LES MATÉRIAUX. Les Aciers Les Fontes Les alliages d'aluminium Les alliages de Cuivre Symboles chimiques Influence des éléments d'addition

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1 LES MATÉRIAUX Les Aciers Les Fontes Les alliages d'aluminium Les alliages de Cuivre Symboles chimiques Influence des éléments d'addition

2 Les Aciers Diagramme Fer-Carbone Désignation selon l'emploi Les aciers non alliés Les aciers faiblement alliés Les aciers fortement alliés

3 Diagramme Fer-Carbone

4 Diagramme Fer-Carbone Fer α : Il a une structure cristalline cubique centrée qui n existe qu en dessous de 906 C. Ne dissout pratiquement pas le carbone. Il est très malléable. Fer γ : Il a une structure cristalline cubique à face centrée qui n existe qu entre 906 C et 1400 C. Il dissout facilement le carbone

5 Diagramme Fer-Carbone Ferrite : C'est une solution solide (dans la structure cubique centrée) d'un ou de plusieurs éléments dans le fer α. C'est du fer pratiquement pur qui ne contient que des traces de carbone (0.008%) à température ambiante. Sa solubilité maximale est de 0.02% en masse à 727 C. Elle n'est pas très dure (Hv :80 à 100), peu tenace (Rm=300N/mm²), mais elle est très ductile (A=35% après rupture).

6 Diagramme Fer-Carbone Austénite : C est une solution solide de carbone dans le fer γ qui peut dissoudre jusqu'à 1,7% de C. C'est une solution solide de carbone (ou de plusieurs éléments) dans le fer γ, elle peut dissoudre jusqu'à 1.7%. C'est le constituant intermédiaire de durcissement par trempe, après chauffage (austénitisation) et avant refroidissement (trempe). Elle est assez douce et assez facile à usiner. Elle possède un coefficient de dilatation élevé et une bonne résistance à l'usure.

7 Diagramme Fer-Carbone Martensite: C'est une solution solide d'insertion sursaturée de carbone dans le Fer γ. C'est le constituant de trempe le plus dur (HV=800), mais il est fragile. Elle est obtenue par refroidissement rapide et de ce fait pénètre plus ou moins au cœur de la matière. Elle est très dure, difficilement usinable et assez fragile

8 Diagramme Fer-Carbone Eutectoïde: C'est une transformation de phase solide-solide à température constante. Elle a lieu à 727 C pour 0,85% de Carbone Elle transforme l'austénite en perlite (ferrite + cémentite) Eutectique: C'est une transformation de phase à température constante. Le matériau se comporte comme un corps pur.

9 Désignation selon l'emploi Les aciers peuvent être désignés selon leur emploi et leurs caractéristiques mécaniques ou physiques Lettre Signification de la lettre Signification du nombre S Acier de construction Valeur minimale de la limite d'élasticité en N/mm² E Acier de construction mécanique Valeur minimale de la limite d'élasticité en N/mm² B Acier à béton Valeur minimale de la limite d'élasticité en N/mm² Si l'acier est moulé, la désignation est précédé d'un G

10 Les aciers non alliés Ces aciers non alliés sont désignés par la lettre C suivi d'un chiffre représentant le centuple de la teneur en carbone Exemple: C 45 Cet acier non allié (C) possède une teneur en carbone de 0,45 % Si l'acier est moulé, la désignation est précédé d'un G 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%)

11 Les aciers non alliés Application: % C < 0,3% Aciers utilisés pour la cémentation (apport de carbone en surface de la pièce puis trempe pour un durcissement superficiel en gardant une bonne tenacité à coeur) 0,3% < % C < 0,5% Aciers utilisés pour les traitements thermiques «classiques» : trempe, revenu % C > 0,5% Aciers utilisés pour des pièces avec de grandes dureté, de bonne résistance à l'usure. Exemple d'application: RESSORT: C60

12 Les aciers faiblement alliés Ces aciers sont désignés par: - 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 sont multiplié par un facteur dépendant du matériau. Eléments Facteur Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10 Ce, N, P, S 100 B 1000 Si l'acier est moulé, la désignation est précédé d'un G Ce sont des aciers dont la teneur de chaque élément d'addition est inférieur à 5 % et dont la teneur en manganèse est inférieure à 1%

