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Physique
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Cours de Matériaux - H. BOUAOUINE
1
Cours de :
CONNAISSANCE DES MATERIAUX
ENIM – 1ère
Année TC
Par : H. BOUAOUINE
Docteur Es-Sciences
Professeur à l’ENIM
Cours de Matériaux - H. BOUAOUINE
2
CONNAISSANCE DES MATERIAUX H. BOUAOUINE
Prof. ENIM
Rôle des matériaux : Importance capitale dans le
développement et les découvertes stratégiques : Aviation,
nucléaire, automobiles, chemins de fer, industrie navale, sport,
énergies renouvelables, bâtiments et TP, et les nouvelles
technologies…..
Développement d’un pays Sa consommation en
Matériaux et Energie.
ETAT SOLIDE :
Etat compacte à liaisons fortes entre les constituants
Incompressibilité et Rigidité.
LIAISONS DE L’ETAT SOLIDE :
IONIQUE : Transfert d’électrons entre deux atomes ( NaCl ).
COVALENTE : Mise en communs d’électrons, formation de
molécules ( graphite et diamant )
MOLECULAIRE : Molécules polarisées (nuage positif, nuage
négatif). Au cours du refroidissement, forces électriques
Solide : (H2O glace, O2 à basse température)
METALLIQUE : Réseau de cations entourés par des orbites
électroniques saturées, plongeant dans un nuage d’électrons
libres communs à tous les atomes.
Mise en commun collective d’électrons libres Conduction.
( Fe , Cu , Al , Ni , Cr , Va , Mo , W , Au , Ag , Mn , Mg ….)
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3
Classes de matériaux :
Métalliques – Plastiques – Céramiques, Verres et
Composites.
Exemples d’emploi de matériaux :
1010
Exemples de mExemples de méétauxtauxAciers
Magnésium SuperalliageTitane
Cuivre Aluminium
Tour Eiffel : 7300 tonnes d’acier ( depuis 1889 )
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4
2424
Exemples de polymères
Polyamide CaoutchoucPolyéthylène
PVC Polyester
2828
Exemples de composites
Fibres de carbone Plywood
Fibres d’aramideNid d’abeilles en PP
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5
Eolienne en composite
Avion airbus A380- Matériaux performants et légers (Alu, Ti, sup, compo,..)
Exemples de céramiques traditionnelles
Faïence Porcelaine
Terre cuite Grès
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6
1515
Exemples de céramiques techniques
Nitrure de titane (TiN) Nitrure de bore (BN)
Carbure de silicium (SiC) Alumine (Al203)
2121
Exemples de verres
Verre ordinaire
Cristal Cristallin
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7
Pour mettre en relief l’importance des matériaux dans le développement,
analysons la production et la consommation d’acier dans le monde :
* Production d’acier par pays (en Millions de tonnes/an):
1. Chine : 272,5 Mt
2. Japon : 112,7 Mt
3. États-Unis : 98,9 Mt
4. Russie : 65,6 Mt
5. Corée du Sud : 47,5 Mt
6. Allemagne : 46,4 Mt
7. Ukraine : 38,7 Mt
8. Brésil : 32,9 Mt
9. Inde : 32,6 Mt
10. Italie : 28,4 Mt
11. France : 20,8 Mt
12. Turquie : 20,5 Mt
13. Taïwan : 19,5 Mt
14. Espagne : 17,7 Mt
15. Mexique : 16,7 Mt
16. Canada : 16,3 Mt
17. Royaume-Uni : 13,8 Mt
18. Belgique : 11,7 Mt
19. Pologne : 10,6 Mt
20. Afrique du Sud : 9,5 Mt
* Egypte : 5.8 Mt Algérie: 1.2 Mt ( Tous les pays arabes : moins de 25 Mt )
*Monde : environ 1100 Mt/an
*Évolution de la consommation d'acier de
1992 à 2005 en millions de tonnes
*Répartition de la consommation d'acier
en 2005 en %
Source : Steel Statistical Yearbook, International Iron and Steel Institute (IISI)
A noter :
* 30 pays consomment les 2/3 de la production mondiale d’acier !
