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MATERIAUX DE CONSTRUCTION METAUX FERREUX ET NON FERREUX Ecole Nationale Polytec

MATERIAUX DE CONSTRUCTION METAUX FERREUX ET NON FERREUX Ecole Nationale Polytechnique d’Oran Département de génie civil Dr. Benhouna Med ENPO L'argent, l'or et le plomb, le cuivre et les bronzes ont été découverts avant le fer ; cependant, celui-ci les a largement supplanté en raison de son bien meilleur rapport résistance mécanique/poids, permettant d'avoir des outils, armes et casques plus légers et plus résistants. Introduction L'acier et la fonte, du fait de leurs propriétés mécaniques et de la grande disponibilité des minerais, se sont imposés comme les alliages les plus utilisés, ils ne sont toutefois pas les plus performants selon les applications. Le XXe siècle a vu la découverte d'autre métaux ayant un meilleur rapport résistance/poids, l'aluminium et le titane, mais avec des ressources naturelles moins abondantes et un coût plus élevé. Désignation symbolique Chaque type d'alliage a sa propre désignation numérique ; par contre, la désignation symbolique est la même pour tous. Dans les normes européennes, la désignation de l'alliage est fait comme suit : symbole chimique du composant majoritaire ; symboles chimiques des éléments d'alliage suivi de leur teneur moyenne en pourcentage massique. Dans l'ancienne norme française, on utilise les « symboles métallurgiques » en lieu et place des symboles chimiques. Élément Symbole chimique Symbole métallurgique Aluminium Al A Cuivre Cu U Étain Sn E Magnésium Mg G Nickel Ni Ni Silicium Si S En raison de son altérabilité et sa faible résistance mécanique, le fer n'est plus utilisé industriellement. Les métaux les plus utilisés dans la construction sont la fonte et l'acier puisqu'ils présentent les avantages suivants : haute résistance, plasticité, conductibilité thermique élevée, assemblage par soudage. METAUX FERREUX ET NON FERREUX En revanche, ces matériaux présentent aussi des inconvénients à savoir : corrosion en présence d'eau et déformation sensible avec l'augmentation de la température. la dureté d'un métal détermine son pouvoir de résister à l'enfoncement d'une bille en acier ou d'un cône, la résilience est caractérisée par la quantité de travail nécessaire à la rupture d'une éprouvette subissant des chocs, le fluage caractérise la capacité d'un métal à se déformer à la suite d'une charge constante. Il peut donc conduire à l'accroissement des flèches des éléments des constructions et la perte de stabilité. la fatigue est la propriété de soumettre un métal aux effets alternés, répétés et conjugués d'efforts externes (statique ou dynamique), technologiques : sont caractérisés par la possibilité d'usinage des métaux, ce qui est conditionné par leur plasticité. La Fonte Processus d'élaboration : Ce métal est obtenu à partir de matières premières naturelles qui sont les minerais de fer. Ces minerais sont un mélange naturel : d'oxydes de fer : magnétite Fe3O4 hématite Fe2O3 hématite brune 2 Fe2O3, 3 H2O Sidérose FeCO3 . la gangue : partie minérale sous forme de silice, d'alumine, de calcaire, ...etc. La fonte L'élaboration de la fonte se fait dans le haut-Fourneau, la charge introduite dans le gueulard se compose de minerai de fer, de coke métallurgique et d'un fondant. Sous l'action de leur propre poids, ils descendent peu à peu en se réchauffant jusqu'à la fusion. Le métal fondu composé de la fonte et du laitier s’écoule dans le creuset. Par suite d'une différence sensible entre les masses spécifiques de la fonte et du laitier; ce dernier s'accumule à la surface de la fonte, il est évacué à travers le trou de coulée du laitier situé plus haut que celui de la fonte. La fonte du haut-fourneau est divisée suivant la destination en trois groupes : Fonte d'affinage, Fonte de moulage, Alliage ferro-métallique. Plus de 80% de la production totale est composée de la fonte blanche d'affinage, essentiellement employée pour la fabrication de l'acier (le fer est à l'état de Cémentite Fe3C). La fonte de moulage grise est employée pour l'obtention des coulées façonnées. Les alliages ferro-métalliques et la fonte de moulage constituent près de 20%. Les alliages contiennent beaucoup de silicium et de manganèse. La fonte grise trouve essentiellement son emploi dans la construction, spécialement pour la fabrication des pièces travaillant à la compression (gabots, poteaux); ainsi que pour les produits sanitaires (tubes, radiateurs de chauffage). Le laitier de haut-fourneau est une matière très utilisée dans l'industrie des M.D.C. : liants, pierres artificielles, matériaux d'isolation thermique (pierre ponce de laitier, laine de laitier). Utilisations Le gaz