13 Les aciers faiblement alliés Exemple: 20MoCr5 - Acier faiblement allié posséde une teneur en carbone de 0,2 %. - La teneur en molybdéne est de 0,5 % - Il y a des traces (non quantifiées) de chrome. G18NiCrMo6 - Acier faiblement allié est moulé et posséde une teneur en carbone de 0,18 % - La teneur en Nickel est de 1,25 %. - Il y a des traces (non quantifiées) de chrome et de molybdéne

14 Les aciers faiblement alliés Ce sont des aciers pour traitements thermiques. Les éléments d'addition améliorant les caractéristiques mécaniques, la résistance à la corrosion, le comportemet des matériaux face aux traitements thermiques (voir l'influence des éléments d'addition) Exemple d'application: 100 Cr 6 Acier pour roulement à billes

15 Les aciers fortement alliés 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. Si les aciers désignés sont moulés, leur désignation est précédé d'un G Ce sont des aciers dont la teneur d'un au moins des éléments d'addition est supérieur à 5 %

16 Les aciers fortement alliés Exemple : X6 Ni Cr Ti Cet acier fortement (X) allié posséde une teneur en carbone de 0,06 % - 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.

17 Les aciers fortement alliés Aciers inoxydales austénitiques: X 6 Cr Ni Ti Nickel-chrome: ductilité, résilience, mauvaise usinabilité. Ils sont utilisés pour les cuves, réservoirs, pièces embouties Aciers inoxydales ferritiques: X6 Cr 17 Chrome: toujours ductile,faible résilience, mauvaise usinabilité. Ils sont utilisés pour l'équipement ménager, décoration Aciers inoxydales martensitiques: X30 Cr 13 Chrome: forte résilience, trempable, forgeable, bonne usinabilité. Ils sont utilisés pour l'industrie mécanique

18 Les Fontes Les fontes à graphite lamellaire Les fontes à graphites sphéroïdales Les fontes malléables

19 Les fontes à graphite lamellaire la désignation de fontes à graphite lamellaire est composée de : - Le préfixe EN suivi d'un tiret - Les lettres GJL qui représente la fonte à graphite lamellaire - Un tiret - Un nombre correspondant à la résistance minimale à la rupture par extension en MPa. Exemple : EN- GJL-250 Cette fonte à graphite lamellaire posséde une résistance à la traction d'au moins 250 Mpa.

20 Les fontes à graphite sphéroïdale la désignation de fontes à graphite sphéroïdale est composée de : - Le préfixe EN suivi d'un tiret - Les lettres GJS qui représente la fonte à graphite sphéroïdale - Un tiret - Un nombre correspondant à la résistance minimale à la rupture par extension en MPa. - Un tiret - Un nombre correspondant au % d'allongement après rupture. Exemple : EN- GJS Cette fonte à graphite sphéroïdale posséde une résistance à la traction d'au moins 500 Mpa et une valeur minimale d'allongement de 7%.

21 Les fontes malléables la désignation de fontes malléables est composée de : - Le préfixe EN suivi d'un tiret - Les lettres GJM qui représente la fonte malléable - la lettre W pour le coeur blanc (white) ou la lettre B pour le coeur noir (black) - Un nombre correspondant à la résistance minimale à la rupture par extension en MPa. - Un tiret - Un nombre correspondant au % d'allongement après rupture. Exemple : EN- GJMW Cette fonte malléable à coeur blanc posséde une résistance à la traction d'au moins 450 Mpa et une valeur minimale d'allongement de 7%.

