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- SCIENCES DES MATERIAUX NIVEAU 2 SEMESTRE 4 Samuel EPESSE MISSE - UE : IUT GMP

- SCIENCES DES MATERIAUX NIVEAU 2 SEMESTRE 4 Samuel EPESSE MISSE - UE : IUT GMP41 FABRICATION 2 EC : GMP413 – SCIENCES DES MATERIAUX DURÉE : 24 Heures OBJECTIFS GÉNÉRAUX A la fin de ce cours, l’étudiant doit être capable de :  s’approprier la typologie des machines-outils de production.  s’approprier les notions théoriques d’exécution des opérations élémentaires en tournage et en fraisage ;  comprendre les critères de choix des paramètres de coupe en fraisage ;  s’approprier les notions de géométrie des outils de coupe OBJECTIFS SPECIFIQUES A la fin de ce cours, l’étudiant doit être capable de :  définir la structure d’une fraiseuse et son mode opératoire ;  identifier les opérations élémentaires réalisables sur une fraiseuse ainsi que les outils permettant de les exécuter;  déterminer et calculer les paramètres de coupe en fraisage pour une opération d’usinage déterminé ;  élaborer une étude de phase en fraisage. - FICHE DE PROGRESSION - SOURCES DOCUMENTAIRES [1] Baïlon JP, Dorlot JM. : Des matériaux. 3e éd. Montréal. Ed. Presses Internationales, Polytechnique, 2000. [2]Mercier JP, Zambelli G, Kurz W. : Traité des matériaux - Introduction à la science des matériaux. 3ème édition. Presses polytechniques et universitaires romandes, 2002. - TABLE DE MATIÈRES FICHE DE PROGRESSION..................................................................................................................3 SOURCES DOCUMENTAIRES...........................................................................................................4 TABLE DE MATIÈRES........................................................................................................................5 CHAPITRE 1 : Rappels atomistiques, structure des métaux et des alliages...........................................7 I - INTRODUCTION..................................................................................................................................7 II – LES LIAISONS ATOMIQUES...........................................................................................................9 II.1 LA MOLÉCULE.........................................................................................................................................9 II.2 ORIGINE DES LIAISONS INTERATOMIQUES......................................................................................10 II.3 TYPE DE LIAISONS................................................................................................................................10 II.4 LES LIAISONS CHIMIQUES................................................................................................................11 III - ARRANGEMENT STRUCTURAL DES SOLIDES CRISTALLINS............................................14 III.1 LE CRISTAL PARFAIT..........................................................................................................................14 III.2 FORMATION DES SOLIDES................................................................................................................21 IV STRUCTURE DES MÉTAUX.........................................................................................................28 IV.1 GÉNÉRALITÉS......................................................................................................................................28 IV.2 SOLIDIFICATION DES MÉTAUX........................................................................................................29 V - STRUCTURE DES ALLIAGES......................................................................................................30 V.1 GÉNÉRALITÉS........................................................................................................................................30 V.2 SOLUTIONS SOLIDES D'INSERTION....................................................................................................31 V.3 SOLUTIONS SOLIDES DE SUBSTITUTION........................................................................................32 Chapitre 2 : Diagrammes de solidification des alliages binaires...........................................................34 I - DIAGRAMME D’EQUILIBRE BINAIRE.........................................................................................34 I.1 Définition..................................................................................................................................................34 I.2 Règles d'utilisation....................................................................................................................................34 I.3 Système à miscibilité totale à l'état solide..................................................................................................35 II - Système à miscibilité partielle à l’état solide......................................................................................38 II.1 Diagramme eutectique.............................................................................................................................38 II.2 Diagramme péritectique...........................................................................................................................43 