PTSI –07 – Étude des systèmes mécaniques – Réaliser Lycée Rouvière Réaliser – 1

PTSI –07 – Étude des systèmes mécaniques – Réaliser Lycée Rouvière Réaliser – 1 – Matériaux 07_Rea_01_Materiaux_Cours.docx 1/27 Xavier Pessoles – Jean-Pierre Pupier 7 – ÉTUDE DES SYSTÈMES MÉCANIQUES ANALYSER – CONCEVOIR – RÉALISER RÉALISER – CHAPITRE 1 : MATÉRIAUX Site tétraédrique dans une maille CFC Echelle : 101 Acier bainitique Echelle 102 Acier brut Bielle en acier forgée http://www.maurelec.fr/catalog/product_info.php?products_id=94 Tous les objets que nous rencontrons sont faits de matière. Suivant les fonctions que doit réaliser un objet, des choix ont dû être fait pour faire le choix des matériaux qui le constituent. Pour choisir parmi la multitude de matériaux existants (matériaux métalliques, plastiques, composites, organiques ...) nous allons mettre en place des critères qui aideront au choix d’un matériau. Le but de ce cours est donc de présenter les familles de matériaux. Il doit aussi permettre de décrire les essais permettant de déterminer les caractéristiques mécaniques de matériaux. Problématique  En phase d’avant conception d’un produit, quels sont les critères qui vont permettre de choisir les matériaux à utiliser ? Il est évident que sur les trois exemples précédents les choix de matériaux conditionneront le bon usage ou le bon fonctionnement du produit. Compétences :  Analyser : • A3-C12 : Matériaux  Concevoir • Conc1-C4.2 : Typologie des matériaux et leurs caractéristiques 1http://fr.wikipedia.org/wiki/Cubique_%C3%A0_faces_centr%C3%A9es 2http://fr.academic.ru/dic.nsf/frwiki/1162613 PTSI –07 – Étude des systèmes mécaniques – Réaliser Lycée Rouvière Réaliser – 1 – Matériaux 07_Rea_01_Materiaux_Cours.docx 2/27 Xavier Pessoles – Jean-Pierre Pupier 1°- GÉNÉRALITÉS ................................................................................................................................ 4 A. Définitions brèves .............................................................................................................................................................. 4 B. Les familles de matériaux .................................................................................................................................................. 4 1- Matériaux métalliques ....................................................................................................................................................................... 4 2- Les matériaux polymères (plastiques !) .............................................................................................................................................. 4 3- Les matériaux céramiques .................................................................................................................................................................. 4 4- Autres matériaux ................................................................................................................................................................................ 4 C. Structure cristalline des matériaux .................................................................................................................................... 4 2°- LES ESSAIS MÉCANIQUES ................................................................................................................... 5 A. Introduction ....................................................................................................................................................................... 5 B. Essai de traction ................................................................................................................................................................. 5 1- Principe de l'essai ............................................................................................................................................................................... 5 2- Courbes de traction ............................................................................................................................................................................ 6 3- Étude d'un essai ................................................................................................................................................................................. 6 4- Détermination des caractéristiques mécaniques ............................................................................................................................... 7 5- Écrouissage ......................................................................................................................................................................................... 8 C. Essais de dureté ................................................................................................................................................................. 8 1- Essai Brinell ........................................................................................................................................................................................ 8 2- Essai Vickers ....................................................................................................................................................................................... 9 3- Essai Rockwell .................................................................................................................................................................................... 9 4- Validité des méthodes d'essais ........................................................................................................................................................ 10 D. Essai de résilience ............................................................................................................................................................ 10 E. Essai de fatigue ................................................................................................................................................................ 11 3°- FER, FONTES ET ACIERS ................................................................................................................... 11 A. Du minerai à la fonte et à l’acier ..................................................................................................................................... 11 1- Du minerai de fer à la fonte ............................................................................................................................................................. 11 2- De la fonte au fer et à l'acier ............................................................................................................................................................ 12 B. Traitements thermiques des aciers .................................................................................................................................. 13 1- Trempe ............................................................................................................................................................................................. 13 2- Revenu ............................................................................................................................................................................................. 13 3- Recuit ............................................................................................................................................................................................... 13 C. Traitements des surfaces ................................................................................................................................................. 