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RÉPUBLIQUE ALGERIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

RÉPUBLIQUE ALGERIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITÉ MOULOUD MAMMERI DE TIZI-OUZOU FACULTÉ DU GÉNIE DE LA CONSTRUCTION DÉPARTEMENT DE GÉNIE MÉCANIQUE MÉMOIRE DE MAGISTER SPÉCIALITÉ GÉNIE MÉCANIQUE OPTION SCIENCES DES MATÉRIAUX PRÉSENTÉ PAR KAHINA KHELOUI THÈME Devant le jury d’examen composé de : M. ABERKANE Meziane Professeur, UMMTO Président M. AZEM Saïd Professeur, UMMTO Rapporteur M. HALEM Nacer Professeur, UMMTO Examinateur M. OULD OUALI Mohand Maître de Conférences A, UMMTO Examinateur ELABORATION DE L’INTERMÉTALLIQUE FeAl UTILISÉ COMME RENFORT PARTICULAIRE DANS LES MATÉRIAUX COMPOSITES Année 2010-2011 Remerciements Avant tout, je tiens à exprimer ma profonde gratitude et reconnaissance à Monsieur le Professeur AZEM Saïd pour m’avoir proposé ce sujet. Son aide, ses orientations et conseils pour la réalisation de ce travail ont été d’un grand apport. Je ne saurais jamais le remercier assez de tout ce qu’il a fait et continue de faire pour m’initier à la recherche et me permettre d’acquérir une meilleure formation. Que Monsieur NECHICHE Mustapha, Maître assistant au département de Génie Mécanique, trouve ici l’expression de mes chaleureux remerciements pour l’aide précieuse qu’il m’a apportée et ses encouragements et conseils incessants. Je remercie Monsieur ABERKANE Meziane, Professeur au département de Génie Mécanique de m’avoir fait l’honneur de présider le jury de soutenance. Je remercie également Monsieur HALEM Nacer, Professeur au département de Chimie pour avoir accepté de faire partie de ce jury. Je tiens à exprimer mes remerciements à Monsieur OULD OUALI Mohand, Maître de conférences au département de Génie Mécanique, de ses encouragements et d’avoir accepté de prendre part au jury de soutenance. Je remercie Monsieur AMIROUCHE Saïfi, ingénieur de laboratoire pour son aide en microscopie électronique à balayage. Je tiens à remercier tout le personnel du laboratoire SDM du département de Génie mécanique de l’université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou. Que les enseignants de l’Université Mouloud Mammeri qui ont contribué à ma formation trouvent ici l’expression de mes remerciements. ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– KHELOUI Kahina Dédicaces Je dédie ce travail à : Ma famille Mon mari et belle famille Mes amis (es) Sommaire Introduction………...…………………………………………………………………..1 Première partie : Synthèse bibliographique Chapitre I : Généralités sur la métallurgie des poudres I.1. Introduction………………………………………………………………...3 I.2. Procédés d’obtention des poudres………………………………………….3 I.2.1. Procédés mécaniques…………………………………….....................3 I.2.2. Procédés physiques……………………………………………………4 I.2.3. Procédés chimiques……………………………………………………4 I.3. Procédés de mise en forme à partir des poudres …………………………...4 I.3.1. Pressage uniaxial……………………………………………………….4 I.3.2. Pressage isostatique à froid…………………………………………….6 I.3.3. Pressage isostatique à chaud…………………………………………..6 I.4. Frittage……………………………………………………………………...6 I.4.1. Paramètres de frittage………………………………………………….6 I.4.2. Energies motrices du frittage…………………………………………7 I.4.3. Différents types de frittage……………………………………………..8 Chapitre II : Généralités sur la synthèse par combustion auto-propagée SHS II.1. Introduction……………………………………………………………….12 II.2. Historique…………………………………………………………………12 