Choix et désignation des métaux et alliages

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1 Éléments de dessin technique ( : Automne 2004) Choix et désignation des métaux et alliages 25 Cr Mo 4-25 EN - GJS Cu Zn 36 Pb 2 Hocine KEBIR Maître de Conférences à l UTC Poste : 7927 Hocine.kebir@utc.fr 1/33

2 Introduction Appui Fermeture arrière Crochet Mousse Socle Fermeture avant Fixation du snowboard 2/33

3 Critères res de choix Les critères de choix d une matière première pour une construction mécanique sont nombreux et difficilement structurables Propriétés mécaniques Résistance en traction, tenue en fatigue, dureté superficielle, Forme et dimensions (des pièces à obtenir) Enveloppes minces, formes usinées, formes brutes simples Critères de choix Propriétés physiques Conductibilité électrique, thermique, densité, Prix de revient Dépend de l importance de la série fabriquée Propriétés chimiques Résistance à la corrosion, revêtements de surfaces, aptitude au collage 3/33

4 Essais et caractéristiques ristiques mécaniquesm Les essais mécaniques permettent d évaluer les qualités mécaniques des matériaux utilisés. Ils sont pratiqués soit : Directement sur les pièces Sur des éprouvettes - échantillons du matériau considéré Essai de dureté Essai de traction Essais pour la caractérisation du matériau Essai de résilience Essai d endurance 4/33

5 Essais et caractéristiques ristiques mécaniques m : Essai de traction L'essai de traction mesure la résistance à l extension et l allongement Il définit un certain nombre de paramètres qui caractérisent le comportement du matériau dans les domaines : Élastique Module d'élasticité : E Limite élastique Re=Fe/So Plastique - limite de résistance à la traction : Rm=Fm/So - Allongement en pour cent après la rupture A Vidéo Section initiale So Éprouvette La désignation des aciers utilise ces paramètres Rm et Re. 5/33

6 Propriétés s mécaniques m : Essai de dureté La dureté, de symbole général H, caractérise la capacité d'un matériau à résister au marquage (empreintes, rayures...), à l'usure. Elle peut être évaluée en mesurant une empreinte laissée en surface par un poinçon agissant sous l'action d'une force connue (essais Brinell, Vickers et Rockwell) Machine d essais de dureté BRINELL VICKERS 6/33

7 Propriétés s mécaniques m : Résilience La résilience, de symbole général K, caractérise la capacité d'un matériau à absorber les chocs sans se rompre ; ce risque est amplifié aux basses températures. Elle est mesurée sur des machines du type Charpy (éprouvette sur deux appuis) L'essai, qui est un essai comparatif entre matériaux, mesure l'énergie qu'il faut fournir à un pendule pesant pour briser une éprouvette entaillée du matériau à tester. La résilience est égale au rapport de L'énergie absorbée par l'éprouvette sur l'aire de la section au droit de l'entaille. Éprouvette d'essai de résilience 7/33

8 Notions de traitements thermiques Le revenu La Trempe Le recuit Traitement thermiques pour Modifier les Caractéristiques mécaniques du matériau 8/33

9 Notions de traitements thermiques : La trempe La trempe consiste à chauffer lentement un alliage métallique (certains aciers, certains alliages de cuivre, certains alliages d aluminium) puis à le refroidir brutalement en le trempant dans l eau ou dans une huile. Les caractéristiques mécaniques de l alliage sont modifiées : La dureté (H) augmente La résilience (K) diminue La résistance à la traction augmente L allongement (A%) diminue Avant trempe Après trempe à l eau Rm (en Mpa) K (j/cm2) Rm (en Mpa) K (j/cm2) Trempe d une éprouvette en C Trempe d une éprouvette en C 35 E /33

10 Notions de traitements thermiques : Le revenu Le revenu est pratiqué pour diminuer l effet néfaste de la trempe : la diminution de la résilience. Il a l inconvénient d atténuer un peu les effets bénéfiques : augmentation de Rm et H On place les pièces dans un four. On chauffe lentement. On refroidit brutalement (mais un peu moins brutalement que la trempe) dans l huile ou dans l air C45 E avant trempe C45 E trempé à l eau C45 E après revenu à 550 H (Dureté) K (Résilience) /33

11 Notions de traitements thermiques : Trempe - Revenu Température ~900 C Maintien en température chauffage Refroidissement brutal ~500 C Temps Trempe ~4h Revenu 11/33

12 Notions de traitements thermiques : Le recuit But Supprimer ou diminuer les tensions internes résultant de l obtention d une pièce par moulage ou forgeage ou soudure Annuler les effets d une trempe ( pour refaire un usinage par exemple) Mode Opératoire On chauffe lentement à ~900 (pour l acier) On maintient en température On refroidit très lentement (On laisse les pièces dans le four éteint) 12/33

