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Contenu :  Classification des matériaux  Elaboration et désignation des fonte

Contenu :  Classification des matériaux  Elaboration et désignation des fontes  Elaboration et désignation des aciers  Elaboration et désignation des alliages légers CHAPITRE 1 ELABORATION & DESIGNATION DES MATERIAUX Chap1 Elaboration & désignation des matériaux TGM1 1 Plan de cours Objectifs généraux Donner un aperçu général sur la grande diversité des matériaux ferreux et non ferreux. La classification de ces matériaux sera abordée en s’appuyant sur les techniques d’élaboration et sur les normes de désignation. Les caractéristiques d’usage de chaque grande famille des alliages ferreux seront développées en insistant sur les opérations de mise en œuvre et sur les propriétés d’utilisation. Objectifs spécifiques  Connaître les opérations de coulée, de mise à la muance et de mise en forme de quelques nuances usuelles des alliages ferreux et non ferreux.  Identifier et établir la désignation des métaux et alliages ferreux et non ferreux selon les différentes normes en rigueur. Déroulement Le chapitre sera abordé durant 3 séances de 1h:30min chacune réparties comme suit :  Première séance : Elaboration-Désignation des aciers et des fontes  Deuxième séance : Elaboration- désignation des alliages non ferreux Prérequis Notions élémentaires de chimie minérale Evaluation Réussir plus de 70% de l’application de synthèse et éventuellement des TD proposé Chap1 Elaboration & désignation des matériaux TGM1 2 Sommaire Introduction 3 1. Rappel sur la classification des métaux et alliage industriels 3 1.1. Familles des matériaux de construction 3 1.2. Les principales propriétés d’emploi de chaque famille 4 1.2.1. Les propriétés des métaux 4 1.2.2. Les propriétés des polymères 4 1.2.2. Les propriétés des céramiques techniques 4 1.2.3. Les propriétés des matériaux composites 4 2. Elaboration et désignation de la fonte 5 3.1. Minerai 5 2.2.1. Principaux fontes de 1ère fusion 6 2.2.2. Affinage de la fonte de 2éme fusion 7 2.2.3. Classification des fontes 8 3.2. Désignation normalisée des fontes 8 3. Elaboration et désignation de l’acier 9 3.1. Elaboration des aciers 9 3.1.1. Principe de la métallurgie d’élaboration 9 3.1.2. Fabrication de l’acier à partir de la fonte 9 3.1.3. Fabrication de l’acier à partir de la ferraille 9 3.1.4. Différents procédés d’élaboration des aciers 9 3.2. Désignation des aciers 11 3.1.5. Désignation symbolique par emploi 12 3.1.6. Désignation symbolique par composition chimique 12 4. Elaboration et désignation des alliages d’Aluminium 13 4.1. Extraction de l’alumine : Procédé Bayer 13 4.2. Production d’aluminium par électrolyse de l’alumine 14 4.3. Désignation numérique des alliages d’Aluminium 15 5. Elaboration et désignation du cuivre 16 5.1. Matières premières 16 5.2. Extraction et concentration des minerais 17 5.3. Désignation des alliages cuivre 17 6. Série d’exercice (Extrait des examens et DSs) 18 Chap1 Elaboration & désignation des matériaux TGM1 3 Introduction Le fer est très largement répandu dans l’écorce terrestre, où il se présente sous forme de minerais divers (oxydes, hydroxydes, carbonates, sulfures, silicates et autres). Depuis la préhistoire, l’être humain a appris à préparer ces minerais par lavage, concassage, criblage, élimination de la gangue, et à les traiter par réduction (fusion), agglomération sur grille ou en boulettes pour pouvoir les fondre de façon à obtenir du fer et de l’acier. A l’époque historique, une industrie florissante du fer s’est développée dans de nombreux pays à partir des gisements locaux de minerai et de la proximité de forêts qui fournissaient le combustible sous forme de charbon de bois. Au début du XVIIIe siècle, la découverte de la possibilité de remplacer le charbon de bois par le coke a révolutionné la sidérurgie, dont l’essor allait être le point de départ de tous les autres progrès de la révolution industrielle. La fabrication de l’acier ne s’est véritablement développée qu’au XIXe siècle, avec l’invention des procédés de fusion. Aujourd’hui la production d’acier est un indice de la richesse nationale et elle est à la base de la production de masse dans de nombreux secteurs industriels tels que la construction navale, l’automobile, le bâtiment et les travaux publics, la construction mécanique, l’outillage et les équipements industriels et ménagers. Le développement des transports, en particulier par mer, ayant rendu le commerce international des matières premières (minerai de fer, charbon, ferrailles et additifs) économiquement rentable, il a contribué à battre en brèche la position privilégiée des pays possédant des gisements de minerai de fer à proximité de mines de charbon. 