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Chapitre 1 L’HISTOIRE DES MATERIAUX Module Technologie de Base 2eme année ST US

Chapitre 1 L’HISTOIRE DES MATERIAUX Module Technologie de Base 2eme année ST USTHB Enseignant M. TATA FGMGP De manière symbolique et résumée, un matériau est une matière dont on fait un matériel. DÉFINITION De manière plus précise et plus complète : un matériau est la forme marchande d’une matière première choisie en raison de propriétés d’usage spécifiques et mise en œuvre par des techniques appropriées pour l’obtention d’un objet de géométrie donnée à fonction préméditée. Objectifs de la séquence CHAP1 : * Acquisition de connaissances sur les Familles de matériaux * Reconnaître par sa désignation un matériau * Caractéristiques des matériaux, * La plupart des progrès technologiques ont été obtenus grâce à l’évolution des matériaux. * La science des matériaux est l’étude des relations entre : - l’organisation de la matière à l’échelle atomique - la microstructure - les propriétés des matériaux I. INTRODUCTION I.1 QUELQUES GRANDES LIGNES DE L’HISTOIRE DES MATERIAUX Les quelques dates rappelées ci-dessous montrent que l’évolution des techniques est étroitement liée à la découverte et à la production de masse de nouveaux matériaux : Toutes les familles de matériaux sont concernées par une concurrence de plus en plus vive (qu’on pense à la concurrence entre béton, bois, verre et métal dans le bâtiment) et une diversification croissante (il existe à ce jour plus de 3000 nuances d’aciers, dont la moitié n’existait pas il y a cinq ans). * L’utilisation des différents types de matériaux dépend: - des propriétés - de la disponibilité - du coût - - de la compatibilité avec l’environnement Exemple : route, centrale nucléaire, automobile Quels matériaux ? - matériaux de la vie courante - matériaux à hautes performances - associations de divers matériaux Domaines d’applications: - aéronautique et aérospatiale, - automobile, bâtiment, - électronique et électrotechnique, - environnement, santé - armement... I.2 FAMILLES DES MATERIAUX: Afin de choisir un matériau pour une un fabriquer un organe de machine il est important de définir plusieurs critères : Caractéristiques mécaniques : limite élastique, masse, dureté, résilience… Caractéristiques physico-chimiques : comportement à la corrosion, vieillissement… Caractéristiques de mise en œuvre : usinabilité, soudabilité, trempabilité… Caractéristiques économiques : prix, disponibilité, expérience industrielle… La définition compète d’une pièce de machine exige la détermination de sa forme, de ses dimensions et de sa matière. On peut regrouper les matériaux en familles : Il existe une classification technologique simple des matériaux en fonction de leurs propriétés d’utilisations: I.3 Classification des matériaux * 3 groupes principaux - les métaux - les céramiques - les polymères * un 4eme - les matériaux composites II. ESSAIS DES MATERIAUX Les essais réalisés pour étudier les caractéristiques mécaniques des matériaux sont généralement: Essai de traction : consiste à "tirer" sur une éprouvette de longueur et de diamètre normalisés, fabriquée dans le matériau à tester, jusqu’à sa rupture. L’essai de traction est donc un essai destructif. Durant cet essai, on enregistre la courbe donnant, en fonction de l’allongement de l’éprouvette, l’intensité avec laquelle on "tire". Essai de dureté : consiste à déformer la surface d’une pièce par application d’un effort connu. Dureté Brinel (sphère), dureté Vickers, Rockwell (cône). Essai de choc : mesure la résistance au choc ou résilience. A. Essai de traction le plus simple et le plus courant Il consiste à placer une éprouvette du matériau à étudier entre les mâchoires d'une machine de traction qui tire sur le matériau jusqu'à sa rupture. On enregistre la force et l’allongement, que l'on peut convertir en contrainte déformation. Machine d’essai de traction utilisée Domaine élastique → → → contrainte est proportionnelle à la déformation (loi de Hooke) → → → constante de proportionnalité E (module d’Young) courbe contrainte-déformation d’un matériau ductile, Les comportements possibles DES MATERIAUX B. Essai de compression B. Essai de compression Matériaux fragiles (béton, céramique..) pour déterminer les contraintes de rupture C. Essai de flexion Matériaux ductiles (alliage, polymere..) Il présente la même utilité que les essais de compression • Ductilité : Propriété grâce à laquelle un matériau peut se déformer de façon permanente avant de se rompre (aptitude des matériaux à la déformation plastique). C ’est un atout important pour la mise en forme des matériaux. D. Essai de dureté 1.Essai Rockwell (NF EN 10109-1 à 3) * Le pénétrateur est appliqué sur la surface de la pièce avec une précharge F0. Il descend alors à un niveau qui sert d’origine aux mesures de profondeur ultérieures * Une surcharge F1 est appliquée, pour atteindre la valeur de la charge totale d’essai F; le pénétrateur descend La dureté Rockwell, notée HRC est un nombre sans dimension compris entre 0 et 100 (ou 130), défini comme le complément de h à une profondeur de référence de 0,2 mm (respectivement 0,26 mm) partagée en cent (resp. 130) graduations identiques. *La surcharge est retirée, entraînant une légère remontée du pénétrateur en raison de la disparition d’une partie élastique de la déformation *On mesure alors à l’aide d’un comparateur l’accroissement h de la profondeur de pénétration, entre le début et la fin de l’essai sous précharge F0. 