TP de Materiau

 

TP Structure des matériaux

 

Les traitements thermiques

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1) Définition : Un traitement thermique est une opération qui a pour but de modifier la structure interne d’un acier, sans influer sur sa composition chimique, afin de donner à cet acier les caractéristiques mécaniques convenables pour son emploi.( Les traitements thermiques influent sur : Rr Rr,, Re , H , K , A% )

 

Formation de la matière •

L’atome : L'ensemble de la matière de l'univers, vivante ou inerte, est constituée de particules appelées atomes

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L'atome comprend comprend deux parties : un noyau et des électrons en mouvementt rapide autour de ce noyau. mouvemen

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Le noyau : il est constitué de protons de charge électrique positive, et de neutrons de charge électrique nulle.

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Les électrons : de charge électrique négative gravitent gravitent autour du noyau

.

 

Formation de la matière •

Cristallisation du fer lors de la solidification d’un lingot d’acier il se développe, suivant un système arborescent et dans trois directions un réseau appelé dendrites.

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Le fer se cristallise alors dans un système à mailles cubiques

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Système cubique et ses atomes de fer la dimension de la maille est d’environ 0,3 μm de coté

 

Alliage Diagramme Diagra mme A-B

 

Solidification de l’acier et formation des grains du métal

 

Les systèmes de cristallisation •

Le fer

: Système cubique centré reste stable Jusqu’à 721 721°° point A1 à 768° le fer perd son magnétisme c’est le point A2  A2  

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Le fer : Système cubique à faces centrées Apparaît à partir de 906° c’est le point A3  A3 

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Le fer D : Apparaît à 1400 ° le fer revient dans un système cubique centré

 

Les traitements thermiques Etude du diagramme fer carbone

 

Les structures métallographiques de l’acier   l’acier

 

Définition :  Les traitements traitements thermiques consiste à soumettre une matériaux (pièce) à un ou des cycles thermiques ce qui cause le changement de ses caractérist caractéristiques iques mécaniques. En pratique, les traitements thermiques sont destinés: •soit à modifier une caractéri caractéristique stique du métal, •soit à lui redonner une caractéristique d’origine qui avait été modifiée.   Ces changements de caractéristiques sont liés aux changements de structure de la matière (structure cristalline et structure micro- graphique). Les changements sont obtenus par apport d’énergie calorifique au cours d’un cycle thermique: chauffage, maintien en température retour à l’ambiante.   Le traitement traitement thermique est une méthode utilisée pour modifier les propriétés d'un matériau pour l'adapter à sa fonction souhaitée. Les traitements thermiques comportent plusieurs types à savoir : •la trempe •revenue •le recuit La trempe des aciers :   But : augmenter la dureté de l'acier (et par suite les autres propretés comme la résistance r ésistance maximale, ou élastique ou la résilience vont changer) Principe : elle consiste à chauffer un acier supérieure à la température d'austénitisation (T (Taa + 50)° 50) °C (sans passer au domaine liquide) puis un maintient jusqu'à l'homogénéisation l'homogénéisation de la température et de la structure interne de la pièce (microstructure et structure cristalline). En suite un refroidissement rapide dans un fluide (eau, huile, air ...) Paramètres : la trempe est conditionnée essentiellement par la vitesse de refroidissement. Cette vitesse dépend du milieu dans lequel on fait la trempe. Exemples de milieux de refroidissement on trouve l'eau, l'huile ou l'air sous différents états dynamique dynamiquess (non agités, agités ou très agités) ces agitations sont identifiées par des indices de sévérité. Les conditions de trempes sont déduites par l'essai Jominy J ominy (pour le choix du matériaux adéquat) et par les courbe TRC (Tran (Transformation sformation en Refroidissement Continu) pour les vitesses de refroidissement. Influence de la trempe sur quelques propretés des aciers : Dureté : augmente Résistance élastique : augmente Résistance maximale : augmente Résilience : diminue Soudabilité : diminue