II.3. Description du procédé SHS……………………………………………...14 II.4. Différents échanges thermiques lors d’une réaction SHS……………….16 II.4.1. Chaleur échangée entre l’échantillon et le milieu environnant……..16 II.4.2. Transport de chaleur au sein de l’échantillon……………………….16 II.4.3. Cinétique chimique en phase hétérogène……………………………17 II.5. Produits synthétisés par SHS…………………………………………….17 II.5.1. Céramiques………………………………………………………….17 II.5.2. Intermétalliques……………………………………………………..20 II.6. Paramètres influants sur une réaction de type SHS……………………..............24 II.6.1. Granulométrie des réactifs…………………………………………..24 II.6.2. Densité des compactés de réactifs…………………………………..24 II.6.3. Mode d’amorçage…………………………………………………...24 II.6.4. Vitesse de propagation………………………………………………25 II.7. Techniques associées à une réaction SHS………………………………..25 II.7.1. Broyage à haute énergie et activation mécanique des réactifs………25 II.7.2. Le procédé MAFAPAS……………………………………………...27 II.7.3. Procédé SHS sous champ…………………………………………...27 II.7.4. Procédé SHS Centrifugation………………………………………...28 Chapitre III : Elaboration des intermétalliques Fe-Al par SHS III.1. Introduction……………………………………………………………...29 III.2. Métallurgie physique du système Fe-Al………………………………...29 III.2.1. Le diagramme binaire fer-aluminium………………………………30 III.2.2. Structure cristallographique………………………………………..31 III.3. Caractéristiques des intermétalliques fer-aluminium…………………....32 III.3.1. Origine de la fragilisation des alliages fer-aluminium……………..33 III.3.2. Résistance au fluage des alliages fer-aluminium…………………..33 III.3.3. Résistance à l’oxydation des alliages fer-aluminium……………...34 III.4. Elaboration du composé FeAl par frittage réactif SHS………………...34 III.5. Influence du broyage à haute énergie sur la réaction SHS dans le cas du système Fe-Al………………………………………………………………….39 Chapitre IV : Composites à matrice métallique et renforts de particules IV.1. Introduction……………………………………………………………...41 IV.2. Généralités sur les composites…………………………………………..41 IV.3. Présentation des composites à matrice métallique (CMM)……………..42 IV.4. Constituants des composites à matrice métallique (CMM)…………….43 IV.4.1. Renforts discontinus……………………………………………….43 IV.4.2. Renforts continus…………………………………………………..44 IV.4.3. Matrices métalliques utilisés dans les matériaux composites……46 IV.5. Elaboration des CMMp par métallurgie des poudres…………………..47 IV.5.1. Procédé général…………………………………………………….47 IV.5.2. Incorporation des particules par alliage mécanique………………..48 IV.6. Propriétés générales des CMMp………………………………………...49 Chapitre V : Généralités sur les nanomatériaux et les nanocomposites V.1. Introduction……………………………………………………………....50 V.2. Classes de nanomatériaux……………………………………………….50 V.2.1. Classification de Siegel et Niihara………………………………….50 V.2.2. Classification de Gleiter…………………………………………….52 V.3. Composition des nanomatériaux…………………………………………52 V.4. Méthodes de synthèse des poudres nanométriques………………………54 V.4.1. La synthèse par CVD (Chemical Vapor Deposition)……………….54 V.4.2. La pyrolyse par pulvérisation……………………………………….55 V.4.3. La technique sol-gel…………………………………………………55 V.4.4. Broyage à haute énergie (mécanosynthèse)…………………………55 V.5. Propriétés des nanomatériaux…………………………………………….56 V.6. Les nanocomposites………………………………………………………58 V.6.1. Nanoparticules à trois dimensions nanométriques………………….58 V.6.2. Nanoparticules à deux dimensions nanométriques………………….58 V.6.3. Nanoparticules à une dimension nanométrique……………………..58 Deuxième