaux
Céramiques
Polymères
Composites
Densité
Moyenne / élevée
Moyenne
Faible / très faible
Moyenne / faible
Prix
Faible / élevé
Elevé (techniques)
Faible / élevé
Elevé
Faible (grande diffusion) Module d’Elasticité
Elevé
Très élevé
Moyen / faible
Elevé
Résistance Mécanique
Elevée
Très élevée (compression)
Moyenne / faible
Elevée
Tolérance aux défauts et aux chocs
Très tenace
Très fragile
Peu tenaces mais grande énergie absorbée
Très tenace
Température d’utilisation
Moyenne / haute
Haute / très haute
Moyenne / faible
Moyenne
Tenue aux agressions chimiques
Moyenne / mauvaise
Bonne / très bonne
Moyenne
Moyenne
Conduction de la chaleur
Bonne / très bonne
Moyenne / faible
Faible / très faible
Faible
Conduction de l’électricité
Bonne / très bonne
Faible / très faible
Facilité de mise en forme
Facile
Difficile (technique)
Très facile
Moyenne dépendant de la forme
Facile
Difficile
Facile (grande diffusion) Facilité d’assemblage
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Facile
Moyenne
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Les alliages à base de fer • 90 % en masse de la production mondiale de matériaux métalliques. • Les alliages ferreux se prêtent facilement à une production en masse, ils sont bon marché et on peut les acquérir sous des formes très variées grâce à la diversité des traitements thermiques et des éléments d’addition. Ils ont un fort module d’élasticité et une forte limite élastique. •Nous pouvons distinguer : – les aciers d’usage général – les aciers de traitement thermique – les aciers à outils – les aciers inoxydables – les fontes
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Les propriétés des métaux
Les matériaux métalliques, comme leur nom l’indique, comportent des liaisons essentiellement métalliques, c’est-à-dire en partie assurées par des électrons délocalisés. Ces derniers sont responsables des bonnes propriétés de conductivité thermique et électriques des métaux. Les métaux sont généralement paramagnétiques voire ferromagnétiques. Leur température de fusion et de vaporisation sont en général élevées. Les métaux sont pour la plupart ductiles et relativement tenaces et l’association de leur ténacité et de leur ductilité est un atout majeur pour leur mise en forme. Par contre, après mise en forme, on peut facilement donner aux alliages métalliques une bonne résistance mécanique par des traitements thermiques appropriés grâce à la précipitation de phases durcissantes (durcissement structural. Du fait de leur plasticité, leur tenue à la fatigue peut poser des problèmes et ils sont de plus souvent sensibles à la corrosion. Enfin, les métaux sont en général des matériaux lourds et denses ce qui est parfois un handicap.
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Diagramme Fer-Carbone
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I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII.
Les fontes Les aciers L ’aluminium et ses alliages Le cuivre et ses alliages Le zinc et ses alliages Le magnésium et ses alliages Le titane et ses alliages Les polymères: matières plastiques Les matériaux frittés Les composites Les céramiques Conclusions
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I- Les fontes
• Les fontes sont des alliages de fer et de carbone où la proportion de carbone est comprise entre 2,5 % et 6 %. • Les fontes sont obtenues dans des hauts-fourneaux par le traitement d'un mélange de minerai de fer, de coke et d'éléments d'addition appelés fondants. • Les fontes dont en général peu malléables et très dures mais offrent une excellente coulabilité. • Fontes blanches, fontes austénitiques, etc. •Les fontes peuvent également être alliées. •Très employées, les fontes servent notamment à la réalisation de pièces telles que des pompes, des bâtis de machines-outils, des flasques, etc.
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I- Les fontes
Aube de turbine réalisée par fonderie avec un front de solidification contrôlé. Les grains ont un axe principal aligné avec celui de l’aube
Structure de fonderie alliage d’aluminium coulé dans un godet, les grains se sont développés à partir des surfaces vers le centre du godet
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I- Les fontes
Microstructure d'une fonte blanche
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Microstructure d'une fonte à graphite sphéroïdal
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I- Les fontes
•Pour les fontes à graphite lamellaire -Pour R =150 à 300 : Très bonne usinabilité; bonne aptitude à être coulée; bonne résistance à l'usure par frottement; bonne étanchéité. -Pour R =350 à 400 : Bonnes caractéristiques mécaniques et frottantes. •Pour les fontes à graphite sphéroïdal -Pour R =350 à 600 : Très bonne usinabilité; bonne capacité d'amortissement aux vibrations; très grande ductibilité ; grande résilience. -Pour R =700 à 900 : Bonne résistance à l'usure. •Pour les fontes malléables : à cœur noir (MB) et à cœur blanc (MW). -Pour R = 380 à 450 : très grande ductilité; perméabilité magnétique élevée; excellente usinabilité.
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I- Les fontes Tableau de correspondance de l’ancienne désignation Anciennes Normes NF NF NF NF
A A A A
32-101 32-201 32-301 32-401
NF A 32-702 NF A 32-701
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I.1- Les fontes blanches Les fontes blanches sont désignées par le symbole FB suivi des symboles chimiques des éléments d'addition accompagnés de leur teneur.
Ex :
EN- FB Cr12 Mo Ni
Cette fonte blanche (FB) est alliée avec 12 % de chrome (Cr12) des traces de molybdène (Mo) et des traces de Nickel (Ni). Remarque : Si un élément n'est pas suivi d'une valeur indiquant sa teneur, c'est que l'alliage ne contient que quelques traces (moins de 1 %) de cet élément.
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I.1- Les fontes blanches
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I.2- Les fontes FGL
Les fontes à graphite lamellaire sont désignées par le symbole FGL suivi de la valeur minimale de la résistance à la traction exprimée en MPa. Ex :
FGL 250
NF A 32-101
EN- GJl-250
NF EN 1580
Cette fonte à graphite lamellaire (FGL) possède une résistance minimale à la rupture par extension R min 250MPa.