22 Les alliages d'aluminium Les alliages d'aluminium moulés Les alliages d'aluminium corroyés

23 Alliage d'aluminium moulé la désignation de l'aluminium moulé est composée de : - Le préfixe EN suivi d'un espace - La lettre A qui représente l'aluminium - La lettre B qui représente les produits moulés - Un tiret puis le code numérique - Les symboles chimiques de l'aluminium puis des éléments d'addition suivi de leur teneur. Ces éléments sont classés par ordre décroissant de leur teneur. Exemple : EN AB-2110 [AlCu4MgTi] Cet aluminium est moulé est composé d'aluminium, de 4 % de cuivre, de trace de magnésium et de titane (moins de 1 %)

24 Alliage d'aluminium corroyé Le corroyage est une opération consistant à déformer une pièce avec allongement (forgeage, laminage, etc...) à chaud ou à froid afin d'obtenir une pièce de la forme désirée. La désignation de l'aluminium moulé est composée de : - Le préfixe EN suivi d'un espace - La lettre A qui représente l'aluminium - La lettre W qui représente les produits corroyés - Un tiret puis le code numérique - Les symboles chimiques de l'aluminium puis des éléments d'addition suivi de leur teneur. Ces éléments sont classés par ordre décroissant de leur teneur. Exemple : EN AW-2024 [AlCu4Mg1] Cet aluminium corroyé est composé d'aluminium, de 4 % de cuivre et de 1 % de magnésium.

25 Les alliages de Cuivre La désignation de l'aluminium moulé est composée de : - La lettre C qui représente l'aluminium - La lettre W qui représente les produits corroyés (B ou C pour les produits moulés) - Un tiret puis le code numérique sur la composition chimique - Les symboles chimiques du cuivre puis des éléments d'addition suivi de leur teneur. Ces éléments sont classés par ordre décroissant de leur teneur. Exemple : C W -612 N [Cu Zn39 Pb2] Cet alliage de cuivre corroyé est composé de cuivre, de 39 % de zinc et de 2 % de Plomb.

26 Les alliages de Cuivre Les laitons: Cu + Zn - Prix plus faible que le bronze - Bonne résistance à la rupture (Rr) et allongement élevé (A%) - Bonne aptitude au moulage Les bronzes: Cu + Sn - Plus couteux que le laiton - Bonne résistance à la corrosion - Mmeilleures caractéristiques mécaniques que le laiton - Moins bonne aptitude au moulage

27 Nom Symb ole Nom Symb ole Aluminium Al Nickel Ni Antimoine Sb Niobium Nb Beryllium Be Phosphore P Bore B Plomb Pb Cérium Ce Potassium K Chrome Cr Silicium Si Cobalt Co Soufre S Cuivre Cu Tantale Ta Etain Sn Titane Ti Fer Fe Tungstène W Magnésium Mg Vanadium V Manganèse Mn Zinc Zn Molybdène Mo Zirconium Zr

28 INFLUENCE DES ELEMENTS D'ALLIAGE Aluminium Azote Carbone Chrome Cobalt Manganèse Molybdène Nickel Silicium Soufre Titane Tungstène Vanadium L'aluminium a été, jusqu'à présent peu ajouté dans les aciers à outils en raison de son rôle néfaste sur les propriétés de mise en oeuvre telles que la transformation à chaud, l'usinabilité et l'aptitude à la rectification, ainsi que sur les caractéristiques de ténacité et de trempabilité. Toutefois, les progrès réalisés dans les modes d'élaboration permettent d'envisager des additions importantes (supérieures ou égales à 1 %) dans certains aciers à haute teneur en carbone. Cette addition d'aluminium entraîne des effets remarquables sur l'évolution des micro-structures au cours des cycles thermiques.

29 INFLUENCE DES ELEMENTS D'ALLIAGE Aluminium Azote Carbone Chrome Cobalt Manganèse Molybdène Nickel Silicium Soufre Titane Tungstène Vanadium L'azote a une solubilité très faible (0,04 %) dans l'acier á l'état liquide. L'addition de certains éléments comme le chrome, le manganèse, le molybdène et le vanadium entraîne une augmentation de la solubilité de cet élément et il est possible de conserver des teneurs comprises entre 0,10 et 0,13 % après solidification de certains aciers à haute teneur en chrome et vanadium (aciers à coupe rapide par exemple). Ajouté en substitution partielle au carbone, l'azote entraîne une augmentation des propriétés mécaniques à chaud et de la résistance á la corrosion d'aciers à outils contenant des additions importantes de chrome; par contre, il entraîne un abaissement de la ductilité, de l'aptitude au soudage ainsi que de l'aptitude à l'usinage par certains procédés non conventionnels comme l'électroérosion.

