I- INTRODUCTION : Pour vivre convenablement, l homme préhistorique a besoin de maîtriser son environnement matériel. Il utilise les pierres et le bois pour y parvenir : c est l âge de la pierre, il y a 2,5 millions d années. De la même manière, l âge du feu, il y a environ 400 000 ans, et la sédentarisation, vers 10 000 ans avant nativité, permettent à l homme de se chauffer et de s abriter par transformation et utilisation de la matière. Deux nouvelles étapes sont franchies avec l âge du bronze, vers 2500 avant nativité dans le bassin méditerranéen, et avec l âge du fer, vers 1800 avant nativité en Mésopotamie. Les civilisations connaissant leur élaboration dominent celles qui ne la connaissent pas. C est seulement en 1821 que la bauxite, minerai de l aluminium, est découverte par Pierre Berthier (1782-1861) dans la mine des Baux de Provence (France). En 1885, l aluminium est produit par électrolyse. L ère des matières plastiques prend forme avec les frères John Wesley et Isaiah Hyatt, ils fabriquent une boule de billard en celluloïd, substitut à l utilisation de l ivoire. En 1909, Leo Hendrik Baekland (1863-1944) élabore la bakélite (résine). Le polystyrène, et le polyéthylène apparaissent dans les années 1930. La résine époxyde apparaît en 1947. Le polypropylène et le polycarbonate datent des années 1950. La Seconde Guerre mondiale et la reconstruction en Europe imposent un nouveau mode de vie où l homme est aidé dans ses activités journalières par les machines. Celles-ci doivent répondre à des critères électriques, écologiques, esthétiques, mécaniques et d hygiène que seule l association intelligente de matériaux peut fournir. II- IDENTIFICATION DES MATERIAUX : Toute matière entrant dans une construction devient un matériau. Les matériaux sont à la source de la technologie et du monde industriel. La réussite technique et le succès commercial d un produit fabriqué dépendent en grande partie du ou des matériaux choisis. Sélectionner un matériau n est généralement pas une opération simple compte tenu de la grande variété proposée. Le choix dépend autant du prix que des qualités propres du matériau et du procédé de fabrication retenu pour la réalisation. Il existe des matériaux naturels : Le bois, la pierre, l argile. Ces matériaux furent les premiers à être utilisés par l'homme. Le progrès technique a permis de produire des matériaux élaborés : d'extraire des métaux à partir de minerai de les mélanger pour fabriquer des alliages de mettre au point des matières plastiques synthétiques à partir d'éléments naturels comme carbon, pétrole, le bois ou le gaz naturel. de concevoir des matériaux composites de plus en plus utilisés dans les industries du transport. Remarque : Par extension le nom de métal est attribué à tous les alliages de métaux purs que nous utilisons communément. Les principales familles de matériaux Voir ci-dessous : 248
III- PROPRIÉTÉS GÉNÉRALES DES MATÉRIAUX : La définition complète d un organe de machine exige la détermination de sa forme et de ses dimensions, le choix de la matière constructive, de l état des surfaces, des traitements, etc ; le choix du matériau résulte d une comparaison entre : - d une part les conditions d emploi de la pièce ; - d autre part les propriétés des matériaux. L analyse technique permet de déterminer les conditions d emploi, le choix final exige la connaissance des propriétés des matériaux. Nous rappellerons d abord les propriétés générales des matériaux, puis nous donnerons les propriétés des principaux matériaux utilisés en construction mécanique. 3.1- Propriétés physiques : a- Masse volumique : Dans les mêmes conditions des volumes et des températures, les métaux ont la particularité de posséder des masses différentes et notamment > à celle de l eau. 3 3 3 3 ( ρeau = 1 g / cm ; ρal = 2,58 g / cm ; ρfe = 7,9 g / cm ; ρcu = 8,95 g / cm ) à température ambiante. b- Dilatabilité : C est l accroissement ou la réduction des dimensions d un corps en fonction d une variation de température. c- Conductibilité Résistivité: Propriété de transmettre la chaleur, l électricité. d- Fusibilité : C est le passage de l état solide à l état liquide sous l action de la chaleur. e- Malléabilité : Un métal est malléable lorsqu il peut être réduit en feuilles plus mince (exemple : papier aluminium) f- Ductilité : C est la propriété qui permet à un métal d être étiré ou tréfilé en fil de faible section (exemple : fils électrique...). g- Fluidité : Propriété de certains métaux de pouvoir se mouler facilement. h- Soudabilité : C est des métaux qui peuvent se lier entre eux sous l action de la chaleur par friction. i- Perméabilité magnétique : Placés dans un champ magnétique, certains matériaux ont la propriété de concentrer les lignes de force ; ce sont les corps ferro-magnétiques Remarque : Caractéristiques physiques des principaux métaux : 249