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I.3- Les fontes FGS
Les fontes à graphite sphéroïdal sont désignées par le symbole FGS suivi de la valeur minimale de la résistance à la traction exprimée en MPa suivi d'un tiret et de la valeur minimale de l'allongement exprimé en pourcentage. Ex
:
FGS 600-3
NF A 32-101
EN-GJS 600-3 Cette fonte à graphite sphéroïdal (FGS) possède une résistance à la traction d'au moins 600 Mpa (600) et une valeur minimale d'allongement de 3 % (3).
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I.4- Les fontes austénitiques •Fontes austénitiques à graphite lamellaire Les fontes austénitiques à graphite lamellaire sont désignées par le symbole FGL suivi des symboles chimiques des éléments d'addition accompagnés de leur teneur. Ces éléments sont classés par ordre décroissant de leur teneur.
FGL Ni30 Si5 Cr3
Ex :
Cette fonte austénitique à graphite lamellaire (FGL) est alliée à 30 % de nickel (Ni30), 5 % de silicium (Si5) et 3 % de chrome (Cr3)
•Fontes austénitiques à graphite sphéroïdal Les fontes austénitiques à graphite sphéroïdal sont désignées par le symbole FGS suivi des symboles chimiques des éléments d'addition accompagnés de leur teneur. Ces éléments sont classés par ordre décroissant de leur teneur.
FGS Ni13 Mn7
Ex :
Cette fonte austénitique à graphite sphéroïdal (FGS) est alliée à 13 % de nickel (Ni13) et 7 % de magnésium (Mn7).
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I.4- Les fontes austénitiques
Fonte à graphite sphéroïdal (ductile) Fe-3.52C-2.51Si-0.49Mn-0.15Mo-0.31Cu wt%. Nodules de graphite (noir) dans une matrice bainitique (austénitisation à 950°C, trempe et maintien à 350°C pendant 64min)
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I.5- Les fontes malléables •Fontes malléables à graphite nodulaires ferritiques ou perlitiques Ces fontes sont désignées par le symbole MN suivi de la valeur minimale de la résistance à la traction exprimée en MPa (MégaPascal) suivi d'un tiret et de la valeur minimale de l'allongement exprimé en pourcentage.
MN 350-10
Ex :
Cette fonte malléable à graphite nodulaires ferritiques ou perlitiques (MN) possède une résistance à la traction d'au moins 350 Mpa (350) et une valeur minimale d'allongement de 10 % (10).
•Fontes malléables à cœur blanc Ces fontes sont désignées par le symbole MB suivi de la valeur minimale de la résistance à la traction exprimée en MPa suivi d'un tiret et de la valeur minimale de l'allongement exprimé en pourcentage.
MB 400-10
Ex :
EN-GJMW 400-10 Cette fonte malléable à cœur blanc (MB) possède une résistance à la traction d'au moins 450 MPa (450) et une valeur minimale d'allongement de 7 % (7). Guidon de moto
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I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII.
Les fontes Les aciers L ’aluminium et ses alliages Le cuivre et ses alliages Le zinc et ses alliages Le magnésium et ses alliages Le titane et ses alliages Les polymères: matières plastiques Les matériaux frittés Les composites Les céramiques Conclusions
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II.Les aciers
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II.Les aciers
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II.Les aciers Les aciers : NF EN 10025, IC 10, NF EN 10027 Alliages de fer et de carbone élaborés à partir de la fonte dans des convertisseurs Bessemer ou des fours Martin. Un acier c'est du fer avec 0.05 à 1.67% de carbone. On divise les aciers en : •.Aciers non alliés d'usage général désignés selon l ’emploi. •Aciers non alliés (TT) •Aciers faiblement alliés : Aucun élément d'addition n'atteint la teneur de 5%. (TT) •Aciers fortement alliés : Un élément d'addition, au moins, atteint la teneur de 5%. (TT)
Symboles placés en suffixe: • M: moulable • S: soudable • TS: trempe superficielle • NE: non effervescent • DF: déformation à froid • AF: forgeage
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II.Les aciers – Diagramme Fer-Carbone
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II.Les aciers - Traitements thermiques
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II.Les aciers – Diagramme Fer-Carbone
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II.Les aciers – Diagramme Fer-Carbone
C 10
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II.Les aciers – Diagramme Fer-Carbone
C 150
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II.Les aciers – Diagramme Fer-Carbone
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II.Les aciers – Diagramme TRC 25CrMo4
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II.Les aciers – Diagramme TTT 25CrMo4
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II.Les aciers - Traitements thermiques La cémentation La cémentation est un procédé consistant à augmenter la dureté de surface d'un acier par diffusion de carbone.
La nitruration La nitruration est un procédé consistant à augmenter la dureté de surface d'un acier par diffusion d'azote.
La carbonitruration La carbonitruration est un procédé consistant à augmenter la dureté de surface et la résistance à l'usure d'un acier par diffusion simultanée d'azote et de carbone.
La sulfonitruration La sulfonitruration est un procédé consistant à augmenter la dureté de surface et la résistance à l'usure d'un acier par diffusion simultanée d'azote et de soufre. Les produits traités ont une bonne résistance à la corrosion.
La chromisation La chromisation est un procédé consistant à augmenter la dureté de surface et la résistance à la corrosion d'un acier par diffusion de chrome.
La boruration La boruration est un procédé consistant à augmenter la dureté de surface et la résistance à l'usure d'un acier par diffusion de bore. Les produits traités ont une dureté exceptionnelle mais la couche est assez fragile.
La shérardisation La shérardisation est un procédé consistant à augmenter la résistance à la corrosion d'un acier par diffusion simultanée de zinc.
