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Faculté de Technologie Département Génie Electrique et Electronique Filière nat

Faculté de Technologie Département Génie Electrique et Electronique Filière nationale en Génie Productique Cours : MATERIAUX 2ème Année Licence G.I. Enseignant : Dr KARA ALI Djamal A. Table des matières Année Universitaire 2016- 2017 Les matériaux Liste des figures.................................................................................................................................................4 Liste des tableaux...............................................................................................................................................4 ELABORATION DES METAUX FERREUX.................................................................................................5 1. Généralités..................................................................................................................................................5 2. Matière minérale........................................................................................................................................6 2.1 Etats de la matière....................................................................................................................................6 2.1.1 .L'état gazeux.....................................................................................................................................6 2.1.2. L'état liquide.....................................................................................................................................6 2.1.3 .L'état solide......................................................................................................................................7 2.2 .Constitution de la matière.......................................................................................................................7 2.3. Formation de la matière..........................................................................................................................8 2.4. Minerai....................................................................................................................................................8 2.5 .Extraction des métaux (élaboration des métaux)....................................................................................8 2.6. Propriétés et caractéristiques des métaux................................................................................................9 2.6.1. La macrostructure...........................................................................................................................10 2.6.2. La microstructure...........................................................................................................................10 3. Notions de cristallographie......................................................................................................................11 3.1. Corps cristallins et corps amorphes.......................................................................................................11 3.3. Structure réticulaire...............................................................................................................................12 3.3.1. Structure Maille simple ou primitive.............................................................................................13 3.3.2. Mailles multiples............................................................................................................................14 3.4. Systèmes cristallins (les 14 réseaux de Bravais)...............................................................................14 3.4.1. Maille cubique simple CS.............................................................................................................16 3.4.2. Maille cubique centrée CC.............................................................................................................16 4.3.3. Maille cubique à faces centrées......................................................................................................16 4. Alliages métalliques.................................................................................................................................17 4.1. Structures des alliages...........................................................................................................................17 4.1.1. Solution solide de substitution.......................................................................................................17 4.1.2. Solution solide d'insertion..............................................................................................................18 4.1.3. Combinaison chimique...................................................................................................................18 4.1.4. Mélange mécanique.......................................................................................................................18 5. De l’âge de fer à l’ère d’acier...................................................................................................................19 5. 1. L’histoire..........................................................................................................................................19 5. 2. Le développement de la sidérurgie...................................................................................................19 5. 2. 1. Construire le bas-fourneau.....................................................................................................20 5. 2. 2. Les premiers aciers................................................................................................................20 1 Les matériaux 5. 2. 3. L’évolution des hauts-fourneaux...........................................................................................21 5. 3. 1. Matières premières.................................................................................................................24 5. 3. 2. Le minerai de fer..........................................................................................................................25 5. 4. La fonte.............................................................................................................................................25 5. 4. 1. Elaboration.............................................................................................................................25 5. 4. 2. Désignation normalisée des fontes selon AFNOR................................................................27 5. 4. 2. 1. Désignation des fontes non alliées.....................................................................................27 5. 4. 2. 2. Désignation des fontes alliées............................................................................................28 5. 4. 2. 3. Désignation des fontes malléables.....................................................................................28 5. 