Chapitre 2 Désignation et Caractérisation mécaniques des

1

Cours 1 :

Introduction to Materials Engineering

Chapitre 1

Propriétés et Applications des matériaux

Chapitre 2

Désignation et Caractérisation

mécaniques des matériauxChapitre 3

Structure des matériaux

Chapitre 4

Diagramme de phase et diagramme fer-carbone

Chapitre 5

Traitement thermiques des aciers

2

Partie 1 : Désignation des matériaux

1. Désignation des aciers

2. Désignation des fontes

3. Désignation de l’AL

4. Désignation du Cuivre

5. Désignation des Matières plastiques

3

Désignation des métaux et alliages selon le

nouveau système CEN (comité européen de

normalisation) progressivement à partir du

mois de novembre 1992.

4

1. Désignation des fontes1. Désignation des fontes

La désignation comprend dans l’ordre :Le symbole EN suivi d’un trait d’union ;Le symbole GJ ;Le symbole de la structure du graphite ;Le symbole de la macro ou microstructure suivi d’un trait d’union ;Le symbole X suivi de l’indication de la composition chimique ;Le symbole des exigences supplémentaires.Il est à noter qu’il n’y a aucune place libre entre chacune des positions utilisées.

5


L : Graphite lamellaireS : Graphite sphéroïdal M : Graphite de recuit (malléable y compris les fontes malléables à cœur blanc)V : VermiculaireN : Exempte de graphite (dure), lédéburitique ;Y : Structure spéciale, identifiée dans la norme du produit correspondante.

Tableau. 1 Indication de la structure du graphite.

A : Austénite F : FerriteP : PerliteM : Martensite ;L : Lédéburite ;Q : Trempée ;T : Trempée et revenueB : Cœur noir (fonte malléable) ;W : Cœur blanc (fonte malléable ;)

Tableau. 2 Indication de la macro ou microstructure.

6


La lettre X doit être suivie des symboles chimiques des alliage significatifs en commençant par les teneurs les plus importantes. Les teneurs doivent être indiquées en % arrondi au nombre entier le plus proche.

Tableau. 3 Indication de la composition chimique sans teneur en carbone.

La teneur en carbone est indiquée en % multiplié par 100 après la lettre X, en commençant par les teneurs les plus importantes. Les teneurs doivent être indiquées en % arrondi au nombre entier le plus proche.

Tableau. 4 Indication de la composition chimique avec la teneur en carbone.

D : Pièce brute de fonderie ;H : Pièce ayant subi un traitement thermique ;W : Soudabilité, pour les soudures d’assemblages ;Z : Exigences spécifiées dans la commande.

Tableau. 5 Exigences supplémentaires.

7


Exemples

EN-GJL-XNiMn13-7:…….……………………………………………………...

…………………………………………………………………………………

EN-GJN-X300CrNiSi9-5-2 :……………………………………………………

…………………………………………………………………………………

EN-GJMW-X360CrMoNi12 :………………………………………………...

…………………………………………………………………………………

8

2. Désignation des aciers selon la composition chimique.

•La désignation symbolique des aciers est classée en deux groupes, à

savoir :

•Les aciers désignés à partir de leur emploi et de leurs caractéristiques

mécaniques ou physiques ;

•les aciers désignés a partir de leur composition chimique étant divisés

en quatre sous-groupes :

1.Aciers non alliés

2.Aciers alliés dont la teneur de chaque élément d’alliage est < 5 %.

3.Aciers alliés dont la teneur de chaque élément d’alliage est > 5 %.

4.Aciers rapides

9


1. Aciers non alliés (à l’exclusion des aciers de décolletage) avec une

teneur moyenne en manganèse < 1 %.

La désignation comprend dans l’ordre :•La lettre G, si l’acier est moulé,•La lettre C,•Un chiffre égal au pourcentage de carbone multiplié par 100,•Symbole additionnel.•Il est à noter qu’il n’y a aucune place libre entre chacune des positions utilisées.

10




E : Avec une teneur en soufre spécifiéeR : Avec une fourchette de teneur en soufre spécifiée D : fil pour tréfilageC : Pour formage à froid par exemple frappe ou extrusion à froid;S : Pour ressortU : Pour outils W : Fils pour électrodesG : Autres caractéristiques.

