Métaux Opaques, solides, denses, très bons conducteurs de chaleur et d électricité. Grande plasticité qui permet de les déformer.

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1 Caractéristiques ristiques fondamentales des matériaux Métaux Opaques, solides, denses, très bons conducteurs de chaleur et d électricité. Grande plasticité qui permet de les déformer. Polymères Peu denses, isolants thermiques et électriques. Facile à mettre en forme à température ambiante. Faibles propriétés mécaniques. Supportent mal la chaleur. Céramiques Grande rigidité, résistance thermique élevée et une forte inertie chimique. Isolantes, très dures, mais fragiles et difficiles à former

2 Les aciers Maximum : 1,8% de carbone Avantages Inconvénient majeur Métal ductile Peut subir des changements de forme à froid et à chaud Il prend la trempe Il est sensible à la corrosion σm 500 MPa σel 350 MPa A% 25% Les aciers d usage général Faible teneur en carbone < 0,2% Produits longs Produits plats

3 Les aciers Les aciers de traitement thermique Aciers au carbone (exemple C 32) Aciers alliés Les aciers à outils être plus dur à chaud que le matériau à usiner, résister à l usure à l abrasion et à la déformation; avoir une ténacité nécessaire (résistance à la rupture et aux chocs); être chimiquement inerte par rapport à la matière usinée; être chimiquement stable (résister à l oxydation et à la dissolution); avoir une bonne conductibilité thermique et une bonne résistance aux chocs thermiques.

4 Les aciers Les aciers à outils Aciers rapides en base de tungstène contenant 0.7 % de carbone (C), de 12 à 20 % de tungstène (W), environ 4 % de chrome (C), de 1 à 5 % de vanadium et jusqu à 12 % de cobalt (Co) ; Aciers rapides en base de molybdène contenant de 6 à 13 % de tungstène, de 3.5 à 10 % de molybdène. Les aciers inoxydables Éléments qui rendent l acier inoxydable : Chrome (au moins 12 %) et Nickel ; Attention à la corrosion intergranulaire des aciers austénitiques. L acier inoxydable est un matériau alimentaire

5 Les fontes Teneur en carbone de 2 à 8% fragiles & pas élastiques ; Utilisés en fonderie. Densité plus... que l acier? Fontes blanches : perlite + cémentite ; refroidissement rapide ; Dures & fragiles mais résistantes à l usure ; Fontes grises : graphite + ferrite ; refroidissement lent ; Moins dures & moins fragiles ; amortissent les vibrations bâtis ; Fontes malléables obtenues à partir de fontes blanches dans lesquelles on élimine le carbone plus résistantes & plus malléables ; Fontes à graphites sphéroïdales : excellentes propriétés mécaniques (carter de pompes, vilebrequins, engrenages,...

6 Les alliages d aluminiumd Faible densité ; Bas point de fusion ; Très grande ductilité ; Résiste bien à la corrosion par passivation ; Tenue mécanique délicate au-delà de 150 C.

7 Les alliages de cuivre Conductibilité électrique & thermique ; Malléabilité ; Qualités chimique & alimentaire ; Résistance à l usure ; Sensibilité à la corrosion mais passivation ; Cher. Alliages Bronzes Laitons Maillechorts Cupro-aluminiums Coussinets, roues dentées,ressorts... Robinetterie, moulage, visserie Orfèvrerie, résistances électriques Pièces de frottement

8 Les alliages de zinc Bas point de fusion Moulage ; Coût peu élevé Concurrence les aluminiums ; Les alliages de titane Excellent rapport entre la résistance et la densité ; Très résistants à la corrosion ; Chers. Turboréacteurs, prothèses dentaires, moteurs de courses,...