13 1- Cémentation ..................................................................................................................................................................................... 13 2- Nitruration........................................................................................................................................................................................ 14 3- Carbonitruration .............................................................................................................................................................................. 14 4- Sulfinisation ...................................................................................................................................................................................... 14 5- Chromisation .................................................................................................................................................................................... 14 6- Chromage ......................................................................................................................................................................................... 14 D. Désignation normalisée ................................................................................................................................................... 14 1- Fontes ............................................................................................................................................................................................... 14 a. Fontes à graphite lamellaire ........................................................................................................................................ 14 b. Fontes malléables. ....................................................................................................................................................... 14 c. Fontes à graphite sphéroïdal ....................................................................................................................................... 15 2- Aciers ................................................................................................................................................................................................ 15 a. Aciers non alliés d'usage général ................................................................................................................................. 15 b. Aciers non alliés (teneur en manganèse < 1%) ............................................................................................................ 15 c. Aciers faiblement alliés (tout élément d'addition < 5%) et teneur en manganèse < 1% .............................................. 15 d. Aciers fortement alliés. (un élément d'addition atteint au moins 5 %) ........................................................................ 15 4°- ALUMINIUM & CUIVRE ................................................................................................................... 16 A. Élaboration des aluminiums ............................................................................................................................................ 16 1- Du minerai à l’aluminium ................................................................................................................................................................. 16 2- De l’aluminium aux alliages .............................................................................................................................................................. 16 B. Désignation de l’aluminium et des alliages d’aluminium (exemples) .............................................................................. 16 1- Aluminium non allié ......................................................................................................................................................................... 16 2- Aluminium allié ................................................................................................................................................................................ 16 C. Propriétés de l’aluminium et des alliages d’aluminium ................................................................................................... 16 D. Élaboration du cuivre ....................................................................................................................................................... 17 1- Du minerai au cuivre ........................................................................................................................................................................ 17 2- Du cuivre aux alliages ....................................................................................................................................................................... 17 E. Désignation du cuivre et des alliages de cuivre (exemples) ............................................................................................. 17 1- Cuivre non allié : ............................................................................................................................................................................... 17 PTSI –07 – Étude des systèmes mécaniques – Réaliser Lycée Rouvière Réaliser – 1 – Matériaux 07_Rea_01_Materiaux_Cours.docx 3/27 Xavier Pessoles – Jean-Pierre Pupier 2- Cuivre allié ........................................................................................................................................................................................ 17 F. Influence des éléments d’addition dans les alliages de cuivre ......................................................................................... 17 1- Laitons (cuivre + zinc) ....................................................................................................................................................................... 17 2- Bronzes (cuivre + étain) .................................................................................................................................................................... 17 3- Cupro-aluminiums (cuivre + aluminium) .......................................................................................................................................... 17 4- Cupro-nickels (cuivre + nickel).......................................................................................................................................................... 17 5- Maillechorts (cuivre + zinc + nickel) ................................................................................................................................................. 17 5°- PROPRIÉTÉS COMPARÉES DES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES .......................................................................... 18 A. Propriétés mécaniques de quelques aciers ...................................................................................................................... 18 B. Propriétés physiques et thermiques des matériaux ......................................................................................................... 18 C. Prix des matériaux ........................................................................................................................................................... 18 6°- LES MATIÈRES PLASTIQUES ............................................................................................................... 19 A. Introduction ..................................................................................................................................................................... 19 B. Bref historique ................................................................................................................................................................. 