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II.Les aciers - Traitements thermiques
Nom
Influence
Matériaux
Cémentions
Ajout de carbone
Acier Carbonne < 0,25%
Carbonitruration
Ajout d’azote et carbone
Acier Carbonne < 0,25%Acier non allié
Nitruration
Chromisation Broruration
Ajout azote en présence d’ammoniacTénacité -Endurance -Ductilité ‾Ajout de chromeTénacité -Endurance -Ductilité‾Oxydation ‾ Ajout de BoreTénacité
Acier trempé + revenuAcier au chrome + 500°C - 50h pour 0,5mm aluFonte Acier avec faible ou fort % de carbone Tout acier
Sulfinuration
Endurance
Métaux ferreux
Zingage
Ajout de zincOxydation ‾
Tout matériaux ferreux
Nom
Influence
Trempe
Ténacité, ductilité-
Revenu Atténue l’effet de la trempe Supprime les contraintes et Recuit l’effet de la tempe
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Coût /durée 900°C - Rectifié après traitement 600°C – 850 °C Rectifié après traitement
575°C - 0,2mm à 0,3mmAucune reprise d’usinage
Matériaux
Coût /durée 900°C - Refroidi à l'air, Carbonne > 0,25% eau, huile Carbone >0,25% Entre 600°C et 200°C 850°C à 200°C de Carbone >0,25% 30mn à 30h00
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II.Les aciers - Traitements thermiques Le recuit Le recuit consiste en : •Chauffer la pièce à une température déterminée dite température de recuit. •Eventuellement à maintenir cette pièce à cette température pendant un temps donné. •Un refroidissement progressif à l'air calme. Le recuit permet notamment d'éliminer ou réduire les contraintes du métal lié à une action antérieure (déformation, soudure, etc.) ou un traitement thermique antérieur (trempe, etc.) ou de provoquer la formation d'une structure favorable à une action ultérieure (déformation, usinage, etc.) ou un traitement thermique ultérieur.
La trempe La trempe consiste en : •Chauffer la pièce à une température déterminée. •Refroidir brutalement la pièce en la plongeant dans de l'eau (trempe à l'eau) ou de l'huile (trempe à l'huile) ou à l'air soufflé. Une trempe permet d'obtenir des aciers très durs mais cassants. Elle est généralement suivie d'un revenu. Remarque : Il est possible de réaliser des trempes "locales" ne s'appliquant qu'à une partie d'une pièce. Guidon de moto
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II.Les aciers - Traitements thermiques
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II.Les aciers - Traitements thermiques
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II.Les aciers - Traitements thermiques Le revenu Un revenu consiste en : •Chauffer la pièce à une température déterminée (inférieure à la température de trempe). •Eventuellement à maintenir cette pièce à cette température pendant un temps donné. •Un refroidissement progressif à l'air calme. Une revenu permet d'atténuer les effets de la trempe en rendant la pièce plus ductile.
www.otua.org/traitement-thermique/intro.htm
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II.Les aciers - Traitements thermiques Revenu après trempe d’un acier : influence de la température
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II.Les aciers - Traitements thermiques
Variation de l’usinabilité en fonction du traitement des oxydes et influence du soufre Guidon de moto
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II.Les aciers - Traitements thermiques
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II.Les aciers - Traitements thermiques
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II.Les aciers – Eléments d’adition – (non alliés)
II se compose donc: •de carbone qui augmente la trempabilité de l'acier. •de silicium qui réduit la limite élastique •de manganèse qui améliore la désulfuration et la désoxydation •de phosphore qui constitue une impureté nocive (augmente la fragilité de l'acier) •de soufre lui aussi nuisible (fragilise à froid) À ces principaux composants s'ajoute selon les cas, de 1'oxygène (qu'il faudra éliminer car nuisible pour la forgeabilité), de l'hydrogène ( à éliminer car il crée des criques), de l'azote.
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II.1- Les aciers non alliés d ’usage général Lettre S
P L E B Y R
H T
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Signification de la lettre Acier de construction (d'usage général)
Signification du nombre Valeur minimale de la limite d'élasticité en N/mm²
Acier pour appareil à pression
Valeur minimale de la limite d'élasticité en N/mm² Valeur minimale de la limite Acier pour tube de conduite d'élasticité en N/mm² Acier de construction Valeur minimale de la limite mécanique d'élasticité en N/mm² Valeur minimale de la limite Acier à béton d'élasticité en N/mm² Acier pour béton Valeur de la résistance à la précontraint traction en N/mm² Acier pour ou sous forme de rail
Valeur minimale de la résistance à la traction en N/mm²
Produit plat laminé à froid pour emboutissage à froid
Valeur minimale de la limite d'élasticité en N/mm²
Produit plat laminé à froid pour emboutissage à froid
Valeur minimale de la résistance à la traction en N/mm²
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II.1- Les aciers non alliés d ’usage général Les aciers peuvent être désignés selon leur emploi et leurs caractéristiques mécaniques ou physiques. Leur désignation comprend une lettre suivie d'un nombre. Propriétés
: aptitude au soudage; ces aciers ne conviennent pas aux traitements thermiques
Domaine d'applications : constructions mécaniques et métalliques générales assemblées ou soudées.
S 355 JO
Ex :
Utilisation à température ambiante, éléments de construction soudés, boulonnés ou rivés.
E 295
Ex :
Cet acier pour construction mécanique (E) a une valeur minimale de limite d'élasticité de 295 N/mm² (295). Si l'acier est moulé, la désignation est précédé d'un G.
GS 235
Ex :
Cet acier pour construction d'usage général (S) a une valeur minimale de limite d'élasticité de 235 N/mm² (295) et est moulé (G).