9 Les alliages réfractairesr Alliages employés à des températures de 700 C à 1000 C Alliages à base de nickel et de fer ; Alliages à base de nickel ; Alliages à base de cobalts. Disque du moteur M88-2 de l'avion Rafale, fabriqué à partir de poudres de superalliage à base de Nickel résistances électriques chauffantes, soupapes d'échappement des moteurs à combustion interne, fours industriels et équipements de traitements thermiques,

10 Diagramme fer-carbone

11 Traitements thermiques des aciers Trempe 1 - But : La trempe est un traitement thermique qui donne à l'acier une grande dureté par transformation de l'austénite en martensite. 2 - Principe : Une trempe se compose de trois phases principales : Chauffage : destiné à amener l'acier à l'état austénitique. Acier hypoeutectoïde (de 0 à 0,85% de carbone). Température de chauffage (Ac C). La ligne Ac3 va de 721 C à 906 C, le chauffage d'un acier hypoeutectoïde dépend donc de sa teneur en carbone. Acier eutectoïde (0,85 % de carbone). Température de chauffage (Ac C) soit environ 780 C. Acier hypereutectoïde (de 0,85 à 1,7% de carbone) Température de chauffage (Ac C) soit environ 780 C Maintien à température d'austénisation. Dépend : Des dimensions et des formes de la pièce. Des types d'aciers, 15 min pour les aciers ordinaires, 30 min pour les aciers alliés, en particulier pour ceux contenant des carbures Refroidissement (eau ou huile) : C'est lui qui conditionne la structure finale. De lui dépend l'apparition de nouveaux constituants tels que : (dans l'ordre croissant de dureté) troostite, bainite, martensite.

12 Traitements thermiques des aciers Revenu 1 - But : C'est un traitement complémentaire à la trempe. Il diminue ses effets, il supprime les tensions internes ; par conséquent, il atténue la fragilité mais également la dureté. 2 - Principe : Chauffage : La température de revenu se situe entre 180 C et 721 C (Ac1), c'està-dire en dessous de la température d'austénisation. Elle varie également en fonction du type d'acier et des résultats désirés Maintien : Le temps moyen est de 2 heures Refroidissement : Le temps idéal est d'une heure ; un temps plus court donne une transformation incomplète ; un temps plus long donne une transformation beaucoup plus coûteuse.

13 Traitements thermiques des aciers Recuit 1 - But : Supprimer les tensions internes existant dans la pièce brute moulée, matricée, etc... La structure obtenue est du type ferrite-perlite. L'état recuit correspond aux valeurs minimales de ténacité et aux valeurs maximales de ductilité. Réduire ainsi les déformations ultérieures au cours des traitements et des usinages. Adoucir le métal en favorisant l'usinabilité. 2 - Principe : Se pratique avec un chauffage (Ac C), un maintien à température 30mn, un refroidissement suffisamment lent à l'air ou au four pour éviter la formation de constituants de trempe.

14 Traitements thermochimiques des aciers Une trempe suit ce traitement pour durcir la pièce. Cémentation 1 - But : En construction mécanique, il est souvent impératif d'allier deux caractéristiques : K et HRC. K nécessite peu de carbone : 0,1 à 0,2%. Par contre, HRC nécessite de 0,6 à 0,9% de carbone. Il faut donc obtenir des pièces de constitutions hétérogènes dont seule la périphérie sera trempée. 2 - Principe : a.la cémentation se fait sur des pièces en acier doux. Celles-ci sont chauffées à une température suffisante en présence d'un corps riche en carbone (charbon de bois + carbonate de baryum ou sels alcalins + cyanure de potassium ou gaz carbonique + gaz d'hydrocarbure). La couche superficielle absorbe le carbone et se transforme en acier dur. b.les déformations et le calaminage sont importants. Ainsi faut-il nécessairement rectifier après traitement les surfaces de qualité 7, et même 8 éventuellement. c.il faut éviter la cémentation des angles vifs qui deviennent trop fragiles ; en particulier, les filetages ne doivent pas être cémentés. 3 - Aciers de cémentation : a.aciers non alliés : C10, C12, C20. b.aciers alliés : ils sont utilisés quand on recherche un maximum de propriétés mécaniques. Le Cr, Ni ou Mo active la cémentation, le Ni s'oppose au grossissement du grain.