3.2- Propriétés mécaniques : a- Ténacité : C est la résistance à la rupture sous l action d un effort de traction, compression, cisaillement, torsion ou flexion. b- Élasticité : C est la propriété de revenir à la forme initiale après une déformation plus ou mois grande. c- Dureté (H) : C est la résistance à la pénétration d un corps par un autre en dan / cm 2 = bar. d- Résilience (K) : C est la résistance aux chocs, et aux efforts brusques en daj / cm 2. e- Endurance : Aptitude à subir des efforts variables en grandeur et en direction ; elle est déterminée par un certain nombre d essais, et caractérisée par la limite d endurance à n répétitions. f- Résistance au fluage : Aptitude à la résistance à la déformation sous l action conjuguée d une charge, d une élévation de température et du temps. 3.3- Propriétés chimiques : a- Action des agents chimiques : (acides, bases, sels, etc.) Action très variable suivant les matériux ; la plupart des métaux sont sensibles aux agents chimiques, les matières plastiques sont en général insensibles. b- Action de l oxygène : (Inoxydabilité) C est la propriété de résistance à l attaque de O 2 et H 2 O, comme Nickel, Chrome, Étain... Al, Zn, Cu, Pb se couvert à l aide d une couche d oxyde qui protège le métal contre oxydation très profonde. Le fer et ces alliages doivent être protégé contre l oxydation par graisse, huile, peinture ou bien par une couche métallique de Nickel (Nickelage), Chrome (Chromage), Zinc (Galvanisation), couche d Étain (Étamage). L oxydation est en générale nuisible, par suit de la destruction lente des métaux ; la couche d oxyde est quelquefois imperméable et protectrice comme oxyde d aluminium et oxyde de cuivre. c- Corrosion : Dégradation lente et progressive des métaux, due à différents facteurs : oxygène de l air, agents atmosphériques (chaleur, humidité, etc.), contact avec un autre métal (cuivre et aluminium, par exemple) ; il en résulte un changement d aspect (ternissement des métaux), une diminution du poids et de la résistance, la destruction lente du matériau ; d où nécessité de lutter contre la corrosion. e- Hétérogénéité : Qui est constitué d éléments différents. 250
MÉTAUX FERREUX : ACIERS ET FONTES OBJECTIFS Indiquer et décrire les principales familles d'aciers et de fontes. Les aciers sont des matériaux contenant en masse plus de fer que tout autre élément et dont la teneur en carbone est inférieure à 2 % (ou 1.7 %), limite courante les séparant des fontes. La normalisation retient trois familles principales d'aciers : les aciers non alliés (aucun élément d'alliage ne dépasse 0,6 % ; sauf 1,65 % pour Mn), les aciers inoxpdables (10,5 % de chrome minimum et 1,2 % de carbone maxi) et les autres aciers alliés. De prix compétitif, mieux adaptées au moulage que les aciers, du fait d'une plus grande fluidité à chaud et de températures de fusion inférieures ( 1200 C contre 1500 C), les fontes sont régulièrement utilisées. I- LES MÉTAUX FERREUX : A- ÉLABORATION DES FONTES Les fontes sont des alliages fer- carbone dont la teneur en carbone est généralement supérieure à 1,8 %. La fonte est élaborée soit à l'état liquide directement à partir du minerai de fer, soit par fusion de vieille fonte, soit à partir d'acier recarburé. a- Fonte de 1 ère fusion (Fig.1a) : (c est le matériau de base qui sert à la fabrication des fontes et des aciers vendus dans le commerce). Elle est obtenue dans un haut fourneau en partant du minerai de fer et du coke métallurgique qui joue le rôle de combustible et de réducteur (il s enlève de l oxygène du minerai). A la sortie du haut fourneau, la fonte est dirigée vers des fours qui vont élaborer les métaux ferreux utilisés dans la fabrication des divers produits de notre environnement. b- Fontes de 2 ème fusion (Fig.1b) : Leur pourcentage de carbone est dosé avec précision, c est un affinage de la fonte de 1 ère fusion par oxydation de la plus grande partie du carbone et d autre impureté. L addition de certains métaux (Ni, Cr...) permet d améliorer leurs qualités. Les différentes nuances de fonte sont normalisées. c- Classification : Fonte à graphite lamellaire Fonte dont la cassure a un aspect gris dû à sa structure à base de carbone sous forme de graphite. Le graphite apparaît au microscope sous forme de lamelles. Fonte à graphite sphéroïdal Fonte obtenue sous forme sphéroïdale, pendant sa solidification, utilisée notamment pour la construction de machines. Le graphite apparaît au microscope sous forme d agrégats ou nodules. Fonte malléable Fonte qui présente une certaine malléabilité, obtenue par traitement thermique d'une fonte. Le graphite apparaît au microscope sous forme de sphéroïdes. a b 251 Fig.1
B- ÉLABORATION DES ACIERS Les aciers sont obtenus en brûlant une partie du carbone compris dans la fonte de 1 ère fusion (Fig.1a, Fig.2) de façon a ne lui laissé qu un faible % de carbone ( à 1,9 % de C). Différentes qualités et nuances normalisées permettent de couvrir les besoins dans de nombreux domaines. Leurs caractéristiques mécaniques, physiques et chimiques dépendent de la teneur en carbone et des éléments d addition. Ou bien, L'acier est élaboré à partir du minerai (filière fonte) ou à partir de ferrailles (filière électrique). Ensuite, l'acier liquide est solidifié par moulage dans une machine de coulée continue. A la sortie, on obtient les DEMI-PRODUITS : des barres de section rectangulaire (brames) ou carrée (blooms ou billettes), qui sont les ébauches des formes finales. Enfin, les ébauches sont transformées en PRODUITS FINIS par laminage, dont certains subissent un traitement thermique. Plus de la moitié des tôles laminées à chaud sont relaminées à froid et éventuellement revêtues d'une protection anticorrosion. Fig.2 «Tableau des éléments d alliages» 252
Principales nuances II- LES MÉTAUX NON FERREUX : Les principales familles, avec leurs alliages sont : l aluminium, le cuivre, le magnésium, le zinc, le titane et le nickel. La plupart de ces matériaux sont commercialisés sous plusieurs formes ou dans des états métallurgiques différents (brut, recuit, écroui, durci), l utilisateur choisissant l état de livraison qui lui convient. A- CUIVRES ET ALLIAGES DE CUIVRES Il existe plus de 200 alliages de cuivre. Les principales familles sont : les laitons (Cu + Zn), les bronzes (Cu + Sn), les cupronickels (Cu + Ni), les cupro-aluminiums (Cu + Al) et les maillechorts (Cu + Ni + Zn). La désignation utilise les symboles chimiques du cuivre (Cu) suivi des symboles chimiques et teneurs des principaux éléments d'addition, par ordre décroissant. II-A.1- Principales caractéristiques du cuivre : Plus lourd que l'acier, de densité 8,9 ; fond à 1083 C ; grande résistance à la corrosion ; plasticité ou ductilité élevée (A% jusqu'à 50%) ; grande conductivité électrique qui le rend indispensable dans les industries électriques et électroniques ; grande conductibilité thermique (a tout pour la transmission de la chaleur) ; couleur rouge plus ou moins foncée devenant jaune avec addition de zinc. Les cuivres et ces alliages ne peuvent pas être traités thermiquement, sauf ceux au béryllium. Ce pendant, la résistance (Rr) peut être augmentée par écrouissage à froid et la ductilité restaurée par un revenu. La trempe augmente la plasticité (cas inverse des aciers). Exemple de pièces en cuivre et ces alliages : II-A.2- Cuivre non allié : Teneur de chaque élément d addition < 1% Le cuivre purs utilisé par (usage électriques, thermiques, chaudronnerie ) est soit un cuivre affiné (endurant, plus fragile, plus cassant), soit un cuivre désoxydé ou débarrassé de toute trace d oxygène (moins fragile et très haute conductivité). II-A.3- Alliage de Cuivre : Teneur d au moins un élément d alliage > 1% II-A.31- Cupro-aluminiums : Surtout utilisés en fonderie, l'addition d'aluminium (entre 10 et 11%) donnent des alliages ayant de bonnes caractéristiques mécaniques et une bonne résistance à la corrosion ; ils sont souvent utilisés avec une addition de fer. II-A.32- Cupronickels : De couleur argent à partir de 20% de nickel, très malléables, l'addition de nickel améliore les propriétés mécaniques, la résistance à la corrosion et la résistivité électrique. Utilisations : pièces de monnaie ( 25 % Ni), tubes de condenseurs (30% Ni), résistances électriques (constantan : 45 %Ni). II-A.33- Maillechorts : C est un alliage de cuivre + nickel (7 à 30%) + zinc (10 à 35%) Moins coûteux que les cupronickels, on peut les considérer comme des laitons avec addition de nickel. Meilleures résistances à la corrosion et mécanique que les laitons. Utilisations : articles ménagers, pièces d'orfèvrerie et de décoration, appareillages électriques... 253