Remarque : Cette désignation peut être suivi de lettres et de chiffres précisant les conditions d'obtention du matériaux et/ou d'autres caractéristiques mécaniques ou physiques. Guidon de moto
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II.2- Les aciers non alliés Rappel : Un acier non allié est un acier exclusivement constitué de fer et de carbone (les aciers non alliés peuvent contenir du manganèse la teneur étant inférieure à 1%). Ces aciers non alliés sont désignés par la lettre C suivi d'un chiffre représentant le centuple de la teneur en carbone. • % C >0.2%: la trempe est possible. • % C à 20%.) À une teneur en Ni de 36% : « INVAR » Le nickel est un métal rare et coûteux
Manganèse
Améliore la trempe, Augmente la limite élastique Améliore la résilience (teneur > à 10% de Mn) Interdit en aéronautique
Actions du chrome Améliore la trempe, La résistance à la rupture La résilience La résistance à l'usure Résistance à la corrosion chimique et à la température pour des teneurs de 10%. à 30% • aciers aéronautiques (plus accessibles que le Ni)
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II.3- Les aciers faiblement alliés Silicium Limite élastique Charge de rupture Diminue l'hystérésis magnétique tôles de transformateurs-47.Ù de Si) Améliore la résistance à la corrosion chimique et à l'oxydation à chaud. • Peu utilisé en aéronautique bien que bon marché (aciers à ressort, soupapes d'admission)
Tungstène • Voisines de celles du chrome • Aciers à outils
Molybdène • Proches de celles du tungstène La résistance au fluage Aciers travaillant à des températures modérées (500 à 550°). Métal rare
Vanadium • Proches des 2 précédents • Aciers à coupe rapide. Guidon de moto
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II.3- Les aciers faiblement alliés
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II.3- Les aciers faiblement alliés
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II.3- Les aciers faiblement alliés 20MoCr5
Ex :
-Cet acier faiblement allié possède une teneur en carbone de 0,2 % (20). -Il est allié à du molybdène (Mo) et du chrome (Cr). -La teneur en molybdène est de 0,5 % (5) -Il y a des traces (non quantifiées) de chrome.
Rappel : Si les aciers désignés sont moulés, leur désignation est précédé d'un G.
G18NiCrMo6
Ex :
-Cet acier faiblement allié est moulé (G) et possède une teneur en carbone de 0,18 % (18). -Il est allié à du nickel (Ni) du chrome (Cr) et du molybdène (Mo). -La teneur en Nickel est de 1,25 % (6). -Il y a des traces (non quantifiées) de chrome et de molybdène.
Ex :
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115 Cr V 3 (STUB) Désignations et propriétés des matériaux
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II.3- Les aciers faiblement alliés Source:THYSSEN FRANCE S.A
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II.3- Les aciers fortement alliés Par acier fortement allié, on entend les aciers dont la teneur d'un au moins des éléments d'addition est supérieur à 5 %. Ces aciers sont désignés par: •La lettre X •Un chiffre représentant le centuple de la teneur en carbone. •Les symboles chimiques des éléments d'alliage dans l'ordre décroissant de leur teneur. •Les teneurs des éléments d'alliage séparées par un trait d'union.
X 6 Ni Cr Ti 17-12
Ex :
- Cet acier fortement (X) allié possède une teneur en carbone de 0,06 % (6). Pour trouver ce résultat on a divisé 6 par 100. - Il est allié à du nickel (Ni) du chrome (Cr) et du titane (Ti). - La teneur en nickel est de 17 % (17). - La teneur en chrome est de 12 % (12). - Il y a des traces (non quantifiées) de titane .
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II.3- Les aciers fortement alliés
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I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII.
Les fontes Les aciers L ’aluminium et ses alliages Le cuivre et ses alliages Le zinc et ses alliages Le magnésium et ses alliages Le titane et ses alliages Les polymères: matières plastiques Les matériaux frittés Les composites Les céramiques Conclusions
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III. L ’aluminium et ses alliages Minerai de bauxite Avantages: • point de fusion bas (~ 660 °C): fonderie •ductile: mise en forme à l'état solide, par déformation plastique (laminage, filage à la presse, étirage,…) •bonnes propriétés mécaniques spécifiques •masse volumique: 2700 kg.m-3 •corrosion: couche d'oxyde Al2O3 en surface
Inconvénients •tenue mécanique au delà de 150 °C : problématique •mauvaise tenue en fatigue •mauvaise tenue en corrosion sous contrainte •difficile à souder •relativement chers.
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III. L ’aluminium et ses alliages
Domaine d ’emploi: •aéronautique (+Cu: Duralumin TT) •l’industrie alimentaire •cryogénique •articles de sport •structures utilisées en atmosphère marine •l'industrie de l'emballage (pur) •automobiles (+Si: blocs-moteurs et pistons d'automobiles)
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III.1- L ’aluminium et ses alliages corroyés ❚
NF EN 573-1
octobre 1994
Préfixe
EN AW- 1050 A [Al99,5]
A : Aluminium W : Corroyé
Symbole chimique éventuel entre crochet
Le premier chiffre indique le groupe d’alliages : 1 : aluminium pur (teneur ≥ 99%)
Lettre éventuelle indiquant les variantes nationales
2 : aluminium-cuivre, 3 : aluminium-manganèse, 4 : aluminium-silicium, 5 : aluminium-magnésium,
Le deuxième chiffre indique :
6 : aluminium-magnésiumsilicium,
Pour l’aluminium pur : indice de pureté (0 à 9)
7 : aluminium-zinc,
Pour les alliages : nombre de modifications apportées à l’alliage d’origine (0 à 9) 0=alliages d’origine
8 : autres alliages
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Les deux derniers chiffres indiquent : Pour l’aluminium pur : teneur en aluminium au-delà de 99% Pour les alliages : numéro d’identification
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III.2- L ’aluminium et ses alliages de fonderie ❚
NF EN 1780
octobre 1998
EN AC- 45400 [Al Si5 Cu3]
Symbole chimique de l’alliage ordonné par teneurs décroissantes
Préfixe A : Aluminium B (pour lingots) et C (pour pièces moulées)
Les deux premiers chiffres donnent le principal élément d’alliage :
Les trois chiffres suivant indiquent une variante
(série des 20000) : cuivre (exemple 21000)
Exemple :
(série des 40000) : silicium (exemple : 43300)
43100:0,10 % de cuivre
(série des 50000) : magnésium (exemple : 51200) (série des 70000) : zinc (exemple : 71000) Guidon de moto
43200:plus pur comporte 0,35% de cuivre Les proportions de zinc et nickel, de plomb et de titane varient aussi entre ces deux alliages, dans des proportions similaires
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I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII.