15 Traitements thermochimiques des aciers Nitruration Une trempe et un revenu précèdent ce traitement. 1 - But : Obtenir une pièce résiliente à cœur et très dure en surface. 1.Pièce cémentée trempée : HRC = 60 (dureté conservée à 200 C) 2.Pièce trempée nitrurée : HRC = 75 à 80 (dureté conservée à 500 C HRC = 60, Rm = 230 dan/mm). 2 - Principe : C'est un durcissement superficiel obtenu par réaction de l'azote et de certains alliages ferreux (fer + ammoniac, constitué d'hydrogène et d'azote, le tout chauffé à 550 C). L'azote en présence forme des nitrures de fer, ce qui provoque une augmentation de dureté. L'acier traité doit contenir de l'aluminium car celui-ci limite la pénétration des nitrures. 3 - Matériaux à nitrurer : Aciers alliés de 0,3 à 0,6 % de carbone + de l'aluminium et du chrome : 40 Cr Al Mo 6 12

16 Traitements thermochimiques des aciers Carbonitruration But : C'est un procédé de durcissement superficiel permettant au métal d'absorber du carbone et de l'azote dans une atmosphère constituée de carbone et d'ammoniac. Principe : Le procédé est un compromis entre la cémentation et la nitruration. Le durcissement provient surtout de la carburation de la couche extérieure de la pièce. Le rôle de l'azote est surtout d'abaisser le point de transformation. La température (Ac3) pour la trempe qui suit est moins élevée 700 C (donc moins de déformations). Sulfinisation But : La sulfinisation ou cémentation par le souffre communique à la surface traitée une haute résistance à l'usure, sans accroissement de la dureté. Elle s'applique à tous les matériaux ferreux. Principe : Les pièces sont chauffées à 570 C pendant trois heures dans un creuset de cyanure et de sels dérivés du souffre, le refroidissement se fait dans l'eau à 80 C. Résultats obtenus et applications : On obtient une couche d'environ 0,3 mm, il faut prévoir 0,02 à 0,03 mm de surépaisseur pour la rectification. Une bonne résistance aux frottements résulte de la porosité de la couche traitée (réserve de graissage). Ce traitement est surtout utilisé pour les pièces de frottements servant de contact mobile : les patins, les coussinets, les glissières de machines-outils.

17 Corrosion des métauxm Corrosion généralisg ralisée Elle traduit la compatibilité d un matériau vis-à-vis de son milieu. le métal à l'état actif subit une attaque sensiblement uniforme et régulière de sa surface. C'est la manifestation typique de l'action des acides minéraux sur le fer. Le métal est dissout de manière uniforme sur toute la surface exposées. Corrosion par piqûre Elle concerne plus particulièrement les métaux passivables. Manifestation classique de l'attaque des chlorures sur les aciers inoxydables. Seule une faible surface externe est affectée, mais l'attaque se prolongeant en profondeur, la résistance mécanique de l'équipement est rapidement affectée.

18 Corrosion des métauxm Corrosion galvanique Elle se produit lorsque deux métaux différents sont en contact l un avec l autre et qu un électrolyte (milieu corrosif) est présent. Pour limiter les risques il faut choisir des métaux dont les potentiels électrochimiques sont voisins. Une différence de 300 mv est acceptable dans beaucoup de cas. Dans les assemblages à risque, il faut toujours chercher à affecter le matériau dont le potentiel est le moins élevé au composant de plus grande surface.

19 Corrosion des métauxm La corrosion caverneuse apparaît aux endroits où la géométrie de la pièce favorise l'acidification locale de la solution (présence d'une pliure, zone de contact entre deux pièces, rivets, joints, zones de ligne d'eau...). Corrosion caverneuse Corrosion intergranulaire La corrosion intergranulaire intervient lorsque le matériau comporte des hétérogénéités de structure. La corrosion se développe aux points de jonction des grains du métal, détruisant progressivement la cohésion du matériau. Cette manifestation est quasiment invisible à l'oeil nu mais affecte considérablement la résistance mécanique du métal.