B- ALUMINIUM ET SES ALLIAGES Fabriqués industriellement depuis 1886 à partir des bauxites et de la cryolithe, ces métaux sont les plus utilisés juste après les fontes et les aciers. II-B.1- Principales caractéristiques : Bas point de fusion (658 C) ; ductilité élevée (A% 40%) ; assez léger (densité 2,7); bonne conductivité électrique; bonne conductibilité thermique (5 fois celle des aciers); coefficient de dilatation thermique 1,5 fois celui des aciers, propriétés réfléchissantes. Bon rapport résistance/poids, ce qui explique les nombreuses applications dans le domaine des transports, comme l'aéronautique, par exemple. Résistance à la corrosion élevée. Le métal se couvre, au contact de l'air, d'une couche d'oxyde protectrice, les éléments d'addition diminuent plus ou moins cette résistance. Résistance mécanique : elle peut être modifiée par écrouissage ou par recuit (adoucissement). Inconvénients : faibles résistances à l'usure et à la fatigue. II-B.2- Mise en œuvre : Elle est assez facile par un grand nombre de procédés : laminage, moulage, forgeage, formage, étirage, extrusion, métallurgie des poudres... Le coefficient de dilatation important et la grande conductivité thermique imposent, à cause des dilatations, certaines précautions en soudage et en usinage. L'élasticité, assez élevée, peut être une gêne dans certains cas d'usinages. La soudabilité dépend de la trempe et du revenu pratiqués sur l'alliage. C- ALLIAGES DE MAGNÉSIUM Les alliages de magnésium sont intéressants pour leur légèreté et par leur capacité à absorber les bruits et les vibrations. (Carters de boîtes de vitesse, éléments de structures, bonne usinabilité). La désignation utilise les symboles chimiques des éléments suivis de nombres indiquant la teneur nominale des éléments considérés. D- ALLIAGES DE ZINC La mise en œuvre des alliages de zinc est facile en fonderie. Il est possible de réaliser des pièces robustes à parois minces très complexes avec des tolérances serrées. La désignation utilise les symboles métallurgiques des éléments suivis de nombres indiquant la teneur nominale des éléments considérés. Remarque : Zamak3 : est un alliage à base de zinc, additionné d'aluminium, de magnésium pouvant contenir du cuivre, très employé en construction mécanique. Alliage de fonderie sous pression (Carburateurs, boîtiers ). E- TITANE et ALLIAGES DE TITANE L alliage est très utilisé dans l aéronautique, la lunetterie et les implants chirurgicaux pour ses caractéristiques mécaniques et sa légèreté. L anodisation augmente sa résistance à l usure et à la corrosion. 254
1- Relier par une flèche les propriétés des métaux avec leurs catégories : Ténacité Fusibilité Masse volumique Hétérogénéité Malléabilité Dureté Propriétés Mécaniques Propriétés Physiques Propriétés Chimique Dilatabilité Résilience Inoxidabilité Élasticité Conductibilité Soudabilité 2- Quelle est l unité de la masse volumique :.................... 3- Classifier les principaux stades de la transformation des minerais de fer : Fonte ; Haut fourneau ; Acier ; minerais de fer 1 :.............. 2 :.............. 3 :.............. 4 :.............. 4- Quel est l élément qui augmente la dureté de fer ; (cocher par X la bonne réponse) Chrome Or Carbone Fonte 5- Dans un Cuivre non allié, quel est l élément qui rend le métal plus fragile ; (cocher par X la bonne réponse) Zinc Étain Oxygène Carbone 6- Quels sont les deux grandes familles des matériaux :................................................................................................... 7- La manœuvre 1 du robinet industriel ci-contre est en Cu Sn 8 Donner le nom de ce matériau : Cu Sn 8 :...................... 8- Le couscoussier ci-contre est en Al Mg3 Mn ; Donner le nom de ce matériau : Al Mg3 Mn :...................... 9- L assemblage démontable entre deux pièces est souvent réalisé par des vis ou des boulons ces éléments sont en générale en acier mi-dur Donner la désignation de cet acier : acier mi-dur :...................... 10- Expliquer le mot bronze et laiton :................................................................................................................................... 255