13 Familles de matériaux Fontes Alliages ferreux à graphite lamellaire à graphite sphéroïdal Matières plastiques Aciers Malléables Non alliés Faiblement alliés Fortement alliés Alliages non ferreux Alliages d aluminium Alliages de cuivre Familles de matériaux Matières composites 13/33

14 Désignation La désignation des matériaux ne peut pas s affranchir de l évolution technologique. Elle subit fréquemment des modifications. Un ingénieur doit pouvoir s adapter entre plusieurs normes en fonction des situations : Ancienne norme française Désignation numérique Nouvelle norme européenne Norme américaine Appellation commerciale des fabricants Exemple Fonte à graphite lamellaire EN-JL 1030 Désignation numérique EN-GJL-200 Désignation symbolique FGL 200 Ancienne désignation Deux désignations sont actuellement en service: Désignation symbolique en usage courant. Désignation numérique mieux adaptée au traitement informatique. 14/33

15 Alliages ferreux Ce sont principalement des alliages de fer Fe et de carbone C, éventuellement complétés de Nickel Ni, Chrome Cr, Silicium Si, Fontes % en carbone > 2,1% Fontes à graphite lamellaire : GJL Fontes sphéroïdal : GJS Fontes malléables : GJMW, GJMB Aciers % en carbone < 2,1% Acier Non alliés Aciers faiblement alliés Acier fortement alliés Acier rapides 15/33

16 Obtentions des fontes La fonte s'obtient dans les hauts fourneaux à partir de minerai de fer et du coke (carbone). L'élévation de température conduit à la fusion de la charge et à la transformation chimique, ce qui permet d obtenir de la fonte liquide et des résidus: laitier et gaz Minerai de fer : Hématite Coke 16/33

17 Fontes Fe + C : % en carbone > 2,1% Fontes à graphite lamellaire GJL Fontes sphéroïdal GJS Très facilement moulables et usinables Matériaux peu résistants aux chocs L addition de petites quantités de magnésium améliore la résilience et les caractéristiques mécaniques Moulage plus complexe Symbole Symbole Pourcentage de l allongement après la rupture EN - GJL Préfixe Valeur de la résistance minimale à la rupture par extension EN - GJS Préfixe Valeur de la résistance minimale à la rupture par extension 17/33

18 Fontes Fe + C : % en carbone > 2,1% Fontes malléables GJMW -GJMB Obtenues par un traitement thermique de recuit Malléabilité améliorée Symbole à cœur blanc (white) Pourcentage de l allongement après la rupture EN - GJMW Symbole à cœur noir (black) Pourcentage de l allongement après la rupture EN - GJMB Préfixe Valeur de la résistance minimale à la rupture par extension Préfixe Valeur de la résistance minimale à la rupture par extension 18/33

19 Aciers Fe + C : % en carbone < 2,1% Aciers d usage courant Acier Non alliés Aciers Aciers faiblement alliés Acier fortement alliés 19/33

20 Obtentions des Aciers Il est obtenu à partir de la fonte liquide dans un convertisseur. Le passage de la fonte à l'acier s'effectue grâce à l'insufflation d'oxygène pur pour éliminer l'excédent de carbone et d'impuretés par brûlage. 20/33

21 Aciers d usage d courant Valeur minimale de la limite élastique en MPa Valeur minimale de la limite élastique en MPa S 235 E 295 Symbole pour aciers d usage général Symbole pour aciers de construction S il s agit d un acier moulé, la désignation est précédée de la lettre G GE 295 Ces aciers ne conviennent pas pour un traitement thermique 21/33

22 Aciers Non Alliés Teneur en manganèse < 1% Pourcentage de la teneur moyenne en carbone multipliée par 100. Soit 0.40% de carbone C 40 Symbole pour acier non allié S il s agit d un acier moulé, la désignation est précédée de la lettre G GC 25 Ces aciers conviennent pour traitement thermique et forgeage 22/33

23 Aciers faiblement alliés Teneur en manganèse < 1% Teneur de chaque élément d alliage < 5% Pourcentage de la teneur moyenne en carbone multipliée par 100, soit 0.25 % Un ou plusieurs groupes de lettes qui sont les symboles des éléments d addition rangés dans l ordre des teneurs décroissantes. Ici, Chrome (Cr) et Molybdène (Mo) 25 Cr Mo 4-25 Une suite de nombre rangés dans le même ordre que les éléments d alliages, et indiquant le % de la teneur moyenne de chaque élément. Les teneurs sont multipliées par un coefficient variable en fonction des éléments d alliage. 23/33