30 INFLUENCE DES ELEMENTS D'ALLIAGE Aluminium Azote Carbone Chrome Cobalt Manganèse Molybdène Nickel Silicium Soufre Titane Tungstène Vanadium Elément essentiel pour durcir l'acier, et la variation de la dureté HRC en fonction de la teneur en carbone d'un acier non allié. Au-delà de 0,6% de carbone, on atteint la zone des aciers à outils caractérisée par de hauts niveaux de dureté et qui correspond au domaine des aciers de travail à froid des aciers à coupe rapide. L'augmentation progressive de la teneur en carbone conduit à une réduction des domaines de température correspondant à la transformation à chaud et au traitement thermique.

31 INFLUENCE DES ELEMENTS D'ALLIAGE Aluminium Azote Carbone Chrome Cobalt Manganèse Molybdène Nickel Silicium Soufre Titane Tungstène Vanadium Cet élément est utilisé dans la plupart des aciers à outils, en quantité allant de 0.5 à 17%. Le chrome joue un rôle essentiel dans l'augmentation de la trempabilité. Il forme des carbures qui participent à la résistance à l'abrasion et s'opposent au grossissement de grains lors de l'austénitisation. Il provoque, par ailleurs, un certain retard à l'adoucissement lors du revenu, ce qui améliore la résistance à chaud. Il entraîne également une très forte réduction de l'oxydation à haute température.

32 INFLUENCE DES ELEMENTS D'ALLIAGE Aluminium Azote Carbone Chrome Cobalt Manganèse Molybdène Nickel Silicium Soufre Titane Tungstène Vanadium II est communément ajouté en quantités variables entre 3 et 15 %, notamment dans les aciers rapides qui travaillent dans des conditions sévères. II permet d'effectuer la trempe à des températures plus élevées. II accroît la dureté à chaud dans toute l'échelle de température allant de l'ambiante à 600 C et retarde le sur-vieillissement de l'acier au-delà du durcissement secondaire. II améliore également la résistance á l'oxydation catastrophique de l'acier lors du chauffage entre 1000 et 1100 C, surtout pour des teneurs supérieures à 5 %. Par contre, il diminue la ductilité de l'acier pour des teneurs supérieures à 3 % et a une action néfaste sur la trempabilité, si bien que les nuances à forte teneur en cobalt posent des problèmes d'obtention de dureté pour des outillages de dimensions importantes.

33 INFLUENCE DES ELEMENTS D'ALLIAGE Aluminium Azote Carbone Chrome Cobalt Manganèse Molybdène Nickel Silicium Soufre Titane Tungstène Vanadium Le Manganèse a, sur le comportement des aciers à outils, une influence analogue à celle du nickel. II se trouve, en général, présent comme élément résiduel à des teneurs comprises entre 0,3 et 0,5 %. Certains aciers à outils contiennent jusqu'à 2 % de manganèse pour des problèmes de trempabilité et, jusqu'à 1 % de cet élément lorsqu'ils sont resulfuré.

34 INFLUENCE DES ELEMENTS D'ALLIAGE Aluminium Azote Carbone Chrome Cobalt Manganèse Molybdène Nickel Silicium Soufre Titane Tungstène Vanadium Ils se comportent comme le Tungstène. Les aciers au molybdène présentent par rapport aux aciers au tungstène, un certain nombre d avantages et d inconvénients : Avantages : meilleure ductilité et densité plus faible. Inconvénients : plus grande sensibilité à la décarburation et au phénomène d'oxydation catastrophique pour des maintiens entre 1000 et 1100 C, plus grande sensibilité au phénomène de surchauffe, d'où réduction de la fourchette de température de trempe.

35 INFLUENCE DES ELEMENTS D'ALLIAGE Aluminium Azote Carbone Chrome Cobalt Manganèse Molybdène Nickel Silicium Soufre Titane Tungstène Vanadium Le nickel, à l'exception de certains aciers d'outillages à chaud, se trouve simplement comme élément résiduel dans les aciers à outils, à des teneurs inférieures á 0,3 %. En raison de son influence directe sur le taux d'austénite résiduelle après trempe, cet élément entraîne des difficultés de traitement thermique au revenu dans les aciers à outils chargés en carbone et éléments carburigénes. Il a une influence favorable sur la trempabilité, la résistance aux chocs et la ténacité des calamines, ainsi que son influence plutôt défavorable sur la résistance au revenu.