Les fontes Les aciers L ’aluminium et ses alliages Le cuivre et ses alliages Le zinc et ses alliages Le magnésium et ses alliages Le titane et ses alliages Les polymères: matières plastiques Les matériaux frittés Les composites Les céramiques Conclusions
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IV. L e cuivre et ses alliages
Le cuivre est un métal de couleur rouge orangé possédant une haute conductibilité thermique et électrique ainsi qu'une bonne tenue aux corrosions courantes. Ce sont ses propriétés qui en font un métal employé pur ou faiblement allié dans la construction électrique, le transport d'électricité et le bâtiment. En revanche, en mécanique, le cuivre pur n'est pas ou peu employé. Ce sont des alliages de cuivre qui sont utilisés tels que par exemple: •Les laitons, alliages de cuivre et de zinc, qui se forment et s'usinent aisément. Ces alliages de couleur jaune sont parfois improprement appelés cuivre jaune. •Les bronzes, alliage de cuivre et d'étain qui présentent de bonne qualité de fonderie ainsi que d'intéressantes qualités mécaniques et de frottement. •Les cupro-nickels qui résistent bien à l'oxydation et à certains agents corrosifs. •Enfin citons pour mémoire le maillechort (alliage de cuivre, nickel et zinc) dont l'aspect ressemble à celui de l'argent.
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IV. L e cuivre et ses alliages ❚
NF A 02-009 Les alliages à base de cuivre sont appelé cupro-(élément d'alliageprincipal) Exemple : CuBe2 = cupro-béryllium, sauf le laiton (Cu-Zn) et les bronzes (Cu-Sn).
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IV. L e cuivre et ses alliages ❚ Les cuivres affinés (teneur ≥ 99,85%) (NF A 51-050)
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IV. L e cuivre et ses alliages
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I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII.
Les fontes Les aciers L ’aluminium et ses alliages Le cuivre et ses alliages Le zinc et ses alliages Le magnésium et ses alliages Le titane et ses alliages Les polymères: matières plastiques Les matériaux frittés Les composites Les céramiques Conclusions
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V. Le zinc et ses alliages
Avantages: • faible température de fusion (~420 °C): fonderie • fusibilité • excellente coulabilité: forme très complexe et d’épaisseur très mince (~ 0,4 mm). • faible coût: concurrencer les alliages d’aluminium ou de cuivre et même souvent les matières plastiques.
Domaine d ’emploi • l’automobile (carburateur, pompe à essences...) • dans l’électroménager • en quincaillerie et en mécanique de précision (appareils photographiques, horlogerie...)
Principaux alliages de zinc •les zamaks qui contiennent 4 % d’aluminium, 0,04 % de magnésium et 1 % de cuivre ou pas du tout. zamak 3 : Z - A4G, zamak 5 : Z - A4 U1 G. •Masse volumique du zinc : 7 100 kg m-3.
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V. Le zinc et ses alliages
Le zinc est un métal de couleur blanche qui exposé à l'air humide s'oxyde et se recouvre d'une mince couche protectrice. Léger et présentant une bonne tenue aux agents organiques, le zinc fut largement employé pour des éléments de toiture ou pour recouvrir des tables.
Le zinc déposé par trempage ou galvanisation sur de l'acier en assure la protection contre la rouille. On obtient alors de l'acier galvanisé.
De plus, le zinc entre dans la composition de nombreux alliages comme le laiton (alliage de cuivre et de zinc) ou le maillechort (alliage de cuivre, nickel et zinc).
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V. Le zinc et ses alliages Les alliages de zinc sont désignés par : • La lettre Z • Un tiret • Des symboles abrégés des éléments d'addition suivis de leur teneur. Ces éléments sont classés par ordre décroissant de leur teneur.
Z-A4G
Ex:
Cet alliage de zinc (Z) comporte 4 % d'aluminium (A4) et des traces de magnésium (G).
Remarque : Si un élément n'est pas suivi d'une valeur indiquant sa teneur, c'est que l'alliage ne contient que quelques traces (moins de 1 %) de cet élément.
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I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII.
Les fontes Les aciers L ’aluminium et ses alliages Le cuivre et ses alliages Le zinc et ses alliages Le magnésium et ses alliages Le titane et ses alliages Les polymères: matières plastiques Les matériaux frittés Les composites Les céramiques Conclusions
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VI. Le magnésium et ses alliages
Le magnésium est un métal blanc argenté pouvant brûler à l'air avec une flamme éblouissante (propriété qui fût longtemps exploité pour produire des "flash" en photographie). Les alliages à base de magnésium (allié à l'aluminium, au zinc, au manganèse) sont largement utilisés dans l'industrie automobile et aéronautique en raison de leur légèreté. A noter que ces alliages sont soudables par le procédé TIG et ont une faible élasticité.
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VI. Le magnésium et ses alliages Les alliages de magnésium sont désignés par : • la lettre G • Un tiret • Des symboles abrégés des éléments d'addition suivis de leur teneur. Ces éléments sont classés par ordre décroissant de leur teneur.
G-A8Z
Ex :
Cet alliage de magnésium (G) comporte 8 % d'aluminium (A8) et des traces de zinc (Z). Remarque 1 : Si un élément n'est pas suivi d'une valeur indiquant sa teneur, c'est que l'alliage ne contient que quelques traces (moins de 1 %) de cet élément. Remarque 2 : Les désignations données ci-dessus peuvent être suivies pour les produits corroyés par un groupe de lettres et de chiffres désignant l'état et le traitement donné à l'alliage.
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I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII.
Les fontes Les aciers L ’aluminium et ses alliages Le cuivre et ses alliages Le zinc et ses alliages Le magnésium et ses alliages Le titane et ses alliages Les polymères: matières plastiques Les matériaux frittés Les composites Les céramiques Conclusions
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VII. Le titane et ses alliages Elément fort abondant dans l'écorce terrestre •vers 1950:l'utilisation sous forme métallique. (difficultés liées à sa métallurgie extractive et des problèmes posés par sa mise en œuvre).