2.Essai Brinell (NF EN 10003-1 à 3) Le pénétrateur est une bille en acier trempé (dureté HBS) ou en carbure de tungstène (dureté HBW) de diamètre D (mm). L’empreinte est une calotte sphérique de diamètre moyen d (en mm, moyenne de deux diamètres orthogonaux mesurés à l’aide d’un appareil optique approprié). 3.Essai Vickers (NF A03-154 et NF A 03-253) Le pénétrateur est une pyramide en diamant, à base carrée et d’angle au sommet entre faces opposées égal à 136°. L’empreinte est une pyramide en creux de diagonale moyenne d (en mm, moyenne des deux diagonales du carré de base, mesurées à l’aide d’un appareil optique approprié). La charge d’essai F (N) est choisie dans une gamme normalisée. La dureté est donnée par le rapport de F (en kg-force à l’origine) à la surface latérale de l’empreinte pyramidale, exprimée sans dimension : Les duretés Brinell et Vickers donnent des résultats du même ordre, variant de quelques unités pour des matériaux très mous (plomb, matières plastiques…) jusqu’à quelques milliers pour les matériaux très durs (céramiques, carbures métalliques…). L’essai de résilience le plus couramment pratiqué sur les matériaux métalliques est l’essai Charpy (NF EN 10045), effectué sur un moutonpendule qui brise en flexion 3-points une éprouvette prismatique à entaille en U ou en V. L’altitude de remontée du pendule, comparée à son altitude de départ, permet de chiffrer facilement l’énergie absorbée lors de la rupture. E. Essai de résilience La résilience représente la résistance d’un matériau à la propagation brutale d’une fissure sous l’effet d’un choc. Elle se mesure par l’énergie par unité de section consommée pour la rupture d’une éprouvette, en J/cm2. Le même type d’appareil permet d’effectuer l’essai Izod (NF T 51-911), utilisé autant pour les polymères que pour les métaux, où l’éprouvette entaillée est encastrée en porte-à-faux. L'énergie obtenue (en négligeant les frottements) est égale à : m : masse du mouton-pendule g : accélération de la pesanteur (environ 9.81 m. s-2) H hauteur du mouton-pendule à sa position départ h : hauteur du mouton-pendule à sa position d'arrivée La graduation de la machine permet le plus souvent d'obtenir directement une valeur en joule III. ELABORATION DES MATERIAUX Métalliques La plupart des matériaux sont obtenus a partir des minerais Mélange hétérogène chimique et complexe de métaux et de roches stériles Métaux Gangue Oxydes Carbonates Sulfures silicates Métal+O2 Métal+CO3 Métal+S Métal+Si III.1. INTRODUCTION oxydes de fer carbonates pyrite FeS2 Magnétite Fe3O4 Hematite Fe2O3 Siderite Fe(CO3) Limonite FeO(OH) Classification des minerais suivant leurs combinaisons: III. 1. PRINCIPE D’ELABORATION DES ALLIAGES FERREUX Un alliage ferreux est constitué essentiellement de fer (Fe) et de carbone (C Les aciers et fontes alliées sont constitués de Fe, C et d'autres éléments tels que : silicium, manganèse, nickel, chrome, etc … qui améliorent leurs qualités. Les aciers ont une teneur maximale en carbone de 2,1 %. Les fontes ont une teneur en carbone comprise entre 2,1 et 6,67 %. Une pièce ne sera pas réalisée en fer, mais dans un de ces alliages : Fonte ou Acier. Le fer est un matériau peu performant et coûteux à l’affinage Attention au vocabulaire : consiste a la production des alliages a base de fer (fonte et Acier) Sidérurgie : Fonte Acier Convertisseur (affinage) Haut Fourneau (réduction) Dans un haut-fourneau on obtient la fonte de première fusion : Le déroulement des opérations est le suivant : -- Extraction du minerai. -- Concassage, broyage. -- Enrichissement. -- Agglomération pour en faire des blocs. -- Réduction de ce minerai Minerai de fer : hématite Coke C + O2 CO2 CO2 + C 2CO 3Fe2O3+CO 2 Fe3O4 + CO2 Fe304 +CO 3FeO + CO2 Fe304+4CO 3Fe+4CO2 FeO +C Fe+CO Ou FeO+CO Fe+CO2 3Fe+C Fe3C 3Fe+2CO Fe3C+CO2 les principales étapes de la transformation et le contre sens des deux courants de gaz et de minerai, ce qui constitue le principe de fonctionnement de cet appareil. Haut-fourneau fonte de première fusion Combustion du coke et production de CO et CO2 (étalages) Production de l’oxyde de fer et de fer 300 et 600-700°C Réduction de uploads/Ingenierie_Lourd/ chapitre-1-histoire-des-materiaux.pdf