5. L’Acier..............................................................................................................................................30 5. 5. 1. Introduction............................................................................................................................30 5. 5. 2. Elaboration.............................................................................................................................31 5. 5. 3. Composition chimique de l’acier...........................................................................................32 5. 5. 3. 1. Influence des éléments chimiques constants.....................................................................32 5. 5. 4. Désignation des aciers...................................................................................................................33 5. 5. 4. 1. Désignation des aciers ordinaires sans traitement thermique............................................34 5. 5. 4. 2. Désignation des aciers pour traitements thermiques..........................................................35 5. 5. 4. 3. Désignation des aciers alliés..............................................................................................37 5. 5. 4. 4. Aciers faiblement alliés.....................................................................................................38 5. 5. 4. 5. Aciers fortement alliés.......................................................................................................38 5. 5. 4. 6. Cas des aciers à outils..............................................................................................................38 6. Les alliages légers....................................................................................................................................40 6. 1. L’Aluminium.....................................................................................................................................40 6.1. 1. Fabrication :...................................................................................................................................40 6.1 2. L’alumine :....................................................................................................................................40 6.1. 3. La production de l'aluminium :......................................................................................................41 6.1. 4. Désignation de l’aluminium..............................................................................................................43 6.1. Les alliages de cuivre............................................................................................................................44 6.1.1 Généralité :......................................................................................................................................44 6.1.2. Production et application................................................................................................................44 6.1.3. Alliages de cuivre...........................................................................................................................46 6.1.4. Désignation....................................................................................................................................46 7. Désignation des autres alliages................................................................................................................47 8. Conclusions..............................................................................................................................................47 2 Les matériaux Liste des figures 3 Les matériaux Figure 1 : Tableau périodique des éléments.......................................................................................................7 Figure 2 : Atome du fer....................................................................................................................................10 Figure 3 : Cristaux de neige........................................................................................................................ Figure 4 : Cristaux de bloc d'aluminium..............................................................11 Figure 5 : Courbe de solidification...................................................................................................................12 Figure 6 : Structure amorphe Figure 7 : Structure cristalline..........................................................................12 Figure 8 : Maille cristalline élémentaire..........................................................................................................13 Figure 9 : Coupe schématique d'une maille cubique........................................................................................13 Figure 10 : coupe schématique d'une maille CS..............................................................................................16 Figure 11 : coupe spatiale du système cubique centré.....................................................................................16 Figure 12 : coupe schématique d'une maille CFC............................................................................................16 Figure 13 : coupe spatiale d'une maille hexagonale compacte........................................................................16 Figure 14 : Solution solide de substitution.......................................................................................................17 Figure 15 : Solution solide d'insertion.............................................................................................................18 Figure 16 : Métallurgie du fer avant J C..........................................................................................................19 On allumait ce fourneau et on exerçait un soufflage peu........................................................................... Figure 17 : bas fourneaux.........................................19 Figure 18 : Briques et tuyères Soubassement Mise en place de la tuyère Mise à feu.....................20 Figure 19 : Elaboration de la fonte et l’acier....................................................................................................21 Figure 20 : procédés de production d’acier......................................................................................................23 Figure 21 : Evolution de production mondial de l'acier...................................................................................24 Figure 22 : Production mondiale d'acier brut en 2012.....................................................................................24 Figure 23 : Diagramme Fer-Carbone...............................................................................................................25 Figure 24 : Le haut-fourneau............................................................................................................................26 Figure 25 : Elaboration de l’acier.....................................................................................................................30 Figure 26 : La