Domaine d ’emploi •domaines aéronautiques et aérospatial •industrie chimique
Avantages •masse volumique 4540 kg.m-3 •Rm/rho > à celui des autres métaux. •résistance à la corrosion du titane et de ses alliages est excellente (film protecteur de TiO2) > à celle des aciers inoxydables. •bonne tenue mécanique à chaud (jusque vers 700 °C) •à des températures plus élevées, se charge en impuretés (oxygène, hydrogène), •Température de fusion : 1 670 °C.
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VII. Le titane et ses alliages
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VII. Le titane et ses alliages
Comparaison entre les rapports limite d'élasticité/masse volumique pour divers alliages : a) : Ti 6 Al 4 V, b) : 30 Cr Ni Mo 8, c) : aluminium 7075-T6, d) : alliage de magnésium haute résistance.
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VII. Le titane et ses alliages
Les alliages de titane sont désignés par : • la lettre T • Un tiret • Des symboles abrégés des éléments d'addition suivis de leur teneur. Ces éléments sont classés par ordre décroissant de leur teneur.
T - A5 - E2
Ex :
T, Symbole métallurgique (titane). A5, 1er élément d'addition avec 5% d'aluminium. E2, 20ème élément d'addition avec 2% d'étain.
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I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII.
Les fontes Les aciers L ’aluminium et ses alliages Le cuivre et ses alliages Le zinc et ses alliages Le magnésium et ses alliages Le titane et ses alliages Les polymères: matières plastiques Les matériaux frittés Les composites Les céramiques Conclusions
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VIII. Les polymères: matières plastiques Un « plastique » est un mélange dont le constituant de base est une résine [ ou polymère ], associée à des adjuvants ( stabilisants, anti-oxydants, … ) et des additifs ( colorants, fongicides, … )
Les Plastiques
On distingue 2 catégories de matières plastiques
Les thermoplastiques Ces résines peuvent être ramollies par chauffage et durcies par refroidissement. L ’opération est réversible et peut être répétée plusieurs fois
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Les thermodurcissables Ces résines peuvent être transformées par la chaleur en un état infusible et insoluble. L ’opération est irréversible et le recyclage des déchets est impossible.
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VIII. Les polymères: matières plastiques La matière première se présente le plus souvent sous forme de granulé de divers forme. On la trouve aussi sous forme de poudre, de micro bille, en pâte, ou en résine liquide. Elle peut-être naturelle ou colorée selon la demande. La fluidité de la matière au moulage varie selon sont grade, situé généralement entre 0 et 100. Plus le grade est haut, plus la matière est fluide. La matière peut avoir, soit un état Cristallin ou Amorphe. a. Etat Cristallin = état ordonné : Sous l'influence de force interne les chaînes moléculaires se rangeront entre elles de façon ordonnée sur de petites longueurs. b. Etat Amorphe = état désordonné : Les molécules sont très proche les unes des autres, la réaction se développe de façon anarchique, ce qui donne un polymère très ramifié donc moins cristallin. Il existe beaucoup de sorte de matières différentes, le choix de la matière dépend généralement du type de pièce à mouler. Il faut avant tout savoir avec précision l'usage que l'on veut en faire. Ensuite, il faut étudier son comportement dans le temps selon certains critères tel que la résistance mécanique, son exposition aux ultraviolet (U.V.), sa souplesse, si elle résiste face à certains solvants. http://lycees.ac-rouen.fr/moulin/disciplines/construction/materiaux/MP.htm
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VIII. Les polymères: matières plastiques
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VIII.1- Les polymères: matières plastiques: propriétés Propriétés •macromolécules à squelette covalent, liées entre elles par des liaisons faibles (liaisons de Van der Waals ou liaisons hydrogène) •dépendent fortement du comportement de ces liaisons faibles et évoluent considérablement avec la température •faible module d’élasticité •limite élastique d’autant plus faible qu’ils seront portés à plus haute température •faciles à mettre en forme •bonne déformabilité •bonne résistance à l’usure •faciles à assembler •bonne tenue à la corrosion •matériaux légers •très bon marché (pétrole)
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VIII.2- Les polymères: techniques de transformation
Injection La matière, en granulés, ramollie par la chaleur est injectée dans un moule en 2 parties sous forte pression. Ces moules permettent la réalisation d'objets de dimensions et formes variables, ainsi que de pièces techniques très complexes et de grandes précisions.
Extrusion La matière, en granulés, sera fondue avant de sortir de manière continue par un orifice appelé "filière" qui lui donnera une forme permanente. On obtiendra ainsi des tubes, profilés, etc...
Injection et extrusion souflage Une poche de matière chaude et gonflée sous une forte pression d'air ou de gaz et se répartit sur les parois internes d'un moule ayant la forme de la pièce à réaliser (bouteilles, bidons, fûts, réservoir automobile, emballages creux en général).
Compression Technique surtout très utilisée pour transformer des matières en les comprimant fortement dans un moule. Ces matières (thermodurcissables) pour la plupart auront la particularité de ne plus fondre après moulage (pièces automobiles, électriques, poignées d'ustensiles ménagers, etc...)
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VIII.2- Les polymères: techniques de transformation
Rotomoulage Une matière thermoplastique sous forme de poudre va fondre sous l'effet de la chaleur et se répartir uniformément sur les parois interne d'un moule, tournant sur deux axes, à l'intérieur d'un four (poupées, ballons, citernes...).
Thermoformage Des feuilles ou plaques de matière thermoplastique sont réchauffées et formées par emboutissage et aspiration (emballages alimentaires, carters de machines et pièces de carrosserie de grandes dimensions, sanitaire).
Composites Une résine liquide qui durcira au moulage est appliquée avec un renfort sur ou dans un moule suivant plusieurs principes ; contact, pressage, pultrusion, centrifugation, (coques de bateau, carrosserie de F1, pièces aéronautiques, etc...)
Polystyrène expansé Un moule est rempli de petites billes de matière qui vont prendre du volume et se coller les unes aux autres sous l'effet de la chaleur et de plusieurs composants chimiques. (Plaques pour l'isolation, emballages,...).