Tableau. 6 Symboles additionnels concernant les aciers non alliés (à l’exclusion des aciers de décolletage) avec une teneur moyenne en manganèse < 1 %. (1er groupe de symbole).

11




ExemplesExemples

GC40 :………………………………………………………………………….

C30 :…………………………………………………………………………………

C40S :…………………………………………………………………………….

12


2. Aciers non alliés avec une teneur en manganèse 1 %, aciers non

alliés de décolletage et aciers alliés (à l’exclusion des aciers rapides)

dont la teneur de chaque élément d’alliage est < 5 %.

La désignation comprend dans l’ordre :La lettre G, si l’acier est moulé,Un chiffre égal au pourcentage de carbone multiplié par 100,Les symboles chimiques des éléments d’addition dans l’ordre des teneurs décroissantes. Lorsque les valeurs des teneurs sont identiques pour deux ou pour plusieurs éléments, les symboles doivent être classés dans l’ordre alphabétique ;Les chiffres indiquant les pourcentages des éléments d’addition dans l’ordre décroisant étant multipliés par un facteur (tableau 7) ; les chiffres relatifs aux différents éléments doivent être séparés par un trait d’union.

13





Eléments Multiplicateur

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4

Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10

N, P, S 100

B 1000

Tableau.7 Facteurs multiplicatifs pour les divers éléments.

14





ExemplesExemples

25CrMo4 :…………………………………………………………………………..

G38Cr4 :…………………………………………………………………………….

15CrMn6-5 :………………………………………………………………………..

15


3. Aciers alliés (à l’exclusion des aciers rapides) dont la teneur d’au

moins un des éléments d’alliage est 5 %.

La désignation comprend dans l’ordre :•La lettre G, si l’acier est moulé,•La lettre X ;•Un chiffre égal au pourcentage de carbone multiplié par 100,•Les symboles chimiques des éléments d’addition dans l’ordre des teneurs décroissantes. Lorsque les valeurs des teneurs sont identiques pour deux ou pour plusieurs éléments, les symboles doivent être classés dans l’ordre alphabétique ;•Les chiffres indiquant les pourcentages des éléments d’addition sont données dans l’ordre décroisant sans multiplicateurs; les chiffres relatifs aux différents éléments doivent être séparés par un trait d’union.

16


3. Aciers alliés (à l’exclusion des aciers rapides) dont la teneur d’au

moins un des éléments d’alliage est 5 %.

Exemples

X10CrNi18-8 :………………………………………………………………………

X30Cr13 :…………………………………………………………………………..

17


4. Aciers rapides.• La désignation comprend les lettres HS, les nombres indiquant les teneurs moyennes arrondies à la valeur la plus proche des éléments d’alliage dans l’ordre : tungstène (W), molybdène (Mo), vanadium (V), cobalt (Co).

18


Aciers rapides.

Exemples

HS 7-4-2-5 :………………………………………………………………………...

HS 14 :………………………………………………………………………………

19

3. Désignation symbolique de cuivre et des alliages de cuivre.

Alliages de cuivreLa désignation comprend dans l'ordre :

- le symbole chimique de cuivre,- le symbole chimique d'élément ou des éléments d'alliage principaux,- les pourcentages des éléments d'alliage.

Notes:1/ Les éléments d'alliage sont suivis de nombres indiquant leurs teneurs si ces éléments sont présents en teneurs de 1 % environ.2/ Les éléments d'alliage doivent être indiqués selon leurs te neurs nominales spécifiées et ils doivent être rangés par ordre des teneurs décroissantes. 3/ Aucun espace libre entre chacune des positions n'est autorisés.

20

3. Désignation symbolique de cuivre et des alliages de cuivre.

Alliages de cuivre

Exemples

CuZn36Pb3 :

…………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………..

CuAl10Fe5Ni5 :

…………………………………………………………………………………………

………………………………………………………….……….

CuBe2Ni :

21

4. Désignation symbolique d’aluminium et alliages d’aluminium

Cette désignation est basée principalement sur les symboles chimiques applicables à l’aluminium et aux alliages d’aluminium.

Aluminium non alliéLa désignation comprend dans l’ordre :le symbole EN de la norme étant suivi d’un espace (obligatoire) ;la lettre A symbolisant l’aluminium (obligatoire) ;la lettre

W désignant les produits corroyés (ou la lettre C désignant les pièces moulées ou la lettre B désignant les lingots pour refusion) suivie d’un trait union (obligatoire) ;

le symbole chimique d'aluminium AL suivi d'un espace (obligatoire);le pourcentage de pureté d'aluminium exprimé avec une ou deux décimales (obligatoire).