36 INFLUENCE DES ELEMENTS D'ALLIAGE Aluminium Azote Carbone Chrome Cobalt Manganèse Molybdène Nickel Silicium Soufre Titane Tungstène Vanadium II se trouve dans tous les aciers à outils à une teneur voisine de 0,3%, car il est utilisé comme désoxydant dans l'acier liquide au stade final de l'élaboration. Il peut être avantageux d'augmenter sa teneur jusqu'aux environs de 1 % pour plusieurs raisons : - Réduction de la sensibilité á l'oxydation catastrophique entre 1000 et 1100 C pouvant contrebalancer les influences néfastes du molybdène et du vanadium; - Augmentation de la trempabilité par effet de synergie avec des éléments comme le molybdène ; - Augmentation de la dureté et de la résistance á l'adoucissement dans le domaine de température de revenu C

37 INFLUENCE DES ELEMENTS D'ALLIAGE Aluminium Azote Carbone Chrome Cobalt Manganèse Molybdène Nickel Silicium Soufre Titane Tungstène Vanadium Le soufre, incorporé dans les aciers à outils jusqu'à des teneurs voisines de 0,1 %, permet d'améliorer l'usinabilité et l'état de surface des outils. Cette amélioration est d'autant plus importante que l'acier contient plus de carbone et d'éléments carburigènes. La réduction de ductilité provoquée par les additions de soufre n'est pas très importante dans le domaine des aciers à outils car les inclusions de sulfures sont en général associées aux carbures. Pour des teneurs en soufre supérieures à 1 %, les propriétés de résistance à l'usure de l'acier sont fortement affectées.

38 INFLUENCE DES ELEMENTS D'ALLIAGE Aluminium Azote Carbone Chrome Cobalt Manganèse Molybdène Nickel Silicium Soufre Titane Tungstène Vanadium Le titane, peut être ajouté dans certains aciers à outils de forte résistance à l'usure. Toutefois, le taux d'addition doit être rigoureusement contrôlé pour éviter de trop gros amas de carbures tout á fait préjudiciables pour les problèmes de mise en oeuvre par rectification ou électro-érosion.

39 INFLUENCE DES ELEMENTS D'ALLIAGE Aluminium Azote Carbone Chrome Cobalt Manganèse Molybdène Nickel Silicium Soufre Titane Tungstène Vanadium Le tungstène ne se met que très peu en solution dans la cémentite, mais donne naissance à des carbures de haute dureté conférant aux aciers une grande résistance à l'usure. De plus il offre, il offre la possibilité de durcissement secondaire. Par la présence de carbures primaires, le tungstène diminue la tendance des aciers au grossissement du grain par surchauffe. Sa forte masse atomique en font un élément très ségrégé, d'ou une augmentation sensible de l'hétérogénéité de l'acier. Les aciers à outils au tungstène sont peu sensibles à la décarburation, mais ont une résistance thermique assez faible.

40 INFLUENCE DES ELEMENTS D'ALLIAGE Aluminium Azote Carbone Chrome Cobalt Manganèse Molybdène Nickel Silicium Soufre Titane Tungstène Vanadium Utilisé essentiellement comme élément générateur de carbures. C'est un élément d'alliage important dans les aciers rapides pour l'obtention d'une bonne dureté à chaud et une bonne résistance à l'usure. De petites additions voisines de 0.2% en masse sont très efficace pour éviter le grossissement du grain lors du traitement thermique. Le Vanadium est rarement utilisé seul dans les aciers à outils, mais la plupart du temps en association avec le chrome, molybdène et le tungstène. La teneur en vanadium est étroitement associée à la teneur en carbone. Pour chaque 1% de vanadium ajouté, il faut augmenter la teneur massive en carbone de 0.25%. Des additions de vanadium trop importantes entraînent des problèmes de trempabilité, et des additions de carbone trop importantes entraînent des difficultés de forgeage

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