bauxite......................................................................................................................................40 Figure 27 : L'Alumine......................................................................................................................................41 Figure 28 : Les cuves.......................................................................................................................................41 Figure 29 : L'utilisation du cuivre....................................................................................................................45 Figure 30 : Diagramme schématique simplifié................................................................................................46 Liste des tableaux Tableau 1 : Fontes du haut fourneau................................................................................................................26 Tableau 2 : Les éléments essentiels avant affinage et après désoxydation......................................................31 Tableau 3 : Pourcentage des éléments dans les aciers alliés et non alliés........................................................33 Tableau 4 : Les symboles technologiques des métaux.....................................................................................34 Tableau 5 : les valeurs limitent........................................................................................................................34 Tableau 6 : la pureté chimique en soufre et en phosphore des aciers..............................................................35 Tableau 7 : Les alliages et leurs symboles.......................................................................................................37 ELABORATION DES METAUX FERREUX 4 Les matériaux 1. Généralités Comme on le sait l'homme préhistorique n'utilisait que les cailloux pour satisfaire ses besoins matériels, c'était l'âge de la pierre, ensuite découvrit l'argile, matériau mou et malléable qui était transformé après cuisson en matériau indéformable et imperméable. Vint ensuite l'âge du fer et du bronze qui forme en fait l'âge des métaux. Les métaux occupent une place importante aujourd'hui comme avant du fait qu'ils se prêtent à tous les usages (outils, armes, pièces mécaniques et divers équipements etc.). L'utilisation des métaux purs possède beaucoup d'inconvénients tels que faibles propriétés mécaniques, électriques, coûts très élevés etc... Déjà au 15eme siècle on préparait empiriquement des alliages binaires qui sont faciles à travailler et plus résistants que leurs constituants, même on savait déjà expérimentalement comment durcir un métal en le trempant ou en le forgeant, mais l'apport scientifique à cette époque était très limité. C'est au 20eme siècle que les chercheurs ont pu établir les bases essentielles et les techniques fondamentales (analyses chimiques, métallographie, etc..) qui ont permis de progresser efficacement dans l'élaboration de nouveaux matériaux. Le dernier siècle est caractérisé par l'apparition de beaucoup d'alliages, des matériaux réfractaires, des matériaux de construction et surtout les composés organiques (plastique, caoutchouc, résines, colles, goudron etc... ), et surtout on a vu évoluer en force dans le domaine de la haute technologie, les céramiques techniques et les matériaux composites qui ont pris l'essor que l'on connaît actuellement, outre cela il y a l’amélioration de la qualité des matériaux, réduction des poids des pièces mécaniques et de leur prix de revient. Malgré toutes ces nouveautés dans le domaine des matériaux, l'acier et la fonte demeureront les métaux les plus utilisés dans l'industrie. Je suis persuadé que cet ouvrage est susceptible d'être amélioré en de nombreux points. Je serais très reconnaissant aux lecteurs qui voudront bien faire part de leurs suggestions. 2. Matière minérale 2.1 Etats de la matière D'après l'ancienne classification, la matière se présente dans la nature sous trois états physiques 5  Acier, Fonte  De base : Cu, Pb, Zn, Sa  Légers : Al, Mg, Ti  Précieux : Au, Ag, Pt  Rare : Rhé, Be  Cuir, Bois, Caoutchouc  Béton, Verre, Plastique Les matériaux (Liquide, gazeuse, solide). 2.1.1 .L'état gazeux C'est l'état dans lequel les molécules sont séparées les unes des autres par des distances grandes par rapport à leur diamètre. Il est impossible de déterminer à un instant donné la position exacte et la vitesse de chacune des particules. Autrement dit les molécules possèdent une translation, rotation et vibration (mouvement chaotique désordonné). L'état gazeux est caractérisé par la non conservation du volume, SQWS forme propre, grande compressibilité, expansibilité, élasticité. La plus part des gaz peuvent changer d'état sous l'action de la chaleur et de la compression. Leur densité est faible et variable avec la température. 2.1.2. L'état liquide Il est plus ordonné que l'état gazeux. Chaque atome limite, par le volume qu'il occupe, les positions que peuvent prendre ses voisins. Les molécules de liquide possèdent une liberté de translation, rotation et vibration. L'état liquide est caractérisé par sa fluidité et sa structure désordonnée comme le gaz. Son empilement aléatoire de particules se traduit par une coordinence variable et une faible compacité. Les caractéristiques : surfaces libre apparente, faible compressibilité, sons forme propre, conservation du volume. 2.1.3 .L'état solide Il est caractérisé par une disposition (arrangement) ordonnée des atomes suivant un réseau tridimensionnel dit cristallin régit par des forces de cohésion. C'est un état de compacité maximale et de coordinence bien définie. Les atomes ou ions sont animés de vibrations. 6 Matière Métaux non ferreux Métaux ferreux Métalloïdes Matériaux anorganiques (Artificiels) Matériaux organiques (Naturels) Liquide Solide Gazeux Les matériaux Les caractéristiques : rigidité, très faible compressibilité, élasticité, forme propre, conservation de volume. 2.2 .Constitution de la matière La matière est constituée de particules très petites appelées atome. L'atome est la plus petite partie de la matière, il est constitué de noyau autour duquel gravitent des électrons sur des couches électroniques (K, L, M, N, O, P) et qui portent un certain nombre d'électrons (2, 8, 16, 32 e t c . ) . La couche périphérique est la plus importante, elle définit les propriétés chimiques des atomes. Figure 1 : Tableau périodique des éléments Les éléments ayant cette couche saturée sont très stables, les autres éléments tendent à acquérir cette stabilité soit : a) en cédant des électrons, le cas des métaux qui sont des éléments électropositifs (ils libèrent facilement les électrons de la couche périphérique). b) Ou en gagnant des électrons, le cas des métalloïdes, qui sont électronégatifs (ils ont tendance à compléter leurs couches périphériques). Le nombre d'électrons cédés par les métaux ou le nombre d'électrons absorbés par les métalloïdes définit le nombre de liaison ou la valence. La stabilité des éléments est permanente si l'atome contient uploads/Ingenierie_Lourd/ les-materiaux.pdf