22


Exemples

EN AW-AL 99.9 :…………………………………………………………………….

………………………………………………………………

EN AW-AL 99.0Cu :…………………………………………………………………

………………………………………………………………

EN AW-EAL 99.5 :…………………………………………………………………

………………………………………………………………

23


Alliages d’aluminium corroyés

La désignation comprend dans l’ordre : le symbole EN de la norme étant suivi d'un espace (obligatoire); la lettre A symbolisant l'aluminium (obligatoire); la lettre W désignant les produits corroyés suivie d'un trait union (obligatoire); le symbole chimique d’aluminium AL suivi d’un espace (obligatoire); le symbole chimique d'élément ou des éléments d'addition principaux (obligatoire); le pourcentage d’élément ou des éléments d' addition qui suit chaque symbole chimique des éléments considérés (obligatoire).

24


Alliages d’aluminium corroyés

Exemples

EN AW-AL Mg1SiCu :……………………………………………………………..EN AW-AL Cu4SiMg :……………………………………………………………..EN AW-EAL Cu6BiPb :…………..……………………………………... ……….EN AW-EAL Zn6CuMgCr :…………………………………………………….….

Bi : Bismuth

Be :Béryllium

25


Les différents organismes de normalisation (AFNOR et ISO…), ont adopté

pour les plastiques une nomenclature reflétant la nature chimique :

— soit du monomère de départ dans le cas d’une polymérisation simple ;

— soit tous les polymères appartenant à la famille considérée :

par exemple : polyamides, polyesters, polyuréthanes... ;

Exceptions.

Exemples : cellulosiques, acryliques, époxydes,

phénoplastes, aminoplastes, silicones...

26


Un symbole est un groupe de signes désignant un

polymère.

Seuls doivent être utilisés :

a) les lettres majuscules ;

b) les chiffres arabes et les tirets pour les polyamides

seulement ;

c) le signe + pour les mélanges de polymères ;

d) les barres obliques pour les copolymères (elles

peuvent être omises selon l’usage).

27


Tableau 1 – Abréviations des matériaux homopolymères, copolymères et polymères naturels (d’après NF EN ISO 1043-1), (Réf, [AM3012]).

Abréviation Nom du matériau Abréviation Nom du matériau

PA Polyamide SI Silicone

PET Poly(éthylène téréphtalate) ABS Acrylonitrile-butadiène-styrène

PE Polyéthylène PMMA Poly(méthacrylate de méthyle)

PC Polycarbonate POM Poly(oxyméthylène), polyformaldéhyde

CN Nitrate de cellulose PP Polypropylène

28


Mélanges de polymères

Pour désigner les mélanges de polymères, on utilise entre

parenthèses les symboles des polymères de base, séparés par

le signe +.

Exemple : (PMMA + ABS) pour un mélange de poly(méthacrylate de

méthyle) et d’acrylonitrile/butadiène/styrène.

Symboles supplémentaires : caractéristiques spéciales

Aux symboles des polymères de base peuvent être ajoutés jusqu’à quatre

symboles afin de différencier, si nécessaire, les modifications d’un polymère

de base.

Ces symboles supplémentaires doivent être placés après le symbole du

polymère de base, séparés de ce symbole par un trait d’union.

Aucun des symboles ne doit être placé en avant du symbole du polymère de

base » (NF EN ISO 1043-1).

29


SymboleSymbole Composants des termesComposants des termes

P Plastifié

H Haut ou haute

I Choc, impact

D Densité

L Bas ou basse

E Expansé, expansible

V Très

L Linéaire

C Chloré

30


Exemple 1Exemple 1

Symbole pour le polymère de base : PVC.Symbole pour le polymère de base : PVC.

Symbole pour une caractéristique spéciale : P pour plastifié, C Symbole pour une caractéristique spéciale : P pour plastifié, C

pour chloré ;pour chloré ;

Soit………………pour Soit………………pour poly(chlorure de vinyle) plastifiépoly(chlorure de vinyle) plastifié, et , et

…………….pour …………….pour PVC chloréPVC chloré (ou surchloré). (ou surchloré).