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8
* La chine consomme le 1/3 de la production !
MATERIAUX METALLIQUES
STRUCTURE DES METAUX :
Structure : Disposition spatiale des constituants du solide .La maille est
l’entité élémentaire de cette disposition. L’ensemble des mailles
constitue le cristal. L’ensemble des cristaux constitue le
polycristal.
Les propriétés physico-chimiques du métal sont fonction de la
structure.
Globalement les métaux cristallisent dans 3 structures :
CC - CFC ou HC
Cubique centré Cubique à faces centrées Hexagonal compact
a
1°) STRUCTURE CC :
Cr , Va , Mo , W , Feα , Feδ, Tiβ , Zrβ
- Atomes en contact suivant diagonale
- Compacité : 68 % ( 32% de vide )
2°) STRUCTURE CFC : a
Cu , AL , Ag , Au , Pt ,Fe γ , Mnγ , Co
- Atomes en contact suivant diagonales
des faces
- Compacité : 74 % ( 26% de vide )
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9
3°) STRUCTURE HC :
Zn , Mg , Cd , Be , Tiα , Coα
c
- Prisme droit à bases hexagone
régulier a
- Compacité : 74 % ( 26% de vide )
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10
DEFAUTS DE STRUCTURES L’arrangement atomique dans l’espace n’est pas parfait, donc
DEFAUTS :
* PONCTUELS : lacunes , interstices
* LINEAIRES : dislocations
* PLANS : Sous-joints , joints de grains et mâcles.
Concentration des défauts fonction de :
- la température
- des traitements thermomécaniques (Etat métallurgique)
Exemple :
ρ : densité de dislocations ( longueur par unité de volume en m-2
)
Cu à l’état normalisé ( recuit ) : ρ = 105 cm
-2
Cu déformé à 10 % : ρ = 1010
à 1012
cm-2
( !!!! )
ρ = f ( déformation plastique subie )
Déformation plastique:
Facilité de déplacement et de multiplication des dislocations.
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11
ALLIAGES METALLIQUES
Précision :
- Plusieurs mailles de même orientation Monocristal
cristal
- Plusieurs cristaux séparés par joints de grains
Polycristal ( ensemble de grains d’orientations différentes )
Joint de grain
grain Grain
(cristal)
- Polycristal : Au cours d’une solidification normale
Formation de plusieurs germes d’orientations différentes
Chaque germe génère un grain
- Monocristal : Conditions particulière de solidification pour
garder la même orientation (solidification dirigée et lente)
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12
METAUX PURS :
- Nécessitent une purification poussée
- Propriétés mécaniques médiocres
- Utilisation limitée à des domaines spécifiques (électronique …)
Mélange à d’autres éléments : ALLIAGES
ALLIAGES :
La plus part des métaux sont miscibles à l’état liquide .
Miscibilité totale
A l’état solide
Miscibilité partielle
Refroidissement du liquide Solution solide de
substitution ou solution solide d’insertion.
En pratique :
80 éléments du TPM peuvent former des alliages
3000 binaires et 80000 ternaires
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13
DIAGRAMMES DE PHASES L’étude des alliages nécessite la connaissance de leurs DP.
PHASE : Toute partie d’un corps homogène du point de vue :
Composition Structure propriétés
A° - SOLIDIFICATION :
Métal pur : à θf équilibre L - S
θ
L
L - S
θf
S
t
Alliage à x% en b :
θ
L
θi L - S
θf
S
t
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14
Solidification dans un intervalle [θi , θf ]
θi : formation du 1er
germe solide
θf : disparition du dernier liquide
θi et θf sont fonctions de x%
La représentation des courbes de θi et de θf en fonction de x%
dans un repère ( θ , x% ) constitue le DP de l’alliage A-B .
