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METALLURGIE DESCRIPTIVE Besoin du marché Concept Amélioration Détail PRODUIT Ch

METALLURGIE DESCRIPTIVE Besoin du marché Concept Amélioration Détail PRODUIT Choisir entre les grandes classes de matériaux (céramiques, métaux…) Choisir entre les familles d’une grande classe de matériaux (aciers, fonte, Al…) Choisir entre les nuances d’une famille de matériaux (Alliages 6000, 7000,..) SELECTION DES MATERIAUX Choisir entre les grandes classes de procédés (moulage, usinage…) Choisir entre les familles d’une classe de procédés (moule en sable, moulage sous pression…) Choisir entre les variantes d’une famille de procédés (moulage coquille, …) SELECTION DES PROCEDES Clarifier la fonction Définir les caractéristiques principales du produit Optimiser les formes Optimiser la réalisation (fabrication + assemblage) OBJECTIFS Analyse fonctionnelle Modelisation des composants (FEM) OUTILS DE CONCEPTION Analyseur de fonction Modeleur 3D Simulation Méthodes d’optimisation • Idées fondamentales : Nécessité de faire des compromis Choix effectué avec une précision croissante Choix de matériaux et de procédés • Sélection de matériaux critères de choix • Choix objectif connaissance des propriétés des matériaux • Choix pas indépendant du procédé de mise en œuvre Procédé Structure du matériau Propriétés Fonction matériau Forme Fonction astreintes + objectifs Procédé Caractéristique Qualité Module d’Young Rigidité, capacité d’un matériau à s’opposer à une déformation Limite d’élasticité, résistance Résistance aux efforts Déformation à la rupture Ductilité (capacité à se déformer avant de rompre) Limite d’endurance Résistance à la fatigue (sollicitations mécaniques cycliques alternées) Ténacité Résistance à la propagation de fissure Dureté (Vickers) Résistance à l'enfoncement d'un pénétrateur Chaleur spécifique Quantité de chaleur pour élever la température d’un kilo de matériau d'un degré Conductivité thermique Aptitude d'un matériau conducteur à transmettre de la chaleur Coefficient de dilatation thermique Dilatation du matériau lorsqu'on le chauffe Résistivité Indique dans quelle mesure un matériau est résistant au passage d'un courant électrique Les métaux et alliages • Exemples : aciers, aluminium, titane, or, bronze, fonte, zinc, tungstène, magnésium… • Métaux purs ou alliages • Type de liaison : métallique (assurée par électrons délocalisés) • Propriétés spécifiques : - conduction de chaleur et électricité - températures de fusion et de vaporisation en général élevées - propriétés élastiques élevées - possibilité d’augmenter la résistance (durcissement structural) - denses, sensibles à la corrosion et à la fatigue Les céramiques • Exemples : verres, béton, alumine, diamant, carbures, roches, briques, porcelaines… • Elements métalliques et non métalliques (carbures, nitrures…) • Type de liaison : ionique ou covalente (très énergétiques) • Propriétés spécifiques : - tenue en température - excellentes propriétés élastiques - fragiles, peu ductiles, peu tenaces - résistants à l’usure et à la corrosion - prix élevé pour les céramiques techniques Les polymères • Macromolécules à squelette covalent exemple : (CH2-CH2)n • Type de liaison : Van der Waals (liaison faible) • Propriétés spécifiques : - deux températures spécifiques : transition vitreuse et dégradation - faibles propriétés élastiques - résistants à l’usure et à la corrosion • Catégories : thermoplastiques, thermodurcissables, élastomères Les matériaux composites • Association d’éléments de deux classes de matériaux pour obtenir une combinaison avantageuse de propriétés • Facteurs influençant les propriétés : - nature des constituants - proportions de chacun - architecture du renfort (fibres courtes, longues, orientation…) Les matériaux naturels • Deux catégories : origine végétale ou animale • Exemples : bois, papier, carton, liège, fibres naturelles, cuir, laine… Approche hiérarchique Royaum e Famill e Classes Attributs Sous classes • Céramiques • Polymères • Métaux • Naturels • Composites Aciers Alliages Cu Alliages Al Alliages Ti Alliages Ni Alliages Zn 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Matériaux Fiche d’un matériau Masse volumique Prop Mecaniques Prop Thermiques. Prop Electriques.. Résistances Corrosion …….. 5083 H2 5083 H4 ….. Objectif : Donner un niveau d ’information compatible avec le niveau d’avancement de la conception Métaux Céramiques Polymères Composites Densité Moyenne / élevée Moyenne Faible / très faible Moyenne / faible Prix Faible / élevé Elevé (techniques) Faible / élevé Elevé Faible (grde diffusion) Module d’Elasticité Elevé Très élevé Moyen / faible Elevé Résistance Mécanique Elevée Très élevée (compression) Moyenne / faible Elevée Tolérance aux défauts et aux chocs Très tenace Très fragile Peu tenaces mais grande énergie absorbée Très tenace Température d’utilisation Moyenne / hautes Hautes / très hautes Moyennes / faibles Moyennes Tenue aux agressions chimiques Moyenne / mauvaise Bonne / très bonne Moyenne Moyenne Conduction de la chaleur Bonne / très bonne Moyenne / faible Faible / très faible Faible Conduction de l’électricité Bonne / très bonne Faible / très faible Facilité de mise en forme Facile Difficile (technique) Très facile Moyenne dépendant de la forme Facile (grde diffusion) Facilité d’assemblage Facile Moyenne Facile difficile • Caractéristiques intrinsèques (quantitatives) – grandeur physique objective et mesurable – Générales, Mécanique, Thermique, Electrique – prix,fraction recyclable,masse volumique………. – module de Young, coeff de poisson,dureté, limite d ’élasticité…………. – conductivité thermique, coeff de dilatation, température de fusion, temp maxi d ’utilisation,...