24 Aciers faiblement alliés Coefficient multiplicateur Élément d alliage Coef. Élément d alliage Coef. Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Ce, N, P, S 100 Al, Be, Cu, Mo, Pb, Ta, TI, V,Zr 10 B Cr Mo % de chrome (4/4 = 1) et 2.5% de Molybdène (25/10 = 2.5) 24/33

25 Aciers fortement alliés Teneur d au moins un élément d alliage 5% Désignation symbolique proche de celle des aciers faiblement alliés sauf pour les % des éléments d addition Pourcentage de la teneur moyenne en carbone multipliée par 100, soit 0.05 % Un ou plusieurs groupes de lettes qui sont les symboles des éléments d addition rangés dans l ordre des teneurs décroissantes. Ici, Chrome (Cr) et Nickel (Ni) X 5 Cr Ni Symbole acier fortement allié Une suite de nombre rangés dans le même ordre que les éléments d alliages, et indiquant le % réél de la teneur moyenne de chaque élément. Ici, 18 % de Chrome et 10 % de Nickel 25/33

26 Alliages Non ferreux Bien que ne représentant que 10 % des matériaux métalliques utilisés industriellement, les alliages non ferreux n en restent pas moins utilisés pour certaines de leurs propriétés spécifiques : masse volumique faible, propriétés électriques, résistance à la corrosion et à l oxydation, facilité de mise en oeuvre. Ces avantages l emportent dans certaines applications, malgré le coût de revient plus élevé de ces alliages. Alliages d aluminium Alliages de cuivre Alliages non ferreux 26/33

27 Alliages d aluminiumd Notre planète est composée de plusieurs éléments : l oxygène à 47%, le silicium à 28%, l aluminium à 8%, le fer vient ensuite à 5%. Nous le rencontrons à l état d oxydes : alumine (Al2 O3) et alun (sulfate d aluminium). Le minerai le plus utilisé pour la production industrielle est la bauxite. L aluminium est trois fois plus léger que l acier. Il est très utilisé en aéronautique 27/33

28 Alliages d aluminiumd Codage numérique Éventuellement suivi par une désignation utilisant les symboles chimiques des éléments d alliage suivis de nombre indiquant leur teneur centésimale dans l alliage. Ici, 10 % de silicium et des traces de magnésium EN-AB [Al Si 10 Mg] Préfixe A : Symbole métallurgique de l aluminium B : Alliage moulé 28/33

29 Alliages de cuivre Le cuivre allié Teneur de l élément d alliage 1% Les Alliages De Cuivre Teneur d au moins un élément d alliage 1% Symbole de l élément d addition avec sa teneur en pourcentage. Ici Chrome 1% Cu Cr1 Symbole de l élément d addition avec sa teneur en pourcentage, ici :Zinc 36 % Cu Zn 36 Pb 2 Symbole de l élément d addition avec sa teneur en pourcentage, ici : Plomb 2 % Symbole du cuivre Symbole du cuivre On appelle «bronze» un alliage de cuivre et d étain, exemple : CuSn12 On appelle «laiton» un alliage de cuivre et de zinc, exemple : CuZn15 29/33

30 Tableau des éléments chimiques Élément d alliage Symbole chimique Élément d alliage Symbole chimique Aluminium Al Magnésium Mg Antimoine Sb Manganèse Mn Argent Ag Molybdène Mo Azote N Nickel Ni Bérylium Be Niobium Nb Bismuth Bi Phosphore P Bore B Plomb Pb Cadmium Cd Silicium Si Cérium Ce Soufre S Chrome Cr Strontium Sr Cobalt Co Titane Ti Cuivre Cu Tungstène W Etain Sn Vanadium V Fer Fe Zinc Zn Gallium Ga Zirconium Zr Lithium Li 30/33

31 Matières composites Un composite est l assemblage de plusieurs matériaux non miscibles de nature différente et dont les qualités se complètent afin d obtenir un matériau hétérogène dont les performances sont supérieures à celles de ses composants. Composite =Matrice + Renfort Le renfort : constitue le squelette de la pièce et qui supporte l essentiel des efforts La matrice : assure la liaison de l ensemble, répartit les efforts et joue un rôle de protection des renforts En industrie, les matériaux composites ont différents domaines d'application : électricité et électronique, bâtiment et travaux publics, transports routiers, ferroviaires, maritimes, aériens et spatiaux, sports et loisirs (skis,raquette de tennis,planche à voile, surf, ) Coupe d une planche à voile 31/33

32 Matières plastiques Un plastique est un mélange dont le constituant de base est une résine, ou polymère, à laquelle on associe des adjuvants (renforts, plastifiants, stabilisants, anti-oxydants, ) et des additifs (pigments et colorants, lubrifiants, ) Plastique = Polymère + Adjuvants + Additifs Casque de moto Principaux plastiques Coque en polycarbonate Intérieur en néoprène 32/33

33 Fin 33/33