Cours MTR2000 Matériaux Métalliques Examen final Automne 2006

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1 QUESTION N 0 1 (2 points) 1) De quels alliages sont faites les aubes de turbine dans les parties les plus chaudes (T C) des moteurs d avion? Alliages réfractaires à base de Ni ou Co (résistance à l oxydation et bonnes propriétés mécaniques à haute température) 2) Quel type de structure confère t-on à l heure actuelle à ces aubes? Structure colonnaire orientée ou structure monograin 3) Quelle technique de fabrication met-on en œuvre pour obtenir ce type de structure? Technique de solidification dirigée 4) Quel bénéfice ce type de structure apporte t-il pour l utilisation en service? Meilleure résistance au fluage et à la fatigue thermique QUESTION N 0 2 (4 points) Les procédés de mise en forme des métaux peuvent induire une anisotropie de la microstructure. Il y a deux types d anisotropie qu on nomme texture morphologique et texture cristallographique. Qu est ce qu une texture morphologique? Il y a anisotropie (ou texture) morphologique quand des éléments de la structure ont une forme non équiaxe, càd une forme plus allongée dans une direction que dans une autre. Qu est ce qu une texture cristallographique? Il y a anisotropie (ou texture) cristallographique quand les grains ne sont pas orientés aléatoirement mais qu ils ont une orientation cristallographique particulière ou préférentielle. 1

2 Dans chacun des cas suivants : 1) fonderie/moulage avec structure de solidification colonnaire 2) fonderie/moulage avec inoculants 3) mise en forme par déformation plastique à chaud 4) mise en forme par déformation plastique à froid indiquez si le procédé de fabrication peut induire une structure métallurgique : - ayant une anisotropie (ou une texture) morphologique (M)? - ayant une anisotropie (ou une texture) cristallographique (C)? - ayant une anisotropie morphologique et cristallographique (M+C)? - n ayant aucune anisotropie? Pour chacun des 4 cas, répondre à la première ligne par «M», «C», «M+C» ou par «aucune anisotropie». Justifiez votre réponse à la deuxième ligne en précisant les particularités de chaque structure. 1) Fonderie/moulage avec structure de solidification colonnaire M+C : germination et croissance de dendrites allongées et orientées dans les directions (100) (cc) 2) Fonderie/moulage avec inoculants Aucune : germination et croissance de dendrites équiaxes et non orientées au sein du liquide 3) Mise en forme par déformation plastique à chaud M : fibrage inclusionnaire, structure en bandes (aciers), allongement des grains (alus) 4) Mise en forme par déformation plastique à froid M+C : allongement des grains selon la déformation macroscopique avec rotation progressive du cristal vers une orientation préférentielle 2

3 QUESTION N 0 3 ( 1,5 points) 1) Quel phénomène peut faire augmenter la température d un métal au cours d un procédé de mise en forme par déformation plastique? Création de chaleur selon le travail de déformation plastique (T ) Création de chaleur selon le travail de frottement (T ) 2) Quel phénomène peut faire diminuer la température d un métal au cours d un procédé de mise en forme par déformation plastique? Perte de chaleur par conduction avec un outil froid ou par rayonnement et convection depuis une surface libre 3) Indépendamment des cadences de production, quel intérêt y a t-il à faire une mise en forme à grande vitesse de déformation? Déformation à chaud : minimiser les pertes de chaleur avec les outils plus froids Déformation à froid : favoriser l échauffement adiabatique (meilleure ductilité). La chaleur créée par la déformation plastique n a pas le temps d être évacuée vers les outils. QUESTION N o 4: (2 points) Quels sont les deux traitements de recuits des aciers qui impliquent un chauffage dans le domaine austénitique, mais qui n ont pas les mêmes vitesses de refroidissement? Dans le cas d un acier de composition eutectoïde, quelles microstructures obtient t-on par les deux traitements? Traitement 1 : recuit de normalisation Traitement 2 : recuit complet Microstructure : perlite fine Microstructure : perlite grossière Pourquoi la vitesse de refroidissement influence t-elle la microstructure obtenue? C est une diffusion plus importante du carbone qui a permis la formation d une perlite grossière lors du recuit complet (faible vitesse de refroidissement). Quelles sont les conséquences sur les propriétés mécaniques : comparer les limites d élasticité et les allongements à la rupture? ( répondre par «inférieur à», «égal à» ou «supérieur à») : R e (1) supérieur à R e (2) A%(1) inférieur à A%(2) 3

