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1 S.BENSAADA METAUX ET ALLIAGES FERREUX 2 PREFACE La genèse d’une innovation te

1 S.BENSAADA METAUX ET ALLIAGES FERREUX 2 PREFACE La genèse d’une innovation technologique est constituée par l’ensemble des faits scientifiques et techniques qui ont concouru à sa formation. La connaissance approfondie de cette phase préalable, difficile à observer quand elle est en cours, mais pourrait se reconstituer, à posteriori, est essentielle pour tenter de prévoir et de diriger le flux des changements techniques tout le long des différentes étapes des développements scientifiques. Les matériaux en général et les métaux en particulier constituent un rôle important pour tout développement industriel ou progrès technologique. Une grande partie de l'activité économique des pays industrialisés est rattachée aux matériaux. Vu les exigences de l'industrie moderne, de nombreux programmes de recherche sont en route pour le développement d'autres matériaux plus performants et moins coûteux tels que les composites, les céramiques, les polymères etc.…, mais les alliages métalliques occupent toujours une place importante, car les caractéristiques de ces derniers s'améliorent de jour en jour grâce aux recherches. Les propriétés d'emploi des métaux et alliages sont déterminées en grande partie par la morphologie et le degré de dispersion des phases qui les constituent, c'est-à-dire par la microstructure. Aujourd'hui maîtriser les microstructures en vue d'optimiser telle ou telle propriété est réalisable par des traitements thermiques ou thermomécaniques appropriés, qui sont fondés sur les possibilités de transformations structurales. Cet ouvrage traite les fondements technologiques de l’élaboration des métaux non ferreux, leurs désignations ainsi que leurs transformations et les traitements thermiques à subir. Elle expose profondément les aspects purement métallurgiques des sciences des matériaux. L’étudiant aura à s’imprégner de l’ensemble des techniques et des opérations nécessaires à l’extraction, à l’élaboration et à l’affinage des métaux légers et leurs alliages. L’auteur 3 1. Notions de cristallographie La cristallographie est une science qui étudie les cristaux c-a-d la formation, la croissance, la forme extérieure, la structure interne et les propriétés physiques de la matière cristallisée. Le mot cristal à son origine grec—►glace. C'est au 19èmesiècle que la cristallographie se dégagea progressivement de la minéralogie et se rapprocha de la physique et de la chimie en devenant une science indépendante. Les figures 1 et 2 représentent respectivement : - des cristaux de neige. - des cristaux de bloc d'aluminium refroidit, dont la surface est polie et attaquée par un agent chimique, les cristaux allongés sur le contour à partir desquels le refroidissement est parti et les petits grains de cristaux au cœur. Fig.1 4 Fig.2 1.1.Corps cristallins et corps amorphes Par structure cristalline on entend l'arrangement des atomes dans un cristal. Un cristal est défini comme étant un corps solide qui a une structure réticulaire et se composant d'atomes (ions) répartis suivant une succession déterminée qui se produit périodiquement dans les trois dimensions. L'absence de structure réticulaire caractérise le corps amorphe. Les propriétés des corps amorphes diffèrent largement de celle des corps cristallin. Les corps amorphe sont caractérisés par la disposition chaotique de leurs atomes ce qui donne une structure interne désordonnée (comme un liquide). Un corps amorphe n'a pas de forme géométrique naturelle, ils sont assimilés à des liquides figés. Les corps amorphes sont caractérisés par : - L'absence d'une température de fusion nettement déterminée. - L'isotropie (mêmes propriétés dans les différentes directions) surtout les propriétés physiques. - On trouve ainsi une différence caractéristique dans les courbes de refroidissement des corps amorphes et cristallin, le refroidissement des corps amorphes se traduit par une courbe décroissante et continue (fig.3) : 5 M : début desolidification N : fin de solidification Fig.3 Tandis que celui des corps cristallin présente un palier en température qui marque début et fin de solidification (cristallisation) : Tous les corps solides peuvent être amorphes ou cristallins, il existe un grand nombre de corps solides amorphes. Les verres représentent un exemple bien connu des corps amorphes, les Si04 composants les verres sont désorientés les uns par rapport aux autres (fig.4) dans un solide ils seraient répartis régulièrement (fig.). Fig.4 Fig.5 Structure amorphe Structure cristalline 6 Aujourd'hui les solides amorphes représentent un grand intérêt dans le domaine de la technologie. Les semi-conducteurs amorphes peuvent remplacer des composants électroniques. Des mémoires d'ordinateurs ont étés élaborées à partir de matériaux amorphes. Dans le même ordre d'idée, les liquides ne sont pas tous amorphes. Certains d'entre eux présentent une organisation périodique et les molécules