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VIII.3- Les polymères: thermoplastiques
Nom Acrylobutadiène styrène Polyamide
Désignation ABS PA 11 PA 6 PA 6.6
Polybutylène téréphtalate Polycarbonate Polychlorure de vinyle Polyéthilène
PBT
Polyméthacrylate de méthyle Polyoxyméthylène
... Rilsan, etc. ... Nylon, Technyl, etc. ...
PC
Makrolon, Lexan, etc.
PVC
Vinidur, Viniflex, etc.
PE
Polyéthilène téréphtalate
Noms commerciaux
PET PMMA POM
Lactène, Hostalen, etc. ... Altuglas, Plexiglas,etc. Ultraform, Kematal, etc.
Polypropylène
PP
Appryl, Novolen, etc.
Polystyréne
PS
...
Polystyrène choc
SB
...
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VIII.3- Les polymères: thermodurcissables
Nom Epoxy Phénoplaste Polyesther insaturé Polyuréthanne
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Désignation EP PF UP PUR
Noms commerciaux Araldite, Néonite, etc. Bakélite. Rutapal, Norsodyne, etc. Vovanol, Bayflex, etc.
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I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII.
Les fontes Les aciers L ’aluminium et ses alliages Le cuivre et ses alliages Le zinc et ses alliages Le magnésium et ses alliages Le titane et ses alliages Les polymères: matières plastiques Les matériaux frittés Les composites Les céramiques Conclusions
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IX. Les matériaux frittés Le frittage (ou concréfaction) compression d ’une poudre métallique dans un moule + chauffage ce comprimé Les pièces ainsi obtenues sont poreuses. Cette propriété est exploitée pour la fabrication de filtres ou de coussinets auto-lubrifiants généralement réalisés en bronze. Pour les autres applications, on remédie éventuellement à cette porosité par infiltration de métal dans les pores. Les matériaux frittés peuvent éventuellement être usinés et recevoir des traitements thermiques ou thermochimiques. D'un coût de revient bas pour de grandes séries, les matériaux frittés sont utilisés notamment pour la réalisation de plaquettes de coupe (matériaux à base de carbure de tungstène) ou pour des plaquettes de frein (matériaux à base de fer graphite ou bronze graphite).
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IX. Les matériaux frittés - Acier allié Ces produits sont désignés à l'aide d'une série de lettres et de chiffres. Leur désignation comprend : •La lettre F (frittage) ou les lettres FJ (frittage avec infiltration) qui désignent la méthode de fabrication. •La teneur en carbone multipliée par 100. ( x10 si FC 10-56) •Un tiret •Le symbole abrégé des éléments d'addition suivi de leur teneur en %. Les éléments d'addition sont classés par ordre décroissant de leur teneur. •Un tiret •La masse volumique du produit multipliée par 10
F10-U3-56
Ex:
•Cette pièce est obtenue par frittage (F) d'un alliage d'acier une teneur en carbone de 0,10 % (10) et de 3 % de cuivre (U3). Cette pièce à une masse volumique de 5,6 g/cm3.
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IX. Les matériaux frittés - Sans acier Ces produits sont désignés à l'aide d'une série de lettres et de chiffres. Leur désignation comprend : •La lettre F (frittage) ou les lettres FJ (frittage avec infiltration) qui désignent la méthode de fabrication. •Le symbole abrégé de l ’élément principal •Un tiret •Le symbole abrégé des éléments d'addition suivi de leur teneur en %. Les éléments d'addition sont classés par ordre décroissant de leur teneur. •Un tiret •La masse volumique du produit multipliée par 10
FU-E10-64
Ex:
•Cette pièce est obtenue par frittage (F) d'un alliage de cuivre et de 10 % d ’étain. Cette pièce en bronze à une masse volumique de 6,4 g/cm3.
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I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII.
Les fontes Les aciers L ’aluminium et ses alliages Le cuivre et ses alliages Le zinc et ses alliages Le magnésium et ses alliages Le titane et ses alliages Les polymères: matières plastiques Les matériaux frittés Les composites Les céramiques Conclusions
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X. Les composites Un « composite » est un assemblage de deux constituants non miscibles et de structure différente. Les qualités de chacun se complètent pour former un matériau hétérogène dont les performances sont supérieures à celles de ses composants.
COMPOSITE = MATRICE + RENFORT
Elle assure la liaison de l ’ensemble. Elle répartit les efforts. Elle protège les renforts. Pour une grande part des composites industriels la matrice est une résine thermodurcissable (organique)
Il constitue le squelette de l ’ensemble. Il supporte l ’essentiel des efforts. Généralement, il se présente sous forme de fibres à haute résistance. Principaux renforts ; Fibres de verre - (FV) Fibres de carbone - (FC) Fibres d ’Aramide - (FA) « Kelvar »
Principales matrices ; Organique: EPOXY - (EP), Polyester (UP) Minérale: Carbone - (C) Métallique: Titane - (Ti)
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X. Les composites
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X. Les composites
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X. Les composites
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X. Les composites
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X. Les composites
Cliché obtenu en microscopie électronique à balayage d’un matériau composite à fibres longues de carbone dans une matrice intermétallique NiAl
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X. Les composites
Propriétés •combinaison de propriétés qui tire avantage de chacun des matériaux •matrice polymère + renfort fibreux: caractéristiques directionnelles ou non suivant le tissage •les composites céramique/céramique: moins fragiles que les céramiques massives (tenue en température) •les composites à matrice métallique et renfort céramique ont pour vocation de tirer partie à la fois de la ductilité des métaux et de la raideur du renfort céramique
D’autres composites •le bois •les ciments et bétons •les mousses polymères, céramiques ou métalliques
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X.1- Les composites: les fibres
Fibres de verre
Fibres de carbone Guidon de moto
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X.1- Les composites: les fibres
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X.1- Les composites: les fibres
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X.2- Les composites- Les matrices
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X.2- Les composites- Les matrices
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X.3- Les composites- Les propriétés l’accessibilité concerne les aspects : • prix matières • polyvalence aux méthodes de transformation(polymérisation à froid, à chaud, nombre de procédés de transformation possible) • cadence de production dans la méthode de production la plus rentable •investissements
Propriétés : • • • • •
physiques (densité, stabilité dimensionnelle, indice de réfraction,...) mécaniques électriques thermomécaniques tolérances, cotes à la transformation
Résistance ou durabilité • au vieillissement extérieur (intempéries) • à la fatigue (résistances dynamiques) • au feu avec ses différents aspects (résistance à la combustion, à la propagation, fumées, gaz toxiques) • au frottement • à l’usure
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X.3- Les composites- La production
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X.3- Les composites- La production
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I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII.