…… – résistivité,constante diélectrique... • Caractéristiques interactives (qualitatives) – grandeur mesurant le comportement du matériau avec un autre matériau ou un environnement – résistance à l ’eau douce, à l ’eau de mer, aux acide forts… – inflammabilité, résistance aux UV, résistance à l ’usure... • Caractéristiques attribuées (booléennes) – perception du matériau dans un contexte socio-économique – les formes disponibles, les procédés d ’assemblage, les procédés de traitements de surface …. Composites Alliages ferreux Fontes Aciers Alliages non-ferreux Alliages d’Aluminium Alliages de Cuivre Alliages de titane Les différentes familles de matériaux Les alliages ferreux représentent encore une très grande proportion dans l’utilisation des alliages métalliques (50% des métaux dans une automobile). Chapitre I - Les aciers Sommaire Introduction et définitions Les différentes familles d’aciers Les traitements thermiques des aciers dans la masse Les traitements de surface des aciers Influence des éléments d’addition Les aciers à outils Les aciers inoxydables Introduction et définitions Diagramme Fer-Carbone Trois types d’alliages : le fer pur  les aciers et les fontes. faibles propriétés mécaniques usage industriel Diagramme Fer-Carbone : généralités Les principales phases de ce système sont : la ferrite α et Ferrite  la cémentite Fe3C Cémentite Fe3C Austénite  l’austénite γ, il existe deux grandes catégories d’éléments d’addition qui influent tous deux sur le domaine austénitique : l’une aura tendance à étendre le domaine , on les appelle les éléments gammagènes tels que le nickel (Ni), la manganèse (Mn), ‘’le cobalt (Co)’’, le platine (Pt), l’osmium (Os) mais également le carbone (C), l’azote (N), le cuivre (Cu), l’or (Au), le zinc (Zn)… L’autre aura tendance à rétrécir le domaine austénitique, on les appelle les éléments alphagènes tels que le chrome (Cr), le tungstène (W), le Molybdène (Mo), le vanadium (V) et le titane (Ti) mais également le soufre (S), le bore (B), le zirconium (Zr), le niobiom (Nb) et le césium (Ce). Diagramme Fer-Carbone : variétés allotropiques du fer Les différentes variétés allotropiques du fer - La ferrite d (fer d) : de 1401 à 1528°C o structure CC (a = 293 pm) o forme peu importante au niveau industriel - La ferrite (fer ) : jusqu’à T=906°C o forme stable du fer o structure cristalline cubique centrée (CC, a = 290 pm) o solubilité du C est alors très faible (< 0,02 %) Ferrite (x90) - L’austénite (fer ) : de 906 à 1401°C o structure cubique à faces centrées (CFC, a = 360 pm) o solubilité du C peut alors atteindre ~ 2 % en masse o nouvelle phase est de forme plus compacte et plus déformable Austénite (x325) Diagramme Fer-Carbone : aciers Définition : Les aciers sont des alliages dont la teneur en carbone reste inférieure à 2% (en masse). En pratique, on ne trouve qu’exceptionnellement des aciers à plus de 1,2% C Aciers % en masse de C < 2% Diagramme Fer-Carbone : constituants des aciers Constituants des aciers recuits La ferrite α à T ambiante c’est du fer presque pur, dont les propriétés sont : • Faible limite d'élasticité (Re = 150 MPa) • Faible résistance mécanique (Rm = 280 MPa environ et dureté HV = 80) • Grande ductilité (A = 35 %) • Densité ρ = 7,86 g.cm-3 La cémentite Fe3C ( 6,67 % C) est un carbure de fer à ductilité quasi nulle (comportement fragile), les propriétés sont : • Limite d’élasticité supérieure à 2 000 MPa (dureté voisine de HV = 700) • Densité ρ = 7,82 g.cm-3 La perlite est un mélange biphasé de ferrite (88,3 % m) et de cémentite (11,7 % m) • Microstructure sous forme de lamelles fines alternées (perlite lamellaire) • Propriétés mécaniques intéressantes : - ductilité issue de la ferrite et - limite d’élasticité issue de la cémentite • Résistance mécanique (Rm (MPa) = 180 + 3800 • Ductilité (A = 10 %) • Plus stable à la corrosion Diagramme Fer-Carbone : fontes Fontes (2% < %m C < 6,67%) Définitions : Les fontes sont des alliages dont la teneur en carbone est supérieure à 2% en masse Les fontes subissent toujours la transformation eutectique (vers 1130°C) Fontes blanches : Le carbone se retrouve toujours sous forme de cémentite Fontes grises : Le carbone se retrouve sous forme de graphite libre (carbone pur) et de cémentite Diagramme Fer-Carbone uploads/s3/ cours-1-aciers-1.pdf