ISI ANIMER UN MECANISME DOSSIER RESSOURCE : Matériaux 1.La désignation des métaux et des alliages (uniquement celle nécessaire au TP) 1.1.Les métaux ferreux 1.1.1.Définition : On appelle alliage ferreux tout alliage constitué essentiellement de Fer (Fe) et de Carbone (C). Les qualités métallurgiques et mécaniques d'un alliage ferreux sont en grande partie déterminées par sa teneur en carbone. Le diagramme d'équilibre Fe-C simplifié (fig. a) met en évidence les deux domaines d'alliages ferreux. Le domaine des aciers dont la teneur maximale en carbone est de 1,7 %. Le domaine des fontes dont la teneur en carbone varie de 1.7 % à 6.67 %. On distingue : les aciers et les fontes non alliées, constituées uniquement de fer et de carbone, les aciers et les fontes alliées, contenant, en faible quantité, des éléments d'addition (silicium, manganèse, aluminium,...etc.) qui améliorent leur qualité. 1.1.2.Les aciers (d'après la norme NF EN 10025, IC 10, NF EN 10027) 1.1.2.1.Les aciers faiblement alliés Parmi ces aciers, on trouve les aciers à outils (35 Cr Mo 4 ; 100 Cr 6). Toutes les étapes de la fabrication nécessitent des outils dont les conditions d'utilisation peuvent être très variées (choc, tranchant, dureté). La teneur en carbone est en général assez élevée (de l'ordre de 0,6 % à 1 %) sauf pour les outils travaillant aux chocs (moule d'injection pour matière plastique). On appel acier faiblement allié, un acier dont la teneur en manganèse est 1 % et dont la teneur de chaque élément d'alliage est <5 %. La désignation est composée de la façon suivante : un nombre entier, égal à cent fois le pourcentage de la teneur moyenne en carbone, Exemple : 55 correspond à 0,55 % de carbone. (Cette désignation est incomplète, il manque le ou les éléments d'addition). un ou de plusieurs groupes de lettres, qui sont les symboles chimiques des éléments d'addition. Ces symboles sont indiqués suivant un ordre très précis, l'ordre décroissant des teneurs. Le premier symbole indique que c'est lui qui possède le plus haut % et ainsi de suite jusqu'au dernier qui est celui qui possède le plus petit %. Dossier ressource : Matériaux page 1 sur 6
une suite de nombres qui est indiquée dans le même ordre que les éléments d'alliage. Ces nombres indiquent le % de la teneur moyenne de chaque élément. Ces teneurs sont affectées d'un coefficient (ou facteur) multiplicateur, variable en fonction des éléments d'alliage. Reprenons l'exemple précédent en le complétant : 55 Cr 3 correspond à 0,55 % de carbone et à (3/4) % de chrome, soit 0,75 % car le chrome est affecté du coefficient 4. Exemple : 53 Cr V 4 correspond à 0,53 % de carbone et à (4/4) % de chrome, soit 1 % car le chrome est affecté du coefficient 4 et moins de 1 % de vanadium. TABLEAU DES FACTEURS DES ELEMENTS LES PLUS COURANTS Elément d'alliage Facteur Elément d'alliage Facteur Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Ce, N, P, S 100 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Ta, Ti, V, 10 B 1000 Zr TABLEAU DES PRINCIPAUX ELEMENTS UTILISES EN METALLURGIE Elément d'alliage Symbole chimique Facteur * Elément d'alliage Symbole chimique Facteur * Elément d'alliage Symbole chimique Facteur * Aluminium Al 10 Cuivre Cu 10 Plomb Pb 10 Antimoine Sb Etain Sn Potassium K Argent Ag Fer Fe Sélénium Se Azote N 100 Gallium Ga Silicium Si 4 Baryum Ba Hydrogène H Sodium Na Béryllium Be 10 Lithium Li Soufre S 100 Bismuth Bi Magnésium Mg Strontium Sr Bore B 1000 Manganèse Mn 4 Tantale Ta 10 Brome Br Molybdène Mo 10 Titane Ti 10 Cadmium Cd Nickel Ni 4 Tungstène W 4 Carbone C Niobium Nb 10 Uranium U Chlore Cl Or Au Vanadium V 10 Césium Ce 100 Oxygène O Zinc Zn Chrome Cr 4 Phosphore P 100 Zirconium Zr 10 Cobalt Co 4 Platine Pt * : uniquement pour les aciers faiblement alliés. Dossier ressource : Matériaux page 2 sur 6