Les fontes Les aciers L ’aluminium et ses alliages Le cuivre et ses alliages Le zinc et ses alliages Le magnésium et ses alliages Le titane et ses alliages Les polymères: matières plastiques Les matériaux frittés Les composites Les céramiques Conclusions
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XI. Les céramiques techniques
Les céramiques techniques sont caractérisées par des liaisons fortes, ce qui se traduit dans la pratique par une très bonne tenue en température et une excellente rigidité élastique. La faible tendance à la plasticité qui en résulte rend ces matériaux fragiles, peu tenaces, peu ductiles, mais en revanche, résistants à l’usure. Ces matériaux ont de hauts points de fusion et une bonne résistance à la corrosion. Les céramiques techniques de qualité ont tendance à être chères.
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XI. Les céramiques techniques Domaine d’application: •automobile: sur des prototypes •applications à très hautes vitesses de rotation (broches de machines outils, moteurs à turbines...). •Des billes, voire des cages de roulements en céramique permettent d’augmenter les vitesses maximales d’utilisation.
But: •d’amélioration de l’isolation thermique, •la résistance à l’usure par frottement, •d’alléger les pièces en mouvement.
Exemple: •La préchambre de combustion (moteur diesel), la tête de piston et les soupapes d’échappement sont revêtues d’écrans thermiques en céramique. •Pour améliorer le rendement du turbocompresseur, conduit d’échappement ainsi que la turbine en céramique. (inserts en zircone (ZrO2) et de titanate d’aluminium (Al2TiO5)). •Les culbuteurs, les guides et les sièges de soupapes sont en céramique (association de zircone et de nitrure de silicium (Si3N4)). •Par souci d'allégement des masses en mouvement, on peut utiliser du nitrure de silicium pour les axes des pistons, les soupapes…
Inconvénients •Reste le problème de la tenue aux chocs, dans les pays où les habitudes de conduite sont assez nerveuses. Guidon de moto
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XI. Les céramiques techniques
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XII. Les alliages réfractaires Pour de très nombreuses applications, il a fallu mettre au point des alliages qui, sans qu'ils se dégradent par oxydation, conservent des propriétés mécaniques acceptables à haute température : il s'agit des alliages réfractaires employés à des températures pouvant s'échelonner de 700 à 1000 °C, selon le cas. A des températures inférieures, on peut recourir à certains aciers inoxydables. Il existe trois principales classes d'alliages réfractaires : •les alliages à base de fer et de nickel (contenant au moins 25 % de nickel), •les alliages à base de nickel (une centaine de compositions différentes), •les alliages à base de cobalt (la résistance à la corrosion due au gaz de combustion est beaucoup plus élevée que pour les deux types précédents) ; •on appelle souvent ces alliages des « superalliages ». Les utilisations des alliages réfractaires sont multiples: •résistances électriques chauffantes, •soupapes d'échappement des moteurs à combustion interne, •RENE 25 •fours industriels et équipements de traitements thermiques, …
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XII. Les superalliages N18 (alliage du disque de turbine du moteur de l’avion rafale)
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XII. Les superalliages
alliage MdP, métallurgie des poudres, (a) fabrication des poudres et tri sous gaz neutre, (b) densification du matériau par filage à chaud puis forgeage isotherme. Ce procédé complexe permet d’atteindre 500h de fluage à 650°C sous une contrainte de 900 MPa tandis qu’avec un superalliage classique (sans MdP) la contrainte n’est que de 600 MPa
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I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII.
Les fontes Les aciers L ’aluminium et ses alliages Le cuivre et ses alliages Le zinc et ses alliages Le magnésium et ses alliages Le titane et ses alliages Les polymères: matières plastiques Les matériaux frittés Les composites Les céramiques Conclusions
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XII. Prix du produit
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XII. Prix de la matière
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XII. Evolution des matériaux
Comparaison des températures pour lesquelles la rupture sous une contrainte de 140 MPa est obtenue au bout de 1000 heures pour différents alliages en fonction de l’époque à laquelle ces alliages ont été conçus et par type de procédé de fabrication (Wrought=Forgés, CC= fonderie conventionnelle, DS=solidification dirigée, SC=monocristaux).
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XII. Evolution des matériaux
(a) aube polycristalline à gros grains. (b) aube polycristalline réalisée par fonderie avec solidification dirigée, du bas de l’aube vers le haut. (c) aube monocristalline, dont la « queue de cochon » ou sélecteur d’orientation n’a pas encore été usinée.
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Quelques sites bases de données matériaux https://intranet.insa-toulouse.fr/view/592/content/SdM_POIC3
http://lha.chez-alice.fr/Matweb/materiaux000.html http://www.technosupport.fr/6eme/gs-soft_materiaux/desi_010.htm
www.otua.org/traitement-thermique/intro.htm http://philippe.berger2.free.fr/productique/ressources/metallurgie/metallurgie -usb_fichiers/frame.htm http://cla.vidal.free.fr Sélection des matériaux métalliques. Désignation Transformations dans les aciers Sélection des matériaux métalliques-Familles de matériaux Conception d’un objet
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TI: TI: TI: TI:
BM5074 BM 1 115 BM 5 071 AM 3 810
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bloom [blum] n. m. METALL Lingot d’acier issu de la coulé continue de section rectangulaire qui n’a subi que les premières passes de laminage destiné à la production de produit long. brame METALL Lingot d’acier de section rectangulaire qui n’a subi que les premières passes de laminage destiner à la production de produit plat (tôle, feuillard). lingot n. m. Pièce brute de métal obtenue par coulée dans un moule. Lingot d’or.
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