Exemple 2Exemple 2

On souhaite symboliser On souhaite symboliser le polystyrène modifié de haute le polystyrène modifié de haute

résistance aux chocsrésistance aux chocs ; ;

le tableau 2le tableau 2 indique pour le polystyrène : PS ; le tableau 2 indique : indique pour le polystyrène : PS ; le tableau 2 indique :

H = haute (en anglais : high) ;I = choc (en anglais : impact).H = haute (en anglais : high) ;I = choc (en anglais : impact).

Le symbole cherché est donc …………… .Le symbole cherché est donc …………… .

Exemple 3Exemple 3

Selon la même démarche, Selon la même démarche, le polyéthylène linéaire basse densitéle polyéthylène linéaire basse densité

aura pour symbole :………………………… ; aura pour symbole :………………………… ;

L : linéaire, L : base (en anglais : low), D : densitéL : linéaire, L : base (en anglais : low), D : densité

31


Exemple 1Exemple 1

Symbole pour le polymère de base : PVC.Symbole pour le polymère de base : PVC.

Symbole pour une caractéristique spéciale : P pour plastifié, C Symbole pour une caractéristique spéciale : P pour plastifié, C

pour chloré ;pour chloré ;

Soit Soit PVC-P PVC-P pour pour poly(chlorure de vinyle) plastifiépoly(chlorure de vinyle) plastifié, et , et PVC-CPVC-C

pour pour PVC chloréPVC chloré (ou surchloré). (ou surchloré).

Exemple 2Exemple 2

On souhaite symboliser On souhaite symboliser le polystyrène modifié de haute le polystyrène modifié de haute

résistance aux chocsrésistance aux chocs ; ;

le tableau 2le tableau 2 indique pour le polystyrène : PS ; le tableau 2 indique : indique pour le polystyrène : PS ; le tableau 2 indique :

H = haute (en anglais : high) ;I = choc (en anglais : impact).H = haute (en anglais : high) ;I = choc (en anglais : impact).

Le symbole cherché est donc Le symbole cherché est donc PS-HIPS-HI..

Exemple 3Exemple 3

Selon la même démarche, Selon la même démarche, le polyéthylène linéaire basse densitéle polyéthylène linéaire basse densité

aura pour symbole : aura pour symbole : PE-LLDPE-LLD ; ;

L : linéaire, L : base (en anglais : low), D : densitéL : linéaire, L : base (en anglais : low), D : densité

32

Fin

33

Cours 1 :

Introduction to Materials Engineering

Chapitre 1

Propriétés et Applications des matériaux

Chapitre 2

Désignation et Caractérisation

mécaniques des matériauxChapitre 3

Structure des matériaux

Chapitre 4

Diagramme de phase et diagramme fer-carbone

Chapitre 5

Traitement thermiques des aciers

34

PARTIE 2Caractérisations mécaniques :

Traction

Compression

Dureté

Résilience

RECHERCHE « fatigue »

35

Avant d’augmenter les cotes d’une pièce,

pensons à améliorer les propriétés du matériau!

Pour connaître les propriétés d’un matériau, il faut le

caractériser.

Caractérisation des métauxCaractérisation des métaux

• La couleur

• La finition de surface

• Le poids

• Le point de fusion

• La malléabilité

• La dureté

• La soudabilité

• Le coefficient de dilatation

Il est possible de caractériser les métaux par:

• La conductibilité électrique et thermique

• La limite d’élasticité

• La résistance

– à la traction, à la compression, à la flexion, à

la torsion, au cisaillement

– aux variations de températures

– à la corrosion

36

Essai de traction

Des éprouvettes du matériau concerné, en forme de …………………………………………………

comportant une partie centrale calibrée à section constante S0 et longueur L0

raccordée à chaque extrémité à deux têtes de

section plus importante, sont fixées dans une

machine de traction.

Sauf indications contraires, l’essai est effectué à

la température ambiante

Consiste à imposer une vitesse de déformation

constante et à mesurer l’effort F et l’allongement

l.

Principe de l’essai

37

Essai de traction

FIG. a) Machine de traction ; b) éprouvette de traction

On remarque la striction au centre de

l’éprouvette

38

Essai de traction

La forme et les dimensions des éprouvettes dépendent de la forme et des dimensions des produits métalliques dont on veut déterminer les

caractéristiques mécaniques

39

Essai de tractionCourbe de traction d’un matériau ductile

40

Essai de traction

Courbes de traction

41

Essai de traction

Élasticité

• Propriété des matériaux qui reprennent leur

forme initiale après que la force qui les

déformait ait cessé d’agir.