1.1.2.2.Les aciers fortement alliés Parmi ces aciers, nous avons les aciers inoxydables dont le chrome est l'élément d'addition essentiel. A des teneurs supérieures à 12 % il rend l'acier pratiquement inoxydable en favorisant la formation d'un film passif à sa surface. On utilise ce type d'acier en visserie, pour les ressorts, pour les arbres de pompes, les soupapes,...etc. On appelle acier fortement allié, un acier dont la teneur d'au moins un élément d'alliage est 5 %. La désignation est composée de la façon suivante : une lettre X qui est suivie par la même désignation que celle des aciers faiblement alliés, à l'exception des valeurs des teneurs qui sont des pourcentages réels. Les valeurs qui caractérisent le pourcentage des éléments d'addition sont indiquées dans l'ordre croissant. Exemple : X45 Cr Ni 18-10 correspond à 0,45 % de carbone, 18 % de Chrome et 10 % de Nickel. 1.2.Les métaux non-ferreux Bien que ne représentant que 10 % (en masse) 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 œuvre. Ces avantages l'emportent dans certaines applications, malgré le coût de revient plus élevé de ces alliages. Nous nous limiterons à l'étude des alliages d'aluminium. 1.2.1.L'aluminium et ses alliages 1.2.1.1.Aluminium et alliages d'aluminium moulés (Norme NF EN 17 80) Le point de fusion de l'aluminium est particulièrement bas ( 600 C) ce qui le rend particulièrement apte aux opérations de fonderie. Compte tenu de ces avantages, c'est un alliage principalement utilisé en aéronautique, dans l'industrie alimentaire et cryogénique, pour les articles de sport et les structures utilisées en atmosphère marine. La désignation utilise un code numérique qui peut être suivi si nécessaire par une désignation utilisant les symboles chimiques des éléments d'addition et de nombres indiquant la pureté de l'aluminium ou la teneur nominale des éléments d'addition en %. Exemple de désignation usuelle : EN AB-4300 ou EN AB-4300 [Al Si 10 Mg] : alliage d'aluminium moulé, contenant 10 % de silicium et du magnésium (- de 1 %). Exemple de désignation exceptionnelle : EN AB-Al Si 10 Mg. Dossier ressource : Matériaux page 3 sur 6
Désignations globales (nuances usuelles) EN AB - 1050 [Al 99.5] EN AB - 21 000 [Al Cu 4 Mg Ti] EN AB - 43 000 [Al Si 10 Mg] EN AB - 44 200 [Al Si 12] EN AB - 51 300 [Al Mg 5] Emplois principaux Appareils ménagers. Matériels électriques. Se moule bien, s'usine bien. Ne pas utiliser en air salin. Se moule très bien, s'usine et se soude bien. Convient en air salin Se moule et se soude très bien. Sa forte teneur en silicium rend l'usinage difficile. Excellente aptitude à l'usinage, au soudage et au polissage. Résiste bien à l'air salin. 1.2.1.2.Aluminium et alliages d'aluminium corroyés (Norme NF EN 573) La désignation utilise un code numérique qui peut être suivi si nécessaire par une désignation utilisant les symboles chimiques des éléments d'addition et de nombres indiquant la pureté de l'aluminium ou la teneur nominale des éléments d'addition en %. Exemple de désignation usuelle : EN AW-2017 ou EN AW-2017 [Al Cu 4 Mg Si] : alliage d'aluminium, contenant 4 % de cuivre, du magnésium (- de 1 %) et du silicium (- de 1 %). Exemple de désignation exceptionnelle : EN AW- Al Cu 4 Mg Si. Nuances usuelles* EN