partie : Résultats expérimentaux et discussions Chapitre VI : Matières premières et techniques expérimentales VI.1. Introduction……………………………………………………………...59 VI.2. Matières premières………………………………………………………59 VI.3. Techniques de caractérisation des poudres……………………………...59 VI.3.1.Tamisage……………………………………………………………59 VI.3.2. Granulométrie laser………………………………………………...60 VI.4. Techniques d’élaboration………………………………………………..61 VI.4.1. Compression uniaxiale……………………………………………..61 VI.4.2. Four de traitement thermique………………………………………62 VI.4.3. Dispositif du frittage flash………………………………………….63 VI.5. Techniques de caractérisation…………………………………………...64 VI.5.1. Microscopie électronique à balayage (MEB)………………………64 VI.5.2. Analyse par diffraction des rayons X (DRX)………………………65 VI.5.3. Analyse thermique………………………………………………….66 VI.5.4. Analyse dilatométrique…………………………………………….67 VI.5.5. Broyage à haute énergie……………………………………………68 VI.5.6. Microdureté………………………………………………………...69 Chapitre VII : Elaboration de composés Fe-Al par frittage réactif SHS VII.1. Introduction…………………………………………………………….71 VII.2. Caractérisation des poudres élémentaires………………………………71 VII.3. Elaboration des composés Fe-Al par frittage réactif……………………74 VII.3.1. Frittage du mélange Fe1-50%Al en atomes……………………..74 VII.3.2. Frittage du mélange Fe2-50%Al en atomes …………………….79 VII.4. Analyse thermique des mélanges……………………………………….83 VII.5. Analyse dilatométrique du mélange Fe1-50%Al en atomes……………85 VII.6. Elaboration des composés Fe-Al par frittage flash ……………………87 VII.7. Elaboration d’un composite à matrice métallique……………………..89 Chapitre VIII : Elaboration et caractérisation du composite Cu-FeAl VIII.1. Introduction……………………………………………………………90 VIII.2. Matières premières…………………………………………………….90 VIII.3. Elaboration du CMMp à matrice Cu et particules FeAl……………...92 VIII.4. Caractérisation du CMMp élaboré…………………………….........….93 VIII.4.1. Analyse par microscopie électronique à balayage (MEB)………93 VIII.4.2. Profils de concentration des éléments à l’interface Cu/FeAl……95 VIII.4.3. Analyses ponctuelles EDS-X…………………………………….97 VIII.4.4. Répartition des éléments (Cartographie-X)…………………….100 VIII.4.5. Analyse par diffraction des rayons X (DRX)…………………..101 VIII.4.6. Essais de microdureté…………………………………………..103 Conclusion générale………...……………………………………………………….105 Références bibliographiques………………………………………………………...107 Annexe……………………………………………………………………………….114 Liste des figures et tableaux Figure 1.1: Les différentes étapes de compression d’une poudre……………………...5 Figure 1.2: Les différents types de frittage…………………………………………….8 Figure 1.3: Représentation schématique des contributions respectives des trois grandes étapes du frittage en phase liquide………………………………………….................10 Figure 2.1: Schéma de synthèse par le procédé SHS………………………………...15 Figure 2.2: Divers types de propagation du front de réaction………………………..15 Figure 2.3: Principe du broyage à haute énergie…………………………………….26 Figure 2.4: Présentation de principe du procédé MAFAPAS………………………..27 Figure 2.5: Principe du procédé FACS……………………………………………...28 Figure 2.6: Principe de synthèse par SHS centrifugation…………………………….28 Figure 3.1: Diagramme d’équilibre binaire fer-aluminium…………………………..31 Figure 3.2: Structures cristallographiques B2, DO3 et A2…………………………..32 Figure 3.3: Analyses thermiques et dilatométrique dans le mélange Fe-40%Al chauffé à 850°C avec une vitesse de 5°C/min…………………………………………………35 Figure 3.4: Phases formés et profil de l’expansion volumique