II.3 Diagramme monotectique........................................................................................................................45 III - Diagrammes d’équilibre binaires réels..............................................................................................45 Chapitre 3 : Etude du diagramme Fer -Carbone...................................................................................46 i - Variétés allotropique et magnétique du fer..........................................................................................46 ii - Les différentes phases du système Fer-Carbone.................................................................................48 II.1 La ferrite a...............................................................................................................................................48 II.2 La ferrite S...............................................................................................................................................48 II.3 L'austénite Y.............................................................................................................................................48 II.4 La cémentite (Carbone de fer Fe3C)........................................................................................................48 II.5 La perlite..................................................................................................................................................49 III - Diagramme d'équilibre Fer-Carbone.................................................................................................49 III.1 Diagramme stable- diagramme métastable.............................................................................................49 III.2 Analyse du diagramme Fer-carbone à cémentite....................................................................................50 - III.3 Influence des éléments d'alliages............................................................................................................52 IV - Étude du refroidissement du diagramme métastable Fe3-C..............................................................53 IV.1 Cas de l'acier hypœutectoïde à 0.4%C....................................................................................................53 IV.2 Acier hypereutectoïdes 1. 2%C...............................................................................................................54 IV.3 Acier eutectoïde à 0.77%C......................................................................................................................54 V - Transformation dans les fontes...........................................................................................................56 V.1 Fonte hypoeutectique à 3%C....................................................................................................................56 V.2 Fonte hypoeutectique à 5%C....................................................................................................................57 Chapitre 4 : Traitements Thermiques...................................................................................................58 Les traitements thermiques...................................................................................................................58 Les traitements thermiques...................................................................................................................60 Les traitements thermiques...................................................................................................................61 Les traitements thermiques...................................................................................................................62 - CHAPITRE 1 : RAPPELS ATOMISTIQUES, STRUCTURE DES MÉTAUX ET DES ALLIAGES I - INTRODUCTION Tous les matériaux qui nous entourent sont formés d’atomes et de molécules. L’arrangement et la relation qui existent entre ceux-ci expliquent certaines de leurs propriétés. Pendant longtemps les physiciens, en se fondant sur l’apparence immédiate des corps (cf. glossaire) qui nous entourent, ont distingué les états solide, liquide et gazeux. La classification actuelle repose sur la structure atomique des matériaux et ne considère plus que deux états principaux : l’état désordonné et l’état ordonné (Figure 1). Rem : Le solide est dur et ne se déforme pas. Au contraire, un liquide et un gaz se déforment, ils prennent la forme du récipient dans lequel on les place ; Le solide, placé régulièrement, forme des cristaux. Dans un cristal, il y a donc un ordre. Dans l’état désordonné, les atomes ou molécules constituant la matière sont disposés de façon essentiellement aléatoire. Les gaz et les liquides de l’ancienne classification appartiennent naturellement à cette catégorie, mais aussi les solides amorphes, tels que les verres (cf. glossaire) ou certains polymères (cf. glossaire) , qui peuvent être en fait considérés comme des liquides de viscosité (cf. glossaire) très élevée. A l’opposé, dans l’état ordonné ou cristallin (cf. glossaire) , les éléments constitutifs (atomes, ions ou molécules) sont répartis de façon régulière suivant