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26/11/2021 1 Chapitre 4: Cinétique des transformations de phases (Traitement Th

26/11/2021 1 Chapitre 4: Cinétique des transformations de phases (Traitement Thermique) - Transformation de phases - Traitement thermiques des aciers Modification des propriétés des matériaux  Modification recherchée : Amélioration des propriétés mécaniques Propriétés intrinsèques des matériaux : - Difficilement modifiable - Dépendent du type de liaison et de l’architecture atomique (quasiment insensibles aux défauts) - Varient de façon continue en fonction de la composition du mélange Propriétés extrinsèques des matériaux : - Dépendent des défauts inclus dans le matériau et de la microstructure - Varient considérablement en fonction de la composition et des traitements qu’on lui applique (thermiques ou mécaniques) 26/11/2021 3 Modification des propriétés des matériaux Les traitements thermiques - faire subir des transformations de structure grâce à des cycles prédéterminés de chauffage et de refroidissement afin d'en améliorer les caractéristiques mécaniques : dureté, ductilité, limite d'élasticité, ... • La variation de la température en fonction du temps est appelée cycle thermique (chauffage, maintien et refroidissement). 26/11/2021 4 Si l'on considère un essai de traction simple (uniaxial), on peut mettre en évidence l'écrouissage en interrompant l'essai : 1. Dans un premier temps, on étire l'éprouvette en dépassant la limite d'élasticité, mais sans aller jusqu'à la striction. 2. On annule l'effort, l'éprouvette se rétracte de manière élastique, suivant une droite dans le diagramme (ε, σ). 3. Si l'on tire à nouveau sur l'éprouvette, il faut revenir à la contrainte de la fin de la première étape pour provoquer une nouvelle déformation irréversible ; la limite d'élasticité a donc augmenté. Écrouissage 26/11/2021 5 On fait recourt aux traitements thermiques dans le but de modifier et d’ajuster les propriétés mécaniques des aciers afin de leurs conférer des performances mécaniques particulières adaptées à leurs mise en service.  Par application et combinaison des cycles thermiques, composés, essentiellement, de chauffage et de refroidissement, on parvient, sous certaines conditions à: Augmenter la résistance à la rupture, à la déformation élastique, la dureté, de régénérer un acier qui présente un grain grossier Traitements thermiques des métaux Les traitements thermiques se répartissent en deux grandes catégories • Les traitements de durcissement • Les traitements d’adoucissement Ils se classent aussi selon qu’ils ont: – Pour effet de modifier en profondeur les propriétés du matériau (traitement dans la masse) – Pour effet de modifier superficiellement les propriétés du matériau sur une profondeur limitée calculable (traitements thermiques superficiels ou de surface) 26/11/2021 7 Alliages ferreux Fontes Aciers Alliages non-ferreux Alliages d’Aluminium Alliages de Cuivre Alliages de titane Les alliages ferreux représentent encore une très grande proportion dans l’utilisation des alliages métalliques . Composites CéramiquesPolymères Métalliques 26/11/2021 9 On nomme métallurgie l’ensemble des opérations qui sont faites pour extraire les métaux à partir des minerais, pour en éliminer les impuretés nuisibles, l’élaboration d’alliages par fusion de différents métaux pour obtenir des propriétés particulières et les traitements chimiques, thermiques, mécaniques de ces métaux ou alliages pour leur donner une forme ou des qualités déterminées. Alliage Alliage, produit métallique obtenu par incorporation d’un ou plusieurs éléments à un métal (comme le carbone).Les alliages à deux composants sont dits binaires, ceux qui contiennent trois composants sont appelés alliages ternaires. Il existe trois grandes familles d'alliages : •les alliages à base de fer •les alliages à base de cuivre •les alliages à base d’aluminium - Trempe de l’acier (refroidissement rapide), suivi d’un réchauffement : stabilisation de la structure de l’alliage et de réguler sa dureté. - Frittage : les alliages sont préparés par mélange des poudres sèches des matériaux, comprimés sous haute pression et chauffés jusqu’à des températures supérieures à leurs points de fusion. Les propriétés des alliages sont très différentes de celles de leurs éléments constitutifs. la résistance mécanique et la résistance à la corrosion d’un alliage sont considérablement supérieures à celles de ses constituants pris séparément. Procédés d’élaboration: - Fusion : changement de l’état physique ( mélange des structures) Propriétés des alliages : Alliages métalliques industriels Chauffage de la pièce en acier jusqu'à une température Le fer est maintenue un certain temps à une température de 920°c pour atteindre un équilibre. Des atomes de carbone diffusent dans les mailles cristallines du fer de structure cubique à faces centrées. Un atome de carbone peut se glisser au centre de la maille. et/ou au centre de chaque arête du cube (figure A) Refroidissement rapide de la pièce en acier