dans le cas du composé Fe-40%Al fritté à des températures entre 1000-1350°C avec une vitesse de chauffe de 0.5°C/min……………………………………………………………………………..36 Figure 3.5: Processus réactif et phases formées au cours du chauffage pour deux vitesses de chauffe du mélange Fe-40%Al……………………………………………37 Figure 3.6: Phases formées après frittage des compositions Fe-29 et 71,5%Al à différentes températures………………………………………………………………38 Figure 3.7: Teneur d’aluminium diffusé dans le fer en fonction de la température de frittage……………………………………………………………………………...39 Figure 3.8: Spectre de diffraction en temps réel du mélange FeAl élaboré par MASHS……………………………………………………………………………….40 Figure 4.1: Schéma d’un matériau composite………………………………………..42 Figure 4.2: Morphologie des renforts discontinus……………………………………44 Figure 4.3: Morphologie des renforts continus………………………………………45 Figure 4.4: Principe général de la fabrication des CMMp par métallurgie des poudres………………………………………………………………………………..48 Figure 4.5: Schéma du principe d’élaboration par infiltration……………………….49 Figure 5.1: Divers types de nanomatériaux selon Siegel…………………………….51 Figure 5.2: Divers types de nanomatériaux selon Niihara…………………………...51 Figure 5.3: Divers types de nanomatériaux selon Gleiter…………………………...52 Figure 5.4: Composition des nanomatériaux…………………………………………52 Figure 5.5: Fraction volumiques de diverses phases en fonction de la taille de grain…………………………………………………………………………………...54 Figure 6.1: Tamiseur RETSCH……………………………………………………....60 Figure 6.2: Schéma de principe du granulomètre laser……………………………....61 Figure 6.3: Schéma du dispositif de compression uniaxiale…………………………61 Figure 6.4: Schéma du four de traitement thermique………………………………...62 Figure 6.5: Principe du frittage flash…………………………………………………64 Figure 6.6: Schéma du dispositif d’analyse thermique……………………………….66 Figure 6.7: Schéma de principe du dilatomètre vertical SETARAM………………...68 Figure 6.8: Schéma de principe du broyeur planétaire, principe de mise en rotation des jarres…………………………………………………………………………………..69 Figure 7.1.a: Courbe de répartition granulométrique de la poudre fer 1……………71 Figure 7.1.b: Aspect des particules de la poudre fer 1……………………………….72 Figure 7.2.a: Courbe de répartition granulométrique de poudre fer 2……………….72 Figure 7.2.b: Aspect des particules de la poudre fer 2……………………………….73 Figure 7.3.a: Courbe de répartition granulométrique de la poudre d’aluminium……73 Figure 7.3.b: Aspect des particules de la poudre d’aluminium………………………74 Figure 7.4: Diffractogrammes du mélange Fe1-50%Al at. frittés à de différentes températures…………………………………………………………………………..76 Figure 7.5: Micrographies du mélange Fe1-50%Al at. frittés à de différentes températures…………………………………………………………………………..78 Figure 7.6: Superposition et agrandissement des pics de diffraction des échantillons Fe1-50%Al at. frittés à de différentes températures…………………………………79 Figure 7.7: Diffractogrammes du mélange Fe2-50%Al at. fritté à de différentes températures…………………………………………………………………………..81 Figure 7.8 : Micrographies du mélange Fe2-50%Al at. fritté à de différentes températures…………………………………………………………………………..82 Figure 7.9: Superposition et agrandissement des pics de diffraction des échantillons Fe2-50%Al at. frittés à différentes températures……………………………………83 Figure 7.10: Courbe d’analyse thermique du mélange Fe 1-50%Al at. soumis à un chauffage anisotherme jusqu’à 900°C………………………………………………...84 Figure 7.11: uploads/Geographie/ memoire-magister-kheloui.pdf