du gueulard de haut-fourneau est employé en qualité de combustible pour l'usine métallurgique. Les alliages ferro-métalliques sont utilisés comme additions dans la production de l'acier pour améliorer sa qualité. Eléments de construction en fonte a- semelle d’appui des poteaux, b- poteaux, c- radiateurs de chauffage, d- tuyaux, pièces de raccord pour les tubes Eléments de construction en fonte a- semelle d’appui des poteaux, b- poteaux, c- radiateurs de chauffage, d- tuyaux, pièces de raccord pour les tubes Quelques valeurs de résistances mécaniques de la fonte grise : Nature de la fonte Résistance à la compression (MPa) Résistance à la traction (MPa) Fonte grise 120 À 280 280 À 480 Fonte grise modifiée 280 À 480 380 À 600 L’Acier Elaboration : L'acier (% C < 1,8) est obtenu décarburant la fonte (% C = 2÷4), et éliminant le plus possible le souffre et le phosphore tout en modifiant la teneur des autres éléments (Si, Mn). Les procédés pratiques d'élaboration de l'acier sont : • l'affinage liquide, qui fournit la quasi-totalité de l'acier employé, le métal restant liquide à la fin de l'opération, • l'affinage solide, qui donne un produit à l'état pâteux à la fin de l'opération. Affinage par l'air aux convertisseurs Bessmer et Thomas. La fonte liquide arrivant du mélangeur est versée dans le convertisseur, à travers lequel on souffle un intense courant d'air qui brûle les impuretés de la fonte. Cette combustion dégage en même temps la chaleur nécessaire pour élever la température du bain depuis celle de la fonte en fusion (1200 °C) jusqu'à celle de l'acier (1600 °C). 1., Affinage liquide Le convertisseur Thomas diffère de Bessmer par son revêtement réfractaire, qui est basique (chaux) au lieu d'être acide comme dans le Bessmer (silice). Le procédé acide ou Bessmer, permet de traiter les fontes non phosphoreuses riches en silice (1,5 à 2%).  Le procédé basique ou Thomas, permet de traiter les fontes phosphoreuses (1,7 à 2%) avec peu de silice (0,4 à 0,6%). La durée du traitement varie entre 15 et 30 minutes. Dans le four Martin acide, l'affinage porte uniquement sur le carbone, le silicium et le magnésium; le Souffre et le phosphore restant intacts. En revanche, dans le four Martin basique, l'affinage peut aussi porter sur ces deux derniers éléments. Affinage au four Martin En qualité de combustible, on utilise le gaz et parfois les déchets de fer et d'acier. La durée de fusion est de 4 à 8 heures. Pendant ce temps, on prend systématiquement des échantillons pour analyse chimique. Quand on obtient la composition requise de l'acier, le métal est déchargé dans la poche à coulée et delà dans les lingotières. Ce procédé permet d'obtenir un affinage très poussé du métal, il est réservé à l'élaboration d'acier de qualité. Le chauffage est assuré par un arc électrique jaillissant entre des électrodes de carbone et les matières placées dans le four. . Affinage au four Electrique Capables de fournir des fers à teneur en souffre et phosphore très basse et inférieures à tout ce que l'on peut obtenir par les procédés d'affinage liquide. Dans ce procédé, le combustible (charbon de bois) est en contact direct avec la fonte. L'affinage est réalisée par oxydation des impuretés nuisibles de la fonte, les faisant passer dans le laitier. Lorsque l'opération est terminée, on retire du four des loupes spongieuses de métal contenant de nombreuses scories. Ces loupes sont singlées pour éliminer le maximum de scories. 2. Affinage solide Acier au carbone : contiennent du carbone en proportion croissante, du magnésium en proportion supérieure au carbone et des traces de phosphore de silicium et de souffre. Classification des aciers selon leur composition D'après la composition chimique, les aciers sont divisés en : acier au carbone et aciers alliés. Qualité C Mn P Si S Lim rup allo ng observ extra- doux 0,15 0,4 0,04 0,03 0,02 400 30 Martin B doux 0,25 0,4 0,04 0,06 0,03 0,10 0,02 0,03 500 25 Martin B mi-doux 0,35 0,4 0,06 0,15 0,03 600 20 Martin A mi-dur 0,45 0,5 0,06 0,20 0,03 700 15 ⎯ dur 0,55 0,6 0,06 0,25 0,03 800 10 extra-dur 0,65 0,7 0,06 0,3 0,03 900 5 composition variable suivant l'emploi. Les éléments alliés sont en proportion variant généralement entre 0 et 5%. Acier alliés. Éléments alliés Ratio (%) Observations carbone 0,2 ÷ 0,7 silicium 0,1 ÷ 0,7 2 ÷ 4 (aciers spéciaux) ressorts tôles de transfo. Magnésium 0,3 ÷ 0,8 12 ÷ 14 (aciers très durs) voies ferrées S, P, Cu, Ni, Cr, V, Molybdène < 0,1 ⎯ Nature de l'acier Résistance à la traction (MPa) Allongements (%) acier au carbone 400 ÷ 900 5 ÷ 30 acier allié 700 ÷ 1000) 9 ÷ 13 Les propriétés mécaniques des aciers au carbone sont moindres que uploads/Ingenierie_Lourd/ 2-materiaux-cours2.pdf