 

Le revenu : But : diminuer l'effet de la trempe et surtout la fragilité et ajuster les caractéristiques aux valeurs souhaitées pour  l'application. Principe : il consiste à chauffer la pièce en acier à une un e température qui ne dépasse pas la température d'austénitisation, un maintient, puis un refroidissement lent dans un bain.   Paramètres : le paramètre essentiel du revenu est la température de maintient. Cette température influe sur les propriétés de la  pièce à obtenir. obtenir. Elle varie généralement entre 150 et 650 °C. Influence de la trempe sur quelques propretés des aciers : Dureté : diminue Résistance élastique : diminue Résistance maximale : diminue Résilience : augmente Soudabilité : augmente 

Exemple : Effets de la trempe sur un acier C55 (XC55)  Caract. méca.

Avant trempe

Après trempe

Rm N/mm2

600 à 800

1 500 à 2200

Re N/mm2

400 à 550

1 300 à 2000

HV

200 à 250

550 mini

A%

10 à 20

1à5

KJ cm-2

30 à 50

1à1

 

cycles de traitements thermiques :  : 

Micrographie des aciers au carbone  carbone 

 

Le tableau suivant illustre les micrographies d'un acier au carbone selon le pourcnttage de carbone.

0 % de C 

0.25 % de C 

0.09 % de C 

0.35 % de C 

 

  1.3 % de C 

1.5 % de C 

Propriétés mécaniques  mécaniques 

 

Les propriétés mécaniques  Ce sont des propriétés relatives aux aspects de résistance au efforts, des déformations résultantes des efforts, des contact entre solides (chocs, glissement ...)

La rigidité : c'est l'aptitude d'un matériau à se déformer de façon élastique (et donc réversible) . La rigidité est définie par le Module d'élasticité E. Plus le matériau est rigide, plus la force qu'on peut lui appliquer est importante. Élasticité : c'est l'aptitude d'un matériau à se déformer sous une charge (un effort) et de retourner à son état initial après décharge. : c'est la charge maximale maximale que peut supporter un matériau. La Résistance maximale charge peut être effort en traction ou couple en torsion ..

Limite élastique : c'est la charge maximale que peut supporter un matériau pour se déformer d'une façon élastique. Plasticité : c'est la déformation d'un matériau sous une charge sans revenir à son état initial après décharge  Remarque  Remar que :  :  la charge qui cause la déformation plastique est plus importante que la charge qui cause la déformation élastique. => On définit ainsi deux domaines déformations : Domaine élastique et domaine  plastique.

 

Ductilité : c'est l'aptitude d'un matériau à se déformer plastiquement avant rupture. Un matériau qui se déforme plus avant rupture est plus ductile qu'un matériau qui se déforme moins. Fragilité : c'est la facilité avec la quelle on peut fracturer un matériau. Un matériau fragile se fracture sans se déformer plastiquement.  Remarque  Remar que : La ductilité et la fragilité sont deux notions opposées. Elles peuvent être exprimées  par : l'allongement à la rupture A A% % le pourcentage de striction Z la résilience déterminée par essai Charpy. Elle est exprimée en J/cm² Ténacité : c'est l'aptitude l'aptit ude d'un matériau à absorber l'énergie lors d'une déformation plastique. C'est une combinaison entre la bonne résistance à la rupture et la bonne ductilité. Une des façons de définir la ténacité est l'aire l' aire de la surface engendrée par la courbe de traction. La ténacit ténacitéé peut être mesurée par l'essai de Résilience de Résilience Charpy Charpy.. (les termes Résil Résilence ence et Ténacité ont des significations équivalentes). 