Germination homogène :
Supposons le germe solide formé sphérique :
L germe de
rayon r
à θi équilibre thermodynamique : L - S
ΔG = ΔGv + ΔGs
Avec : ΔGv = 3
4 .πr3(Gs - Gl )
ΔGs = 4πr2γs γs : tension superficielle
ΔG = 3
4 .πr3(Gs - Gl ) + 4πr2γs
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15
ΔG
ΔGS
ΔG
r* r1 r1+dr r
ΔGV
r* : rayon critique de germination
Au rayon r* :
d/dr(ΔG ) = 0 r* = -2.γS/(GS - GL )
à TE température d’équilibre L - S : GS - GL = 0
r* ∞ : pas de solidification
Pour solidifier, il faut diminuer T : ( TE - T = ΔT > 0 )
Si r < r* : disparition du germe
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16
Si r > r* : croissance du germe
On a : ΔG = ΔH - TΔS à une température T
GS - GL = (HS - HL) - T( SS - SL )
à TE : GS - GL = 0 (HS - HL) - TE( SS - SL ) = 0
( SS - SL ) = (HS - HL) / TE
ΔT faible ΔH et ΔS varient peu avec T
Càd ΔHT = ΔHTE et Δ ST = Δ STE
Donc : (GS - GL)T = (HS - HL)TE - T( HS - HL )TE /TE
= (HS - HL)TE.[ΔT/TE]
Sachant que HL - HS = LE Chaleur latente de fusion :
on a :
r* = 2.γS.TE /LE.ΔT
Si T = TE r* ∞ : pas de solidification
Si T < TE r* plus faible : Solidification facile
Δ G(r1 + dr) < Δ G(r1) la solidification continue
ΔT = TE - T > 0 : Phénomène de surfusion
La solidification commence à T = TE – ΔT
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Germination hétérogène :
Solidification sur une impureté solide
Tensions superficielles : * impureté – liquide : γI-L
* impureté – solide : γI-S
* liquide- solide : γL-S
θ : angle de mouillage
L
θ
I
germe S
Cosθ = ( γI-L - γI-S ) / γL-S
Δ Ghet = ΔGhom.f( θ )
Avec : f( θ ) = (2+cosθ)(1- cosθ)2/4 [f( θ ) ≤ 1]
Δ Ghet ≤ ΔGhom solidification facile avec impureté
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B°) DIAGRAMMES DE PHASES
1°- Miscibilité totale à l’état solide :
θ
L
θ1
L+S
S
A xs x xl B %B
Solide : Une seule phase S pour tout x% en B
Exemple : Ag-Au , Au-Ni , Cu-Ni
Règle des segments inverses :
L’alliage à X %B est refroidi depuis le liquide
A θ1 , on a : L + S ( 2 phases )
Composition physique :
%L = ( Xs – X)/( Xs – Xl)
%S = ( X – Xl)/( Xs – Xl)
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Composition chimique :
Xl% en B
L
(100-Xl%) en A
Xs% en B
S
(100-Xs%) en A
2°- Miscibilité partielle à l’état solide :
2-1 ) Transformation eutectique :
θB
θ A L
α+ L L + β
E
α β
α + β
A B
Alliage à XE %B :
à θ E + ε : L à θE - ε : α + β
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20
à θ E : L α + β Solide biphasé
α : solution solide de B dans A
β : solution solide de A dans B
* Transfo eutectique :
θ
L
L α + β
α + β
t
2-2) Transformation péritectique :
θB
L
L + β
P
β
L+ α
θA α + β
α
A X% B
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Alliage à XP %B :
à θ P + ε : L + β à θP - ε : α
à θP : L + β α Solide monophasé
α : solution solide de B dans A
β : solution solide de A dans B
Transfo peritectique :
θ
L+ β
L + β α
α
t
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2-3 ) Transformations à l’état solide :
Transformation eutéctoide :
θB
θ A γ
α+ γ γ + β
E
α β
α + β
A B
Transformation peritéctoide :
θB
γ
γ + β
P
β
γ+ α
θA α + β
α
A B
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2-4 ) Diagrammes avec phases intermédiaires :
Phases intermédiaires : Phases existant dans un domaine de
concentration limitée.