les trois directions de l’espace. Ces matériaux sont parfois qualifiés de « vrais solides ». La plupart des objets qui nous entourent relèvent de cette catégorie. - Figure 1 : Etat désordonné (amorphe) du gaz et des liquides. Etat ordonné (cristallin) des solides à l’exception des verres et de certains polymères. Dans certains cas, peu fréquents, les solides cristallins apparaissent sous la forme de monocristaux : quartz, pierres précieuses, etc. L’ordre tridimensionnel se manifeste alors par leur aspect géométrique : faces planes se coupant suivant des arêtes vives et faisant entre elles des angles bien déterminés. Ex : le diamant est formé de carbone comme le charbon mais dans le charbon, le carbone est placé irrégulièrement. La différence entre le diamant et le graphite, également formé de carbone est la disposition des atomes et des plans cristallins (Figure 2 ). Figure 2 : Structure cristalline du diamant (a) et du graphite (b) Le plus souvent, en revanche, les matériaux cristallins sont des agrégats d’une multitude de cristaux parfois très petits (de quelques microns à quelques centaines de microns). Dans ces polycristaux, le caractère ordonné de la matière, présent à l’échelle de chaque cristal, n’apparaît plus au niveau macroscopique. Les métaux (cf. glossaire) et les alliages (cf. glossaire) métalliques relèvent de cette description, de même que les céramiques (cf. glossaire) et certains polymères partiellement cristallins. Dans le cas des métaux, les cristaux de l’agrégat sont appelés grains et les frontières entre ces cristaux joints de grains (cf. (Arrangement structural des solides cristallins : ) ). La disposition des atomes ou des groupes d’atomes dans un solide cristallin, c’est-à- dire la structure cristalline de l’ensemble, dépend de plusieurs facteurs, en particulier du type de liaison entre les atomes (cf. (Les liaisons atomiques : ) ) et du nombre de premiers voisins, ou nombre de coordinence, que chaque atome peut accepter. → Le nombre de premiers voisins est le nombre d’atomes en contact avec un atome pris comme origine. - II – LES LIAISONS ATOMIQUES Lorsque deux atomes se lient, ils peuvent former une molécule. Cette liaison est appelée liaison primaire. En fonction du degré d’interaction entre les atomes, un des trois états peut se former : gaz, liquide ou solide. Dans l’état gazeux, il y a peu ou pas de résistance au mouvement des atomes ou molécules, dans l’état liquide, la résistance est beaucoup plus importante mais les molécules peuvent se déplacer avec aisance. Par contre, dans l’état solide, le mouvement des atomes et des molécules est restreint à des vibrations localisées, bien que certains mouvements soient possibles par diffusion. II.1 LA MOLÉCULE La molécule Les entités chimiques dont nous sommes entourés sont des molécules, soit des combinaisons d’éléments (atomes) de nature et de nombre divers. Les éléments se combinent entre eux pour former des molécules ; il se crée entre les éléments des liaisons de différentes forces. L’évolution d’un système est une évolution tendant non seulement vers un état de moindre énergie (facteur enthalpique (cf. glossaire) : ΔH°) mais aussi vers un état plus probable ou état de plus grand désordre (facteur entropique (cf. glossaire) : ΔS°). Dans la plupart des réactions chimiques existe un compromis entre facteur enthalpique et facteur entropique. ΔG° (variation d’énergie libre standard) = ΔH° - TΔS° Tout système mécanique tend vers un état d’énergie inférieur. Deux à plusieurs éléments s’associeront entre eux pour former une MOLECULE à condition que cette dernière réalise une entité chimique plus stable que les éléments de départ. La spontanéité thermodynamique (cf. glossaire) n’est toutefois pas le seul facteur à envisager pour expliquer le devenir d’une réaction chimique ; encore faut-il notamment que la réaction puisse se faire à une VITESSE (cinétique) appréciable. La MOLECULE représente, à l’échelle microscopique, la plus petite partie d’un corps susceptible d’exister à l’état libre dans la nature tout en détenant l’ensemble des - propriétés caractéristiques de la substance (cf. glossaire) originelle.Sauf rares exceptions, la molécule est un assemblage d’au moins deux éléments identiques ou non. Il y a des corps simples = molécules constituées d’éléments identiques (ex. H2, N2, O2, F2, Cl2,…) et des corps composés = molécules formées d’éléments de nature différentes (H2S, H2O,CH3COOH, …). II.2 ORIGINE DES LIAISONS INTERATOMIQUES Toutes les LIAISONS ont une origine commune : l’attraction électrostatique entre les charges positives du noyau atomique et les charges négatives des électrons. Il y a des attractions et des répulsions entre les charges électriques des électrons et des noyaux. L’équilibre entre cette force de répulsion et la force d’attraction électrostatique conduit à l’existence d’une distance d’équilibre entre deux atomes, caractéristique de la liaison considérée. Des charges électriques de même signe se repoussent et des charges électriques de signe différent s’attirent. Ex : Na+ et Cl- forme un cristal de chlorure de sodium. S’il n’y avait pas de force (ou des forces extrêmement faibles) entre les atomes, il n’y aurait pas de molécule. uploads/Ingenierie_Lourd/ materiaux-epesse2.pdf