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Chapitre 1 Matériaux métalliques : Désignation, propriétés et applications Cour

Chapitre 1 Matériaux métalliques : Désignation, propriétés et applications Cours de Matériaux Métalliques. Licence appliquée en Génie Mécanique 1 Chapitre 1 MATERIAUX METALLIQUES : DESIGNATIONS, PROPRIETES ET APPLICATIONS INTRODUCTION ET DEFINITIONS : Toutes les machines, tous les objets (naturels ou artificiels) qui nous entourent et/ou que nous utilisons dans tous les domaines sont fabriqués à partir des matières ou des produits d’origines naturelles ou aussi artificielles. Donc un matériau (liquide, solide ou gaz) est, par simple définition, tout produit utilisé pour la fabrication d’un objet. Exemples : Le sable, l’eau, les pierres : pour la fabrication des bâtiments, Le cuivre, pour la fabrication des câbles électriques, La laine, pour la fabrication des vêtements, …etc. Ces matériaux peuvent être d’origines naturelles :  d’origine animale : laine, lait, cuir,…  d’origine végétale : bois,  d’origine minérale : or, fer, ou d’origines artificielles comme les ciments, les briques, etc…(voir cours caractérisation des matériaux ) Parmi ces matériaux, on trouve une classe très importante qui est celle des matériaux métalliques ou simplement les métaux. Les métaux sont donc, des matériaux dont les atomes sont unis par des liaisons métalliques. Il s'agit de corps simples ou d'alliages le plus souvent durs, opaques, brillants, bons conducteurs de la chaleur et de l'électricité. Ils sont généralement malléables, c'est-à-dire qu'ils peuvent être martelés ou pressés pour leur faire changer de forme sans les fissurer ni les briser. De nombreuses substances qui ne sont pas classées comme métalliques à pression atmosphérique peuvent acquérir des propriétés métalliques lorsqu'elles sont soumises à des pressions élevées. Les métaux possèdent de nombreuses applications courantes, et leur consommation s'est très fortement accrue depuis les années 1980, au point que certains d'entre eux sont devenus des matières premières minérales critiques. Les métaux sont classés en deux grandes classes les métaux ferreux et les métaux non ferreux. Les métaux ferreux : Le Fer, métal tenace et malléable, utilisé pour les grilles de jardin, portails, clôtures. La Fonte, alliage de fer et de carbone, qui utilisée pour les radiateurs, les garde-corps et certaines canalisations. L'Acier doux, mélange de fer et de carbone, utilisé dans la construction sous forme de poutrelles ou de tôles, que l'on retrouve dans des grilles, portes, volets...Tous ces matériaux doivent protégés de l'oxygène et de l'humidité. Les métaux non ferreux : Le Zinc, qui s'altère peu, est utilisé pour les gouttières, les couvertures de maison. L'Aluminium, qui se retrouve sur fenêtres, portes et portails grâce à sa résistance aux intempéries. Le Cuivre, inaltérable à l'eau et à la vapeur d'eau. L'Acier galvanisé, acier enrobé, qui est utilisé pour des portes de garages, des rambardes. Sur ces métaux, on est appelé à appliquer une sous-couche appropriée avant la finition. Chapitre 1 Matériaux métalliques : Désignation, propriétés et applications Cours de Matériaux Métalliques. Licence appliquée en Génie Mécanique 2 1. Métaux ferreux (aciers et fonte) Un acier est un alliage métallique constitué principalement de fer et de carbone (dans des proportions comprises entre 0,02 % et 2 % en masse pour le carbone). C’est essentiellement la teneur en carbone qui confère à l’alliage les propriétés du métal qu’on appelle « acier ». Il existe d’autres métaux à base de fer qui ne sont pas des aciers, comme les fontes et les ferroalliages. Les aciers sont des matériaux contenant en masse plus de fer que tout autre élément et dont la teneur en carbone est inférieure à 1,7%, limite courante qui distingue les fontes. La normalisation (NF EN 10020) retient trois familles principales d’aciers : les aciers non alliés (aucun élément d’alliage ne dépasse 0,6% ; sauf 1,65% pour Mn (Manganèse)), les aciers faiblement alliés et les aciers fortement alliés (aciers inoxydables). De prix compétitif, mieux adaptées au moulage que les aciers, du fait d’une plus grande fluidité à chaud et de température de fusion inférieures ( 1200°C contre 1500°C), les fontes sont régulièrement utilisées. Le tableau 1.1 résume les symboles chimiques et les symboles métallurgiques ainsi que la densité des métaux. 