% large : solution solide à base de composé intermédiaire
% fixe : composé bien défini ( formule AmBn ).
Exemple : Digramme Cu-Mg
1089°
L
650°
α
γ
α + γ γ+ε
ε + Mg
Cu %Mg ε : Mg2Cu Mg
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C° - Le diagramme Fer-Carbone (Aciers-Fontes)
L
δ
L+Fe3C
γ
α
α + Fe3C
Fe %C
0.8 2.06 4.3 Fe3C
ACIERS FONTES
Phases :
α : ferrite ( cubique centrée )
γ : austénite ( cubique à faces centrées )
δ : ferrite δ ( cubique centrée )
Fe3C : Cémentite CBD ( héxagonale )
à 0.8 %C : γ α + Fe3C : Perlite
à 4.3 %C : L γ + Fe3C : Ledéburite
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CARACTERISATION DES MATERIAUX
A- MICRO-MACROGRAPHIE
Operations :
- Polissage mécanique ou électrolytique
- Attaque par un réactif chimique approprié
- Observation au microscope
Détermination :
- Phases ( nature , nombre , répartition )
- Grosseur des grains
- Inclusions non métalliques
B- ESSAIS MECANIQUES :
Sur des éprouvettes normalisées, déterminer les caractéristiques
mécaniques du matériau.
1° - ESSAI DE TRACTION :
- Eprouvettes :
Eprouvettes de formes cylindriques ou parallélépipédiques
L0
e ou d
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L0 et S0 tels que : L0 = 5.65√S0
- Courbe (indicative ):
F/S0
Rm
Re
ΔL/L0
Caracteristiques conventionelles:
Re ou Re0.2% : Limite d’élasticité
Charge à partir de laquelle le matériau ne reprend plus sa
longueur initiale .
Rm : Charge de rupture :
Charge maximale que supporte le matériau avant rupture.
A % : Allongement pour cent : ( allongement à la rupture )
Exprime la ductilité du matériau :
A % = ( Lf - L0) / L0
Z % : Coefficient de striction :
Z % = (S0 – Sf ) / S0
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N.B : Ces caractéristiques sont fonction de la température et de
l’état métallurgique du matériau.
Re
Rm
Si θ°C :
A%
Z%
2°- ESSAIS DE DURETE :
Dureté : Résistance à la déformation plastique locale .
Principe de l’essai : Mesurer la pénétration ou l’empreinte
d’un pénétrateur en fonction de la charge appliquée .
a - Dureté Brinell ( HB ):
Une bille de diamètre D avec une charge P laisse une empreinte de
diamètre d .
HB = P / S S = π D( D - √D2 –d2 )
P en daN et S en mm2
b - Dureté Rockwell ( HRA , HRB , HRC ) :
- HRA et HRB : pénétrateur bille
HR = 130 – 500e e : profondeur en mm
- HRC : pénétrateur conique
HRC = 100 – 500e
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c – Dureté Vickers ( HV )
- Pénétrateur : diamant pyramidal à base carrée .
HV = 1,854.P/d2 d : diagonale de l’empreinte
d - Microdureté Vickers :
On mesure la dureté au niveau local des phases
N.B : La dureté d’un matériau dépend de son état
métallurgique et varie dans le même sens que Re et Rm .
3 ° - ESSAIS DE RESILIENCE :
La résilience traduit la résistance aux chocs. C’est l’opposée de
la fragilité d’un matériau .
- Eprouvette :
Entaille en U
10
10
55 mm
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- Appareil : Mouton pendule de CHARPY
G0
masse M
H
G.
h couteau
Eprouvette
KCU = M.g (H –h)/ S en J/cm2
La résilience dépend étroitement de la température .On définit la
température de transition ( θT ) qui sépare les deux domaines :
ductile et fragile .
KCU
ductile
fragile
θT θ
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30
4 ° - LE FLUAGE :
C’est la variation de la déformation en fonction du temps sous
une contrainte donnée à haute température ( θ > θfluage ).