 

La dureté  •

La dureté est un paramètre permettant de caractériser les matériaux. Il existe plusieurs manières de déterminer la dureté d'un matériau dont certaines font l'objet de norme

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précise. - La dureté de Mohs

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- La dureté Brinell

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- La dureté Vickers

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- La dureté Knoop

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- La dureté Rockwell B et C

 

Dureté Brinell  •

L'essai Brinell utilise comme poinçon une bille en acier trempé ou en carbure de tungstène de 10 mm de diamètre (D). La pression est maintenue pendant 15 à 30 s selon le métal. On applique une charge (F) de 500 ou 3000 kgf. On mesure le diamètre (d) de l'empreinte en millimètres.

 

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Dureté Vickers La dureté Vickers a été conçue dans les années 1920 par les ingénieurs de la société soci été Vickers Vickers en Angleterre. Elle est caractérisée par l'empreinte faite par un identeur sous une charge donnée durant 15 secondes. L'indenteur est formé d'une pyramide en diamant à base carrée dont les faces opposées font un angle de 136°. La charge appliquée est comprise entre 1 et 120 kgf. kgf. Le côté de l'empreinte l 'empreinte est de l'ordre de 0,5 mm, la mesure s'effectuant à l'aide d'un microscope. La dureté Vickers ( HV) est calculée e à l'aide de la formule suivante :

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où F est la charge appliquée en kgf et D, la diagonale de l'empreinte en millimètres. La profondeur de pénétration est H = D / 7. Cetde essai appliqué principalement aux métaux, mais peut l'être également appliqué auxHcéramiques avec trèsest faibles charges.  

 

Conditions d'essai  L’essai est normalement effectué à température constante  constante  La charge est appliquée progressivement sans chocs, ni vibrations et maintenue à sa valeur finale  pendant 10 à 15 secondes secondes On préparera la surface pour éviter toute altération L’épaisseur de la pièce est ≥ 1,5 d  d  La charge d’essai sera  sera  49 N ≤ F ≤ 981 N; pour les aciers (la charge normale étant F = 294N);  294N);   43 N≤F≤ 180N; pour Al, Cu et ses alliages;  alliages;   La pièce doit reposer sur un support rigide Pour des essais successifs on choisira  b et a ≥ 2.5d (pour les aciers)  aciers)  a ≥ 3d et b ≥ 6d (pour AI, Cu et alliages).  alliages). 

 

 

Un ensemble de mesure de dureté permet d'affiner les caractéristiques mécaniques des différents différents types de matériaux. • •

pénétration, utilisée dans - dureté Shore (1907) : mesure l'élasticité par la profondeur de pénétration, le domaine des élastomères,

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- dureté Meyer : mesure la plasticité et l'élasticité,

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On utilise un duromètre Brinell. Soit D (mm), le diamètre de l'empreinte laissée par une

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charge F (N) : HM = 4F/πD2  4F/πD2  

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- dureté Berkovich : pénétration d'un indenteur de forme "pyramidal" tétraédique,

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- dureté Barcol : pénétration d'une pointe en acier, acier, utilisé pour les plastiques durs, résines

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composites (éviers, baignoires...), échelle graduée de 0 à 100, 10 0, - dureté Leeb (1975) : mesure du rebond d'un percuteur percuteur,, du nom de D. Leeb ingénieur

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suisse,

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- dureté UCI ultrasonic convert impedance (1961) : méthode de mesure électrique,

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- dureté Martens,

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- dureté Buchholz : domaine des revêtements organiques organiques (vernis et peintures), longueur l ongueur

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de l'empreinte laissée par une roue biseautée sous une charge de 500 g,

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crayon n ou Wolff-Wilborn : domaine des surfaces fragiles (peinture, revêtement, - dureté crayo ...), trace laissée par un crayon dans la gamme 6B à 7H sous une charge de 7,5 N et un

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angle de 45°,

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- dureté Persoz-Kö Persoz-König, nig, dureté Sward : domaine des revêtements organiques (peintures,

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...),

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- dureté Monnin, dureté Janka : utilisée pour le bois,

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