AW - 1350 [EAl 99.5]** EN AW - 1050 [Al 99.5] EN AW - 5154 [Al Mg 3.5] EN AW - 5754 [Al Mg 3] EN AW - 5086 [Al Mg 4] EN AW - 2017 [Al Cu 4 Mg Si] EN AW - 2030 [Al Cu 4 Pb Mg] EN AW - 7075 [Al Zn 5.5 Mg Cu] EN AW - 7049 [Al Zn 8 Mg Cu] Emplois principaux Matériel électrodomestique. Chaudronnage. Matériel pour les industries chimiques & alimentaires Pièces chaudronnées : citernes, cuves, tubes, tuyauteries. Pièces usinées & forgées. Pièces décolletées (fragmentation de copeaux). Pièces usinées et forgées de hautes caractéristiques mécaniques. Bonne résistance aux agents atmosphériques & à l'air salin. Bonne soudabilité. Il faut éviter de les utiliser à l'air salin. Ils se soudent difficilement. * Produits étirés, filés, laminés, forgés. ** Pour les applications électriques particulières, le symbole Al est précédé de la lettre E. Dossier ressource : Matériaux page 4 sur 6
1.3.Les polymères (matières plastiques) 1.3.1.Définition Un plastique est un mélange dont le constituant de base est une résine, ou polymère, à laquelle on associe des adjuvants (charges, renforts, plastifiants, stabilisants, anti-oxydant) et des additifs (pigments et colorants, ignifugeants, lubrifiants, fongicides). Plastique = Polymère + Adjuvant + Additif 1.3.2.Propriétés Les plastiques présentent de nombreux avantages : faible masse volumique, bonne résistance chimique (corrosion notamment), esthétisme (formes, couleurs), isolation thermique et électrique, coût généralement faible. Les emplois sont limités dans les cas suivants : tenue en température, résistance mécanique, stabilité dimensionnelle, conservation des caractéristiques dans le temps. Les plastiques peuvent se classer suivant deux catégories : Les thermoplastiques, Les thermodurcissables. 1.3.3.Les Thermoplastiques Lorsqu'ils sont soumis à l'action de la chaleur, ils arrivent à une phase pâteuse (ou une fusion). Lors de la solidification le matériau retrouve son état initial (comportement thermique comparable aux métaux). Ils peuvent être refondus, ils sont recyclables thermiquement. Ils peuvent se souder, se cintrer. Ils sont visqueux et imprègnent difficilement les fibres. Dossier ressource : Matériaux page 5 sur 6
Symbole Signification Aspect Avantages Inconvénients Applications ABS Acrylonitrile- Butadiène-Styrène Transparent ou opaque. Facile à coller, bonne stabilité dimensionnelle. Alimentaire. Rigide Electrostatique, cassant. Mauvaise résistance aux essences. Pots de yaourts, pièces thermoformées, présentoirs, armoires de toilette, planche à voile. 1.3.4.Les Thermodurcissables Lorsqu'ils sont soumis à l'action de la chaleur, ils arrivent à une phase pâteuse (température d'injection dans le moule), puis ils subissent une transformation chimique interne irréversible qui durcit définitivement la matière (comportement comparable à l'argile qui durcit sous l'action de la chaleur). Il n'y a plus de fusion possible, ils ne sont pas recyclable thermiquement, ils ne peuvent pas se souder. Parce qu'au départ ils sont fluides, ils peuvent très bien imprégner les fibres. Les thermodurcissables sont rarement utilisés seuls pour faire des pièces homogènes. Au contraire, ils sont utilisés pour imprégner d'autres produits tels que les fibres (pneus de voitures), des circuits électriques ou électroniques, des feuilles de papier, du bois ou du tissu. On les trouve aussi comme colle, facile à utiliser et très résistante comme les polyépoxydes (Araldite) et les polyuréthannes ou comme peintures et vernis. Dossier ressource : Matériaux page 6 sur 6