1.1. Aciers non alliés (aciers au carbone) 1.1.1. Aciers non alliés d’usage général (S, E …) Ils sont caractérisés par une faible teneur en carbone, ce sont les plus utilisés. Ils existent dans des qualités diverses et des variantes réservées à des usages particulières (moulage, soudage…). La plupart sont disponibles sous forme de laminés marchands (profilés, poutrelles, barres, tôles…) aux dimensions normalisées. Certains sont proposés en semi-fini : pré-laqués, galvanisés, nervurés, ondulés, etc. Applications : (construction soudée, formage à froid ou à chaud, emboutissage, étirage, laminage, pliage…) : carrosseries, fers et profilés pour le bâtiment, construction navale, plate- forme pétrolière, trains, chaudronnerie, ameublement, électroménager, biens de construction… Tableau 1.1 : Symboles chimiques et métallurgiques, densité des métaux usuels Corps Symbole chimique Symbole métallurgique Densité Corps Symbole chimique Symbole métallurgique Densité Aluminium Béryllium Bore Cadmium Al Be B Cd A Be B Cd 2,7 1,85 2,35 8 Manganèse Molybdène Nickel Phosphore Mn Mo Ni P M D N P 7,2 10,2 8,9 1,88 Carbone graphite Carbone diamant Chrome Cobalt C C Cr Co - - C K 2 ,24 3,5 7,1 8,9 Platine Plomb Silicium Soufre Pt Pb Si S - Pb S F 21,5 11,3 4 2,4 Cuivre Etain Fer Lithium Magnésium Cu Sn Fe Li Mg U E Fe L G 9 6 à 7,5 7,8 0,53 1,75 Titane Tungstène Vanadium Zinc Zirconium Ti W V Zn Zr T W V Z Zr 4,5 19,3 5,9 7,15 6,5 Chapitre 1 Matériaux métalliques : Désignation, propriétés et applications Cours de Matériaux Métalliques. Licence appliquée en Génie Mécanique 3 a. Désignation normalisée Lettre (S, E …) suivie de la limite élastique à la traction Re en MPa ou N/mm2. S’il s’agit d’un acier moulé, la désignation est précédée de la lettre G (figure 1.1). Exemple : GE335, GS235. b. Principales nuances normalisées Le tableau ci-dessous résume les principales nuances normalisées des aciers non alliés. Les valeurs de Rm, Re, A% et Kv indiquées varient d’une qualité à l’autre, dépendant des procédés de fabrication, des traitements, des épaisseurs d’un produit à un autre. Le tableau 1.2 donne quelques nuances normalisées. Exemple : GS 35 NL : Acier de construction, moulé de limite d’élasticité 355 MPa normalisé basse température. Aciers non alliés GS 355 NL G Acier moulé (si nécessaire) NL Indication complémentaire : F : formage N : normalisé M : laminage Q : trempé et revenu L : basse température… S S : aciers de construction E : aciers de construction mécanique P : aciers pour appareils à pression B : aciers à béton H : produits plats pour formage L : aciers pour tube M : aciers électriques… 355 Limite élastique Re en MPa Figure 1.1 : Désignation des aciers non alliés d’usage général NF EN 10027-1 1.1.2. Aciers spéciaux non alliés, de type C Ils sont destinés aux traitements thermique (trempe, cémentation) des pièces petites et moyennes, ils sont caractérisés par un ajustement précis de leur composition, une plus grande pureté et des éléments d’addition en très faible quantité (Mn < 1% ; Cr + Ni + Mo < 0,63 %). a. Désignation (fonction de la composition chimique) Lettre C suivie du pourcentage de carbone multiplié par 100 plus au besoin des indications complémentaires : E et R = teneur en soufre, C = formage à froid, S = ressort, D = Tréfilage… Exemple : GC35E : Acier au carbone, moulé, de 0.35% en carbone, de teneur maximale en soufre b. Principales nuances normalisées Les caractéristiques mécaniques varient selon les traitements. Le tableau 1.2 donne quelques nuances normalisées.  Aciers à faible teneur en carbone (< 0,3%) : ils sont réservés à la cémentation et aux traitements de surface (catégorie des aciers doux).  Aciers à faible teneur en carbone (< 0,3%) : ils sont utilisés pour les trempes et les revenus, dans le cas d’applications, dans le cas d’applications exigeant une plus grande résistance et une certaine tenue à l’usure (catégorie des aciers mi-durs). Applications : pièces moulées et forgées, arbres, axes, engrenages, visserie…  Aciers à haute teneur en carbone (> 0,5%) : ils sont employés pour des applications exigeant : grandes duretés, hautes résistances, tenue à l’usure. Ils ont tendance aux gauchissements et aux déformations après trempe. Ils perdent leurs propriétés aux hautes températures. Ne durcissant pas en profondeur, ils sont surtout utilisés pour des pièces « petites » en volume, ou mince. Exemples : C55 (XC55), C60, C70 … Chapitre 1 Matériaux métalliques : Désignation, propriétés et applications Cours de Matériaux Métalliques. Licence appliquée en Génie Mécanique 4 Applications : pièces forgées, ressorts, lames, rasoirs, matrice… 1.2. Aciers faiblement alliés Pour ces aciers, aucun élément d’addition ne dépasse 5% en masse (Mn 1%). Ils sont choisis chaque fois qu’une haute résistance est exigée. Ils sont utilisés en l’état ou avec traitement. Le tableau 1.3 présente une synthèse des principales nuances d’aciers faiblement alliés, leurs caractéristiques mécaniques et les applications qui y sont associées. 1.2.1. Désignation normalisée Elle est fonction de la composition : pourcentage de carbone multiplié par 100, suivi des symboles chimiques des principaux éléments d’addition uploads/Ingenierie_Lourd/ chapitre-1-definitions-designations-et-apllications 1 .pdf