s'orientent les unes par rapport aux autres au sein du liquide. C'est le cas des cristaux liquides dont les propriétés optiques dépendent étroitement des perturbations extérieures (température, pression, champ électrique ou magnétique). Ils permettent la transformation de signaux de nature diverses en signaux optiques, le cas de la télévision ultraplat s'accrochant au mur. 1.2. Propriétés des corps cristallins Les corps cristallins sont caractérisés par les propriétés suivantes : a) ils sont caractérisés par une certaine anisotropie (les propriétés physiques ne sont pas les mêmes dans les différentes directions) l'anisotropie peut être constatée à l'échelle macro et microscopique. b) Un matériau cristallin peut présenter soit : - un monocristal (cristal unique) par ex : cristal de quartz, de calate, de diamant etc... - ou un polycristal ou une agglomération de petits cristaux (échantillon d'acier). c) Les cristaux sont caractérisés par des faces planes, des arêtes rectilignes et des sommets tels que : F -i- S - A + 2 F: faces, S : sommets, A : arêtes. Les faces sont caractérisées par deux lois : • Si l'on rapporte les différentes faces d'un cristal à un système de coordonnées à 3 dimensions, la position d'une face quelconque peut toujours être exprimée par trois nombres entiers simples. Si on fait intervenir la notion du réseau tridimensionnel la position de tout point du réseau peut être indiquée par des coordonnées par rapport à un système d'axe dont l'origine est placée en un nœud du réseau (fig.6). 7 Fig.6 d) Constante des angles dièdres : l'angle formé par deux faces déterminées est constant dans tous les cristaux d'une même espèce chimique. Si nous coupons un cristal de quartz perpendiculairement à l'axe vertical on obtient plusieurs configurations mais avec des angles rigoureusement égaux (120°), (fig.7). (fig.7) coupes transversales 8 e) La plupart des cristaux se comportent d'une façon inattendue par rapport à la lumière. Les rayons lumineux se propagent à des vitesses différentes dans les milieux cristallins. f) Les propriétés d'un cristal peuvent avoir la même valeur dans plusieurs directions et l'on décèle suivant ces directions une symétrie de diverses natures. 1.3. Structure réticulaire Pour expliquer les particularités observées dans les cristaux on doit admettre que tout corps cristallin a une structure ordonnée réticulaire qui est indépendante de la nature et de la forme des particules matérielles élémentaires constituant le cristal. Donc pour représenter schématiquement une structure cristalline on emploie un réseau à trois dimensions (fig.8), l'exemple du réseau de NaCl. O ion de Cl- et o ion de Na+ Fig.8 Un réseau cristallin est constitué par un assemblage d'atomes (ions) arrangés suivant un motif qui se reproduit périodiquement dans les trois dimensions. Donc un réseau cristallin est un réseau spatial imaginaire ayant pour nœud les atomes (sommet des parallélépipèdes) les droites passant par ces nœuds sont appelé rangés. Tous les nœuds sont groupés dans des plans parallèles équidistants appelés plans réticulaires, la distance entre deux plans voisins de la même famille est la distance interréticulaire. 9 Tous les parallélépipèdes qui ont pour sommets les nœuds sont appelés maille du réseau c-a-d le volume minimal d'un cristal qui permet déjuger de la structure atomique du volume tout entier s'appelle maille cristalline élémentaire (fig. 10) : Réseau cristallin + motif = structure cristalline Fig.9 • La maille élémentaire : c'est aussi le plus petit parallélépipède qui permet de reproduire tous les réseaux tridimensionnels par translation continue de ces éléments suivant les trois directions. Un réseau cristallin d'un solide est composé d'un nombre infini de mailles élémentaires à l'intérieur desquelles les atomes sont disposés dans un ordre bien défini. • Motif : c'est la reproduction indéfiniment et régulièrement des atomes ou ions dans le cristal, l'ensemble régulier de motifs est appelé réseau. - contrairement au motif le nœud n'a pas de réalité physique. - La rangée du réseau est un ensemble de nœuds alignés, c'est une droite passant par des nœuds du réseau. La distance qui sépare deux nœuds consécutifs d'une rangée est appelée période ou paramètre de rangée. • Maille du réseau : Le réseau est théoriquement infini, ainsi pour le décrire, on choisit une unité structurale qui le reproduit par translation. Cette unité c'est la maille élémentaire. On distingue la maille simple ou primitive et la maille multiple. 10 a) Maille simple ou primitive Dont les sommets sont constitués de huit nœuds tous voisins quelque soit la rangée considérée, elle ne contient de nœuds ni dans son volume, ni sur ses faces, ni sur ses arêtes. On désigne la maille primitive par la lettre P, il y a autant de maille P que de nœuds dans le réseau, en effet chaque nœud est commun à huit mailles P et chaque maille P correspond à huit nœuds. A chaque maille on peut donc associer un nœud. uploads/Ingenierie_Lourd/ metaux-et-alliages-non-ferreux.pdf