jusqu'à une Température inférieure à 300 / 200 °C . Les cristaux de fer changent de structure et deviennent cubiques centrés. Mais le carbone n'ayant pas le temps de diffuser, il reste enclavé dans la maille. Revenu de la pièce en acier pour réduire les contraintes Après la trempe, l'acier a une bonne dureté mais il est aussi trop cassant (présence de contraintes internes). Pour réduire ces contraintes, sans nuire à la dureté, il faut le porter un certain temps à une température suffisante, mais inférieure à celle entrainant un début de changement de structure (700°C). Un alliage est la combinaison d'un élément métallique avec un ou plusieurs métaux par fusion. Les caractéristiques mécaniques des métaux purs sont la plupart du temps relativement faibles. Le fait d'ajouter d'autres éléments permet de « durcir » le métal en augmentant ses caractéristiques mécaniques. Produit résultant du mélange d’un métal avec d’autres éléments métalliques ou non Acier : Fer allié à une quantité de carbone inférieure à 2 %. Point de fusion = 1400°C. Acier inoxydable : Acier contenant du chrome pour résister aux agents de corrosion. Acier rapide : Acier très dur contenant du tungstène, du chrome, du vanadium et du molybdène, employé pour la fabrication des outils. Bronze : Alliage de cuivre et d’étain (4 à 22 %). Fonte : Alliage de fer et de carbone (2 à 5%). Les fontes grises (3,5 à 6 % de carbone) sont relativement faciles à usiner. les fontes blanches (2,5 à 3,5 % de carbone) sont destinées à la fabrication du fer et de l’acier. 26/11/2021 13 26/11/2021 14 Les métaux sont constitués de monocristaux (ou grains) et leur forme régulière est polygonale. La structure cristalline agit sur les propriétés du matériau ainsi que sur ses caractéristiques physiques. A l'intérieur des grains, les atomes sont disposés régulièrement et forment des empilements compacts appelés mailles. Les plus classiques sont les structures mailles cubiques centrées (CC), cubique face centrée (CFC) et hexagonale compacte (HC). 26/11/2021 15 Grain grossier Grain raffiné Lisse 26/11/2021 16 Objectifs des traitements thermiques des alliages ferreux • But: Contrôler les propriétés de mise en forme, mécaniques, autres • Moyen: Modifier la microstructure Provoquer la formation des microstructures favorables pour la mise en forme et pour améliorer les propriétés mécaniques • Comment: Traitement thermique Modifier la nature des constituants présents Modifier la forme et la répartition des constituants Atténuer les hétérogénéités de composition chimique • Conséquences: Elimination des contraintes internes et modification de leur répartition avec modification de la microstructure. Rétablit les propriétés d’un acier écroui Acier écroui: battre un métal à froid ou à une température inférieure à sa température de recuit et l’étirer ou la laminer afin de le rendre plus élastique et plus résistant 26/11/2021 17 La possibilité de faire subir à un acier un durcissement par trempe est soumise à deux conditions obligatoires : métallurgique et thermique. 26/11/2021 18 Selon le but, on distingue trois types de traitement : Les recuits (traitement d’adoucissement et de régénération)  Les traitements thermiques dans la masse (la trempe)  Les traitements de surface (le revenu) 2) Transformation de phases 26/11/2021 19  Facteurs influençant les propriétés d’un traitement thermique • Température de traitement • Temps de maintien à la température de traitement, • Nuance (type d’alliage) du matériau; • Travaux antérieurs effectués sur le matériau; • Nombre de cycles (nombre de traitements); • Mode de vieillissement Vitesse de refroidissement, Type et température du milieu de trempe Agitation du milieu de trempe 26/11/2021 20 a) Recuit Principe et but du recuit Le recuit est un traitement thermique réalisé sur des pièces mécaniques dans le but de : Supprimer les effets sur la structure  De la solidification ;  D’une déformation plastique ;  D’un soudage ;  D’un traitement thermique antérieur ; Éliminer ou réduire les contraintes internes dans la pièce Produit une microstructure désirée  Améliore la ténacité et la ductilité , diminue de la dureté De provoquer la formation de structures favorables à l’usinage ou à la déformation à froid d’atténuer l’hétérogénéité de la composition chimique 2) Transformation de phases 26/11/2021 21 Étapes  Un chauffage jusqu' à une température de recuit qui dépend du type de correction à apporter  Un maintien isotherme à la température de recuit  Refroidissement à la température ambiante a) Recuits 2) Transformation de phases 26/11/2021 22 L’acier L’acier constitue l’un des deux principaux métaux que les opérateurs en traitement thermique sont appelés à traiter dans le cadre de leur travail quotidien, l’autre étant l’aluminium. L’acier est un alliage de fer et de carbone. Les propriétés mécaniques sont en relation directe avec le contenu en carbone. Selon sa teneur en carbone, ses propriétés en seront passablement modifiées. 26/11/2021 23 uploads/Ingenierie_Lourd/ chap4-sciencedesmateriaux.pdf