20 Protection contre la corrosion des métauxm La protection contre la corrosion des métaux comporte plusieurs démarches auxquelles on a recours séparément ou conjointement. Les principes généraux sont les suivants: choisir le matériau métallique le plus adapté et résistant dans le milieu considéré; isoler la surface métallique du milieu corrosif par l'application d'un revêtement protecteur (métallique ou organique: peinture, matière plastique) ou par une modification de la surface du matériau (phosphatation, chromatation, oxydation); utiliser des méthodes électriques consistant à imposer un petit courant (anodique ou cathodique, selon le cas) au système, ce qui empêche ou atténue considérablement la vitesse de corrosion du métal. Dans la protection anodique, le courant crée un film d'oxyde superficiel et rend passif le métal à protéger. Dans la protection cathodique, on utilise un générateur ou des anodes solubles, dites sacrificielles, à base de zinc, magnésium et aluminium pour porter le métal (à protéger) à un potentiel où la réaction de dissolution ne se produit pas.

21 Influence des éléments d addition d sur les métaux m ferreux Nickel : augmente la résistance et facilite la trempe ; Chrome : augmente résistance et dureté ; élément anticorrosion au-delà de 12% ; Manganèse : résistance, dureté, mais difficile à usiner (pour moulage et forgeage ; Molybdène : augmente la trempabilité ; Silicium : qualités magnétiques (tôles de pièces polaires et transformateurs) ; Tungstène : résistance et dureté à chaud (outils de coupe) ; Cobalt : dureté ; améliore les qualités magnétiques (aimants) ; Vanadium : aciers pour outils à grande vitesse de coupe ; moins d affûtages.

22 Essai de traction Essai de résiliencer

23 Essais de dureté Dureté Brinell Dureté Rockwell Dureté Vickers

24 Essais de dureté Correspondance entre les essais et Rm Pour les aciers, on a approximativement R m = 3,5HB

25 Influence du % de carbone sur σ el et K

26 Matières plastiques Polyaddition

27 Matières plastiques Polycondensation

28 Matières plastiques Le polymère remplit l'empreinte et on le compacte car il est compressible au cours du refroidissement. Le polymère est figé puis on éjecte la pièce, lorsqu'elle est assez rigide, en séparant les 2 parties du moule et on recommence une autre pièce. Injection Exemples d'objets : Pare-chocs, pièces sous capot, tableaux de bord, fax, téléviseurs, téléphones, emballage, bouchons Utilisée pour élaborer des objets intérieurement évidés. On pousse le polymère à travers une filière de forme choisie puis une guillotine le découpe à la longueur désirée Extrusion Exemples d'objets : profilés, tubes, protection latérale des portières de voitures, fenêtres, plinthes électriques

29 Matières plastiques Extrusion-gonflage Exemples d'objets : sachetterie, palettisation sous film, conditionnement automatique Extrusion-soufflage Exemples d'objets : flacons pour pharmacie et parfumerie, bouteilles pour boissons gazeuses

30 Matières plastiques Thermoformage Exemples d'objets: plateaux repas, conditionnement pharmaceutique (gellules...), barquettes, pots pour produits laitiers, masques, jouets, coaques de bateaux, enseigneslumineuses, cartes en relief

31 Matières plastiques Thermoplastiques Polyéthylène, polypropylène, polycarbonate, polyamide, polyoxyde, polysulfuré, polyfluoré, polyester saturé,... Thermodurcissables Polyester insaturé, phénoplaste, aminoplaste, polyépoxyde, silicone, polyuréthane,... Elastomères Caoutchouc, gutta-percha,...

32 Matériaux composites

33 Matériaux composites

34 Matériaux composites σ/d en MPa carbone HT fibres synthétiques verre R verre E kevlar 29 sic bore + B 4 C carbone HM kevlar 49 métaux E/d en MPa

35 Matériaux composites

36 Matériaux céramiques c techniques