ζ = ζ1 θ = θ1 ε = ε(t)
A basse température :
ζ
ζ1
ε
ε1 ζ = ζ1 ε = ε1 pour tout t
A haute température :
En pratique si θ > 0.3TF(°K)
ε R
ζ = ζ1 θ = θ1
I II III
t
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Stade I : Fluage primaire ( logarithmique )
Stade II : Fluage secondaire ( linéaire )
Stade III : Fluage tertiaire ( accéléré )
En R : Rupture
5°- RUPTURE ET FATIGUE
Pour dimensionnement de structures, on suppose que
le milieu est continu ( pas de vide, pas de couvrement ).
Si le milieu contient des défauts de continuité ( fissures,
soufflures , retassures )
Concentration de contraintes
Exemple : Eprouvette de traction lisse ou entaillée
ζ
En chaque point ζ homogène
ζ
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32
ζ
Au point M : ζM = Kt.ζ
Kt : Coef. de cocentration des ζ
M Kt = 3 pour trou circulaire
ζ
Au voisinage des fissures , les contraintes sont élevées et peuvent
dépasser la limite d’élasticité et même Rm .
On définit un coefficient d’intensité des contraintes K dépendant
du chargement et de la morphologie de la fissure.
Modes de chargement :
- Mode 1 :
K1
- Mode 2 :
*
K2
*
- Mode 3 :
K3
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33
K = f ( ζij , longeur et morphologie fissure )
K augmente jusqu’à la valeur critique KC :
Le coefficient d’intensité des contraintes critique .
KC = f ( matériau , température )
Exemple :
Une fissure circulaire de longueur 2a et de profondeur a .
ζ
Mode 1 :
K1 = 2.α.ζ.√a (α = 1)
2a
Longueur critique :
aC = 0.25(K1C/ζ)2
ζ
FATIGUE DES MATERIAUX :
Si les contraintes appliquées sont variables dans le temps
amorçage des fissures propagation rupture
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34
ζ
ζmax
ζmoy
ζmin t
1 cycle
Courbe de Vohler :
Pour chaque contrainte ζmax , on note le nombre de cycles à la
rupture NR .
ζmax
ζe
NR
104
105
106
107
108
ζe : Limite d’endurance [contrainte pour NR = 107cycles]
Après chaque cycle , la fissure avance….. jusqu’à la rupture .
Loi de PARIS de propagation des fissures :
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35
da/dN = C.(ΔK)m
avec :
C et m : caractéristiques du matériau
ΔK = Kmax - Kmin : le chargement
FACTEURS DE FATIGUE :
- Le chargement : R = ζmin / ζmax
- Forme des pièces : angles vifs et entailles à éviter
- Dimensions des pièces : limite de fatigue plus
importante pour petites pièces
- Etat de surfaces : la rugosité diminue la résistance .
- Contraintes de surface : les contraintes de compression
augmentent la résistance à la fatigue .
- Milieu : Couplage fatigue-corrosion .
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36
Calcul de la durée de vie théorique :
N = [C.(ΔK)m
]-1
.da
On intègre entre lesvaleurs : initiale ao et critique ac.
Connaissant durée cycle durée de vie .
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37
DESIGNATIONS NORMALISEES
Alliages désignés suivant normes spécifiques :
- France : AFNOR
- USA : ASTM
- RFA : DIN ………etc
Les normes tiennent compte de :
- reconnaissance alliage
- composition chimique
- indice de pureté
- autres spécificités
Norme française ( ancienne norme ) :
1° - Aciers de construction d’usage général :
- A chiffre -I chiffre : Rm minimale en daN/mm2
A 33 , A48 , A 50-2 , A 60
- E chiffre –I33 chiffre : Re minimale en daN/mm2
E 24 , E 28 , E 35-FP
I : indice de pureté
1,2,3,4 : niveau de résistance à la rupture fragile
CP : emploi à température > θ ambiante
AP : emploi à température ambiante
FP : emploi à température < θ ambiante
W : résistance améliorée à la corrosion atmosphérique.