4 Compression Tension Cours MTR2000 Matériaux Métalliques Examen final Automne 2006 QUESTION N o 5: (2,5 points) Le revenu de la martensite brute de trempe peut s effectuer à des températures variables. Dans quelle plage de températures pratique t-on habituellement le revenu? Plage de températures : T min = 500 o C T max = 650 o C Quelle est l évolution générale de la microstructure au cours du revenu? Retour partiel vers les phases d équilibre : M + Fe 3 C Pour un temps de revenu donné, quelle est l influence d une augmentation de la température de revenu sur les propriétés mécaniques? (répondre par «augmente», «ne varie pas» ou «diminue» ) : R e : diminue A% : augmente Expliquer par l évolution de la microstructure l influence de la température de revenu sur les propriétés mécaniques : Une diffusion plus importante du carbone permet de retourner davantage vers l équilibre : grossissement et coalescence des particules de cémentite Fe 3 C. QUESTION N o 6: (3,5 points) Comment la composition en carbone affecte t-elle la soudabilité des aciers d usage général? L augmentation de la teneur en carbone rend l acier plus trempable et donc plus susceptible à la fissuration à froid sous cordon. Pour quelle raison un acier inoxydable (non martensitique) peut-être difficile à souder? Grossissement des grains (aciers ferritiques), sensibilité à la corrosion intergranulaire, risque de fissuration à chaud. La distribution des contraintes résiduelles longitudinales dans un joint soudé bout à bout est représentée sur le schéma ci-contre. Quelle est la cause de ces contraintes résiduelles? y R e La contraction à la solidification du cordon de soudure est bridée par les tôles froides adjacentes. Il s instaure des contraintes de tension dans le cordon balancées par des contraintes de compression dans les tôles adjacentes. x Cordon de soudure 4

5 Un recuit de détente vers 600 o C peut être pratiqué après le soudage pour relaxer les contraintes résiduelles. Quel autre intérêt ce recuit peut-il avoir? Revenu de la martensite et des structures de trempe éventuelles; stabilité dimensionnelle; diffusion de l hydrogène hors de la soudure. Donner deux raisons pour lesquelles un alliage d aluminium peut être difficile à souder : Risques de fissuration à chaud dans le cordon; Survieillissement des alliages durcis par précipitation; Conductibilité thermique et affinité pour l oxygène élevées. QUESTION N o 7: ( 2 points) Quelles sont les causes des quatre types de défaut suivants qui peuvent apparaître dans un lingot ou une billette de coulée continue? Le lingot ou la billette sont utilisés pour fabriquer des profilés par extrusion à chaud. Les défauts auront-ils disparu après l extrusion? Si votre réponse est non, quelles conséquences peuvent-ils encore avoir sur les propriétés du matériau corroyé? Défaut : Cause Disparu? (oui ou non) Si non, conséquence : Soufflures Dégagement de gaz oui Porosités Ségrégation majeure Retrait à la solidification Intervalle de solidification oui Propriétés hétérogènes Inclusions Ajout d éléments désoxydants ou désulfurants anisotropie de la ductilité (fibrage inclusionnaire) QUESTION N o 8: (2,5 points) Des éprouvettes de traction sont prélevées dans une barre d acier laminée chaud de 120 mm de diamètre, l une dans le sens de laminage (L), l autre dans le sens travers (T). Des éprouvettes de ténacité Charpy sont aussi prélevées dans les deux sens (L ou T) comme indiqué ci-dessous. T direction L de laminage 5

6 Les résultats des essais de traction (à C) et ceux des essais Charpy ( de C à C) sont représentés schématiquement ci-dessous : L W L T T Indiquez dans chacun des cercles le sens de prélèvement des éprouvettes (L ou T). Justifiez votre réponse pour les courbes de traction : Parce que la ductilité diminue dans le sens perpendiculaire au fibrage Justifiez votre réponse pour les courbes Charpy : La ténacité est supérieure quand la fissure se propage perpendiculairement au fibrage Pour un sens de prélèvement donné, quelles peuvent être les conséquences d un grossissement accidentel des grains lors du laminage à chaud? (répondre par «augmente», «ne varie pas» ou «diminue» ) : - sur la limite d élasticité? diminue - sur la ductilité? diminue - sur la ténacité? diminue Quelle peut-être la cause du grossissement des grains lors du laminage? Une température de laminage trop élevée Quel traitement thermique peut être appliqué après le laminage pour regénérer une structure ferrito-perlitique uniforme et fine? Un recuit de normalisation 6