• Dans certaines techniques de mise en forme (cintrage

ou pliage), il est important de considérer le retour

élastique (Springback) afin d ’obtenir une pièce de la

forme souhaitée

42

Essai de traction

Élasticité

43

Essai de traction

La rigidité (Module d’élasticité E)

• Capacité des matériaux à subir une charge sans une déformation

excessive. Plus le métal est rigide, plus il est difficile à former.

• E est une mesure de la rigidité de matériau.

• E: = Pente de la courbe σ/ε dans le domaine élastique

• Les aciers (E=207 GPa) sont 3 fois plus rigides

que les alliages d’aluminium (E=70GPa)

44

Essai de traction

La ductilitéLa ductilité

• Qualité des matériaux à être déformé de

façon permanente sans se rompre.

• La ductilité d ’un matériau se mesure par son allongement à la

rupture (A%) ou par la striction à la rupture (Z%)

45

Essai de traction

Exploitation des résultats de l’essai

Courbe brute: F=f(l)

46

Essai de traction


Courbe conventionnelle Afin de pouvoir utiliser les courbes brutes de traction, on doit les modifier

pour que les résultats obtenus soient fonction que de matériau étudié et

non de la géométrie de l’éprouvette.

Pour ce faire, on rapporte la charge F(N) à la section initiale S0 (mm2) de

l’éprouvette en vue d’obtenir la contrainte conventionnelle R(MPa).

Et on rapporte l’allongement l(mm) à la longueur initiale, e, pour obtenir la

déformation conventionnelle (R=f(e)).

Archive

47

Essai de traction


Courbe rationnelle de traction

C’est la courbe obtenue en rapportant la force à la section

minimale instantanée S, pour raisonner en termes de contrainte

vraie σ=F/S,

et en rapportant l’allongement à la longueur instantanée pour

raisonner en termes de déformation rationnelle ε = l/l.

Archive

48


LOI DE COMPORTEMENT (=f())1)Zone OA:

2)Zone AB : Ecrouissage.La portion d'allure parabolique de

la courbe rationnelle peut être mise

sous forme mathématique :

O

A

B

C

49


LOI DE COMPORTEMENT (=f())3) Zone BC : Concentration de

contraintesAu-delà du point B jusqu'à la

rupture en C, l'existence de la

striction complique le calcul de

la contrainte vraie car à faut tenir

compte de l'effet de

concentration de contrainte ; la

formule

de correction la plus utilisée est

celle de BRIDGMANN .

a étant le rayon de la section minimale,

R le rayon de courbure de la zone de striction.

O

A

B

C

50

Essai de traction


51

Essai de compression

52

Essai de flexion

53

Essai de dureté

La dureté (Hardness)La dureté (Hardness)

• La dureté est la mesure de la résistance d’un matériau

à la pénétration.

• La pénétration met en jeu:

– les déformations élastique et plastique.

– Le frottement entre le pénétrateur et le matériau.

– La géométrie du pénétrateur.

– la charge appliquée.

54

Essai de dureté

Il consiste à imprimer dans la pièce à essayer une bille en acier ou en carbures de tungstène de diamètre D(mm) sous une charge F(N), et

à mesurer le diamètre d de l’empreinte résiduelle après retrait de la

charge. La charge d’essai F(N) est choisie dans une gamme normalisée

adaptée au diamètre de l’indenteur et au matériau testé.

PRINCIPE

55

Essai de dureté

56

Essai de dureté

Correspondance entre échelles de dureté

57

Essai de résilience

Le principe de l’essai consiste ……………………………..….. du mouton

pendule une éprouvette entaillée reposant sur deux appuis.

On détermine l’énergie absorbée caractérisant la résistance aux chocs du

matériau métallique essayé.

La résistance aux chocs, donc l’énergie nécessaire pour produire la

rupture de l’éprouvette, exprimée en joule par centimètre carré.

58

Essai de résilience

Behavior under load for Fibers &

Matrix

60

Résumé Essais Caractéristiques propriétés

Traction

Dureté

Résilience

Fatigue

Documents

Chapitre 2 Désignation et Caractérisation mécaniques des