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38
2° - Aciers fins pour t. thermiques :
XC chiffre ou CC chiffre chiffre : 100*%C
XC 25 , XC 45 , XC 60 CC 20 , CC 38
3° - Aciers faiblement alliés :
Aucun élément d’alliage ne dépasse 5%.
Eléments d’alliages :
Ni N Cu U Al A
W W Mg G Mn M
Co K Si S Ti T
Be Be P P S F
Au Au Ag Ag Pb Pb
Cr C Va V Mo D
Zn Z Sn E Pt Pt
Exemples :
35 NCD 16-4-2
0.35% C 4% Ni 1% Cr 0.2% Mo
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39
- Diviser par 4 pour : C, N, M, K, S
- Diviser par 10 pour le reste
Exemples :
100C6 , 42CD4 , 15MDV4-5 , 20NC6 ……..
4° - Aciers fortement alliés :
Au moins un élément dépasse 5% .
Exemple :
Z 6 CN 18 - 8
fortement allié 0.06%C 18% C 8% N
5° - Désignation des non ferreux :
Exemples :
A-U4G : alliage d’Alu avec 4% Cu et peu de Mg
T-A6V4 : alliage de Ti avec 6% Alu et 4% de Va
U-E30 : alliage de Cu avec 30% de Sn
U-Z20 : alliage de Cu avec 20% de Zn
A-S13 : alliage d’Alu avec 13% de Si
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40
Nouvelle norme :
• Aciers non alliés d’usage général
– Pour la construction mécanique :
E335 Re min = 335MPa
Nuances: E295, E335, E360
Ancienne norme : Série A : Rm en MPax10
Exemple A60 Nuances : A33, A34, A50, A60,A70
–Pour la construction métallique :
S235 Re min = 235MPa
Nuances: S185, S235, S355
Ancienne désignation : Série E : Re en MPax10
Exemple E24 Nuances : E24, E26, E30, E36
• Aciers pour t. thermiques :
C YY au lieu de XC YY
Exemple : C35 au lieu de XC38
• Aciers faiblement alliés :
42 CrMo4 au lieu de 42CD4
• Aciers fortement alliés :
X2CrNi18-8 au lieu de Z2CN18-8
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41
TRAITEMENTS THERMIQUES
Chauffage et refroidissement d’ un alliage
- Transformations de phases à l’état solide
- Déplacement et réarrangement des défauts
- Augmentation ou diminution des dimensions de grains
- Suppression ou création de contraintes internes
- Modification de l’ordre-désordre de la structure .
Les T.T sont des opérations de chauffage, de maintien
et de refroidissement des alliages .
Cycle : θ M
C R
t
Modification des propriétés
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42
TRANSFORMATIONS A L’ETAT SOLIDE :
C’est l’apparition d’une ou plusieurs phases à partir d’une
phase mère .
- Si transformations lentes(réversibilité thermodynamique)
Diffusion à l’état solide
L’état obtenu est un état thermodynamiquement stable.
Exemple : précipitation , transfo eutéctoide
- Si transformations rapides (non réversibles )
Autre mécanisme sans diffusion ( Cisaillement )
L’état obtenu est métastable.
Exemple : transfo martensistique pour aciers
Diffusion à l’état solide :
1° loi de FICK :
J = -D.∂C/∂x
J : flux matière ( g/cm2.s )
D : coefficient de diffusion (cm2/s)
C : concentration matière (g/cm3)
x : distance (cm)
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43
La matière se déplace à partir des concentrations élevées.
Exemple : Zn dans Cu
Zn Cu Haute θ°C
CZn
CZn = f(x ,t)
x
Loi d’ARHENUS :
D = D0.exp (-Q/RT)
Q : énergie d’activation
R : constante des gaz
T : température absolue (°K)
Si T D
- Phénomène thermiquement activé –
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44
2éme
loi de FICK :
∂C/∂t = D.∂2C/∂x
2
Permet le calcul de C( x,t ) en tout point de la matière .