19 C. Structures moléculaires.................................................................................................................................................... 22 D. Propriétés mécaniques .................................................................................................................................................... 23 E. Thermoplastiques ............................................................................................................................................................. 24 1- Propriétés principales ...................................................................................................................................................................... 24 2- Principales familles ........................................................................................................................................................................... 24 3- Thermoplastiques de grande diffusion............................................................................................................................................. 25 4- Thermoplastiques techniques .......................................................................................................................................................... 25 5- Thermoplastiques hautes performances.......................................................................................................................................... 25 F. Thermodurcissables ......................................................................................................................................................... 25 1- Propriétés principales ...................................................................................................................................................................... 25 2- Principales familles ........................................................................................................................................................................... 25 G. Élastomères ou caoutchoucs ........................................................................................................................................... 25 1- Principales caractéristiques .............................................................................................................................................................. 26 2- Élastomères vulcanisés..................................................................................................................................................................... 26 H. Élastomères thermoplastiques ........................................................................................................................................ 26 I. Domaines d’utilisation ...................................................................................................................................................... 27 PTSI –07 – Étude des systèmes mécaniques – Réaliser Lycée Rouvière Réaliser – 1 – Matériaux 07_Rea_01_Materiaux_Cours.docx 4/27 Xavier Pessoles – Jean-Pierre Pupier 1°- Généralités A. Définitions brèves Comportement élastique: Capacité d’un matériau à retrouver sa forme d’origine après déformation. Comportement plastique: Capacité d’un matériau à garder sa forme sous l’effet d’une déformation. Dureté : Capacité d’un matériau à résister à la pénétration d’un poinçon (bille, cône etc…) Résilience : Capacité d’un matériau à résister à un choc. B. Les familles de matériaux 1- Matériaux métalliques Les matériaux métalliques ont, en général, la particularité d’être opaques, solides, denses, bons conducteurs de chaleur et d’électricité et d’avoir une plasticité qui permet de les déformer. Parmi les matériaux métalliques, on distingue les métaux ferreux (aciers et fontes) et les matériaux non ferreux (alliages de cuivre, d’aluminium, de magnésium, de titane ...). Exemple : Prothèse de hanche, bielle, fil de cuivre… 2- Les matériaux polymères (plastiques !) Les matériaux polymères, ont la particularité d’être peu denses, de bons isolants et à être facile à mettre en œuvre. Il existe des polymères d’origine végétale (comme le bois ou le papier) et des polymères synthétiques, provenant de l’industrie chimique et pétrolière. Parmi les polymères synthétiques on distingue en général les thermoplastiques, les thermodurcissables et les élastomères. Exemple : Chaise en polymère 3- Les matériaux céramiques Les matériaux céramiques ont une grande rigidité, une résistance thermique élevée, sont dures mais fragiles et difficiles à former. On distingue les céramiques traditionnelles (ciment, argile, plâtre ...) et les céramiques techniques. Exemple : Prothèse de dent en céramique 4- Autres matériaux Enfin, d’autres matériaux comme les semi-conducteurs possèdent des caractéristiques électriques qui leur permettent de trouver de nombreuses applications industrielles. Exemple : Wafer de silicium C. Structure cristalline des matériaux Les métaux sont formés de cristaux, c’est-à-dire de mailles élémentaires qui se répètent suivant les 3 directions de l’espace. On peut rencontrer les organisations cristallines suivantes. PTSI –07 – Étude des systèmes mécaniques – Réaliser Lycée Rouvière Réaliser – 1 – Matériaux 07_Rea_01_Materiaux_Cours.docx 5/27 Xavier Pessoles – Jean-Pierre Pupier  Maille cubique face centrée  Maille cubique centrée  Maille hexagonale compacte La structure cristalline des matériaux va changer leur propriété physique. Ainsi un même matériau n’aura pas les mêmes caractéristiques suivant sa structure cristalline. Par exemple, le diamant et le graphite sont tous les deux composés de carbone. Cependant, l’organisation des atomes de carbone n’est pas la même pour ces 2 matériaux. Le fer pur sous sa forme α est structuré en CC (cubique centré, paramètre de maille 0,2866 nm). Le fer (qui apparaît à une température de 916°C est structuré en CFC (cubique face centrée, paramètre de maille0,3647 nm). Les métaux utilisés sont, la plupart du temps, des alliages de plusieurs composants. Dans les mailles définies précédemment, il existe des écarts entre chacune des sphères. Ces écarts sont appelés sites interstitiels. Lorsque dans un alliage un atome et beaucoup plus petit que l’autre, il peut être amené à loger dans ces sites interstitiels. Dans d’autres cas, les alliages vont conserver une structure cristalline définie. Cependant, les atomes de la maille ne seront pas les mêmes. On parle de solution solide de substitution. 2°- Les essais mécaniques A. Introduction Les propriétés mécaniques des matériaux sont les aptitudes à résister à des sollicitations mécaniques telles que :  un effort constant ou variable lentement (essai de traction, de cisaillement, de torsion) ;  une pression de contact (essai de dureté) ;  un choc (essai de résilience) ;  un effort alterné (essai de fatigue). Les essais mécaniques vont permettre d'évaluer par des nombres les propriétés étudiées. Afin que les résultats soient reproductibles et comparables entre eux, on a été amené à normaliser les essais mécaniques : formes et dimensions des éprouvettes, principes des méthodes d'essais. B. Essai de traction 1- Principe de l'essai PTSI –07 – Étude des systèmes mécaniques – Réaliser Lycée Rouvière Réaliser – 1 – Matériaux 07_Rea_01_Materiaux_Cours.docx 6/27 Xavier Pessoles – Jean-Pierre Pupier Les éprouvettes de traction sont uploads/s3/ conception-de-systemes-mecaniques-materiaux.pdf

Tags
Administrationmatériaux réaliser mécaniques étude cuivre
Documents similaires
  • 27
  • 0
  • 0
Afficher les détails des licences
Licence et utilisation
Gratuit pour un usage personnel Attribution requise
Partager