1. Rappel sur la classification des métaux et alliage industriels 1.1. Familles des matériaux de construction Dans l’industrie de la transformation ou de la production des matières premières, l’utilisation des différentes nuances de matériaux trouve un grand intérêt industriel. En effet, les objets qui nous entourent, que nous manipulons quotidiennement, sont tous constitués d’une matière choisie pour sa bonne adaptation à la fonction de l’objet en question et au procédé utilisé pour conférer à l’objet la forme souhaitée. La notion de matériau est donc rigoureusement indissociable de l’intérêt que peut présenter la substance en question pour l’obtention d’un objet fini. Définition d’un matériau : un matériau est la forme marchande d’une matière première choisie en raison de propriétés d’usage spécifiques et mise œuvre par des techniques appropriées pour l’obtention d’un objet de géométrie donnée à fonction préméditée [1] Chap1 Elaboration & désignation des matériaux TGM1 4 Les matériaux de construction, utilisés dans l’industrie mécanique, ont été décomposés on quatre familles principales, soient les métaux, les polymères, les céramiques et les matériaux composites faisant un mélange de différentes nuances des trois premières familles. Le tableau ci-dessous représente une comparaison qualitative des principales propriétés mécaniques des matériaux. 1.2. Les principales propriétés d’emploi de chaque famille 1.2.1. Les propriétés des métaux Les matériaux métalliques, comme leur nom l’indique, comportent des liaisons essentiellement métalliques, c’est-à-dire en partie assurées par des électrons délocalisés. Ces derniers sont responsables des bonnes propriétés de conductivité thermique et électriques des métaux. Les métaux sont généralement paramagnétiques voire ferromagnétiques. Leur température de fusion et de vaporisations sont en général élevées. Les métaux sont pour la plupart ductiles et relativement tenaces et l’association de leur ténacité et de leur ductilité est un atout majeur pour leur mise en forme. Par contre, après mise en forme, on peut facilement donner aux alliages métalliques une bonne résistance mécanique par des traitements thermiques appropriés grâce à la précipitation de phases (durcissement structural). Du fait de leur plasticité, leur tenue à la fatigue peut poser des problèmes et ils sont de plus souvent sensibles à la corrosion. Enfin, les métaux sont en général des matériaux lourds et dense ce qui est parfois un handicap. 1.2.2. Les propriétés des polymères Les polymères sont constitués de macromolécules à squelette covalent, liées entre elles par des liaisons faibles (liaisons de Van der Waals ou liaisons hydrogène). Leurs propriétés dépendent fortement du comportement de ces liaisons faibles, et évoluent considérablement avec la température. Ils auront généralement un faible module d’élasticité, et une limite élastique d’autant plus faible qu’ils seront portés à plus haute température. Ils seront donc faciles à mettre en forme. Ils ont aussi malgré leur bonne déformabilité, une bonne résistance à l’usure. Ils sont faciles à assembler et ont une bonne tenue à la corrosion. Enfin, ce sont des matériaux légers et ils peuvent être très bon marché. 1.2.3. Les propriétés des céramiques techniques Les céramiques sont caractérisées par des liaisons fortes, ce qui se traduit dans la pratique par une très bonne tenue en température et une excellente rigidité élastique. La faible tendance à la plasticité qui en résulte rend ces matériaux fragiles, peu tenaces, peu ductiles, mais en revanche, résistants à l’usure. Ces matériaux ont de hauts points de fusion et une bonne résistance à la corrosion. Les céramiques techniques de qualité ont tendance à être chères. Chap1 Elaboration & désignation des matériaux TGM1 5 1.2.4. Les propriétés des matériaux composites Les matériaux composites sont des matériaux qui associent deux ou plusieurs matières différentes, appartenant parfois à 2 classes distinctes, pour obtenir une combinaison de propriétés qui tire avantage de chacun. Les plus fréquemment utilisés sont les composites à matrice polymère et à renfort fibreux qui présentent des propriétés spécifiques exceptionnelles ou directionnelles. Les composites céramique/céramique qui sont moins fragiles que les céramiques massives sont très intéressantes pour leur tenue en température, les composites à matrice métallique et renfort céramique ont pour vocation de tirer parti à la fois de la ductilité des métaux et de la raideur du renfort céramique. Enfin il convient de citer pour mémoire les matériaux tels que le bois, les ciments et bétons, les mousses polymères, céramiques ou métalliques, qui sont également des matériaux composites. 2. Elaboration et désignation de la fonte 2.1. Minerai Le minerai de fer se trouve sous forme de roche. Certaines exploitations sont à ciel ouvert, d’autre est souterrain. Le minerai de fer existe en quatre combinaisons principales, soient : - fer+oxygène (les oxydes) - fer+ oxygène+hydrogène (les hydroxydes) Chap1 Elaboration & désignation des matériaux TGM1 6 -fer+ oxygène+carbone (les carbonates) - fer+ soufre (les sulfures). 2.2. Elaboration de la fonte On traite le minerai dans une sorte de four cylindro-conique on brique réfractaire, et en couche métallique à l’extérieure, le four lui-même appelé (Haut-fourneau). La fonte uploads/s3/ chapitre-1-elaboration-designation-materiaux-pdf.pdf