Cinétique des transfo à l’état solide :
a° - conditions isothermes :
Courbes TTT (Transformations, Température, Temps) :
Passage de θH à θ puis maintien à θ pendant t .
η : taux de transfo = masse nouvelle Φ/masse Φ mère
η
1
t Incubation accélération ralentissement
La courbe TTT correspondant à θH est :
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45
θ
θH
3%
50% Φt
97%
Φm + Φt
Φm fin
début
Logt
Points de début et de fin de transfo déterminés par :
- micrographie
- dilatomètrie
b° - Conditions anisothermes :
Courbes TRC (Transformations en Refroidissement Continu )
Refroidissement depuis θH à une vitesse V fonction de :
- milieu de refroidissement (eau ,air ,huile, four ,…)
- agitation bain de trempe
- masse de la pièce
- capacité calorifique alliage
- température d’homogénéisation θH .
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46
θ
θH
début
arrêt 97%
60
Ms 0% V1
15 V2
V3
Mf V4 Vc
Logt
Exemple :
- Pour V3 , à température ambiante on a :
15% phase transformée et 85% phase mère
- Vc : Vitesse critique de trempe
La phase mère se transforme entre Ms et Mf en une phase
non indiquée par le DP .
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TRAITEMENTS THERMIQUES DES ACIERS
Points de transformations :
AC3 ACm
γ
γ + Fe3C
α+γ
α AC1
α + Fe3C
Fe C
Au cours du chauffage :
Ac1 : Apparition de l’austénite γ au cours du chauffage
Ac3 : Disparition de la ferrite α
Acm : Disparition de la cémentite Fe3C pour %C > 0.8
Au cours du refroidissement :
Ar3 : Apparition de la ferrite au cours du refroidissement
Ar1 : Disparition de l’austénite γ
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48
A – LE RECUIT :
1° - Recuit de normalisation :
L’acier est normalisé suivant la structure donnée par le
diagramme d’équilibre .
Cycle : - chauffage à Ac3 + 50°C
- maintien juste la durée nécessaire
- refroidissement lent
2° - Recuit d’homogénéisation :
But : Homogénéiser la structure en supprimant la
ségrégation mineure et majeure .
a – Ségrégation mineure :
θ lingot
L
L+S
S %B x
A x1 x2… B x1
x X
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b – Ségrégation majeure :
Si alliage avec impuretés θfusion différentes de
l’alliage Solidification différentielle .
Exemple : FeS impureté dans acier
θfusion(Fes) < θfusion(Acier)
FeS
acier
Après solidification Impureté au milieu du ligot
Hétérogénéité .
REMEDES :
Faire jouer la diffusion à l’état solide ( augmenter θ et t )
D augmente Diffusion accélérée .
Recuit d’ homogénéisation :
- Chauffage à θ°C élevée (Ac3 +200°C)
- Maintient long
- Refroidissement lent
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50
3° - Recuit de régénération :
Après la surchauffe d’une structure ou une opération de
Soudage Grossissement de grains
Hétérogénéité du comportement mécanique ( diminution
de Re et Rm selon la loi de PETCH ) :
Re = ζ0 + k/√d
Exemple : Structure soudée
cordan
ZAT
Observations : Grossissement du grain dans la ZAT
REMEDE :
- Chauffage dans un domaine à nouvelles phases
Germination et croissance Grains normaux
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- Maintien juste le temps pour transformer toute la
masse .
- Refroidissement lent .
C’est le recuit de REGENERATION .
4° - Recuit de recristallisation :
Ecrouissage : ° Consolidation du matériau
° Multiplication des dislocations
° augmentation de Re avec εP
Le matériau devient plus dur , plus résistant mais plus
fragile et plus difficile à déformer .
Exemple : ζ
ε
εr
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Eprouvette à l’état recuit Re
Eprouvette déformée jusqu’à B puis relâchée ( εr ) :
si nouvelle traction Nouvelle limite Re1
donc Re1 = f (εr ) : c’est l’écrouissage
Recristallisation :
A partir d’un certain taux de déformation ( taux
d’écrouissage critique n* ), il existe une température
correspondant à l’annulation des effets de cet
écrouissage : température de recristallisation ( θr ).
θr
θr1
n* n1 taux n
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53
En pratique :
Pour un taux n voisin de 30%
θr = 0.4TF(°K) pour métaux purs
θr = 0.6TF(°K) pour alliages
Recuit de recristallisation :
But : Supprimer les effets de l’écrouissage
( Ramener Re à une valeur acceptable )
Cycle :
- chauffage à θ > θr = f(n)
- maintien juste suffisant
- refroidissement lent
REMARQUE :
Le travail à chaud ou à froid des alliages est relatif
à la θr de recristallisation .
Exemple : Acier : θf = 1500°C θr = 790°C
Zinc : θf = 410°C θr = 1°C
Si on travaille à 400°C Zn à chaud et Acier à froid !
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B° - LA TREMPE :
En refroidissant depuis le domaine austénitique à une
vitesse assez suffisante, on peut éviter la diffusion
Une structure hors équilibre .
C’EST LA TREMPE
Exemple des aciers :
θ
θaus
γ
γ + Fe3C
α+γ
α
α + Fe3C
θa
Fe x% C
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Acier à x%C :
- Refroidissement lent :
à θa : α + Fe3C ( phases du diagramme )
- Refroidissement rapide ( Vref > Vcritique ):
à θa : Martensite ( phase métastable sursaturée en C )
La martensite est une phase métastable non indiquée par
le diagramme de phases. Elle peut donc se transformer au
cours du chauffage .
La martensite se forme entre Ms et Mf .
Ms et Mf = f ( composition alliage , contraintes )
Ms : Martensit Start Mf : Martensit finish
Md: Martensit deformation
Pour aciers :
Ms
Ms
Md
ζ %C
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Attention :
Alliage de Au-Cu :
Ref. rapide Dureté plus faible que recuit .
( On empêche la précipitation de la phase durcissante )
Aciers :
Ref. rapide Dureté plus élevée que recuit
Martensite dure et fragile .
** Trempabilité :
Capacité d’un alliage à subir ± facilement la trempe .
θ
coeur
pièce trempée en
partie (V > VC)
surface VC
V
t
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Essai JOMINY :
méplat Eprouvette ( mesure de H )
x
montage
0
Jet d’eau
Etude trempabilité Courbe H( x )
H
HM
Hmoy
HT
0 x
xP
Hmoy = (HM + HT)/2
xP tel que : H(xP) = Hmoy
xP renseigne sur la trempabilité Jominy
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** TREMPE SUPERFICIELLE :
Besoins :
- Ductilité en masse suffisante
- Dureté superficielle pour résistance à l’usure
Possibilités :
- Recuit : HB en surface insuffisante
- Trempe en masse : A% en masse insuffisant .
Solution :
- Surface chauffée à θ°C > Ac3 sur épaisseur δ
- Intérieur à θ°C < Ac1
- Trempe en masse seule la surface est trempée.
En pratique : chauffage par induction
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δ jet d’eau
V
Bobine alimentée autour de l’arbre
Induction : Intensité i
Fréquence variable f
δ = 1/2π.√μ/ρf
δ : profondeur chauffée
ρ : résistivité
μ : perméabilité magnétique du matériau
Région chauffée ( δ ) : θ > Ac3 +50°C trempée
Région interne : θ < Ac1 non trempée
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C- LE REVENU :
- Re , Rm , HB élevées
Pièce trempée
- A% , KCU , K1C faibles
Si martensite chauffée le carbone piégé quitte ses
positions et forme des carbures FexCy structure
soulagée la ductilité augmente .
- la température
Résultats du revenu fonction de
- la durée du revenu
Evolution des caractéristiques :
Caractéristiques
Rm
A%
Re
KCU
θrevenu
250°C 500°C 680°C
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