22èmeème partie : partie :Connaissance des matériaux Connaissance des matériaux

métalliquesmétalliques

Chapitre 11 : Les métauxChapitre 11 : Les métaux

Plan du chapitre :• Généralités• Les fontes• Les aciers non alliés• Les aciers faiblement alliés• Les aciers fortement alliés

GénéralitésGénéralités

Métal pur n’existe pasMinerai métallurgie

Alliages ferreux : fontes, aciersAlliages cuivreux : bronzes, laitonsAlliages d’aluminium : alpax, duraluminAlliages de zinc : zamak, kayem

Fontes2 … 6 % C

Généralités : métaux ferreuxGénéralités : métaux ferreux

Aciers0,05 … 1,5 % C

Généralités : métaux non ferreuxGénéralités : métaux non ferreuxMinerais Métallurgie

Energie électrique

Métal pur

(Sn)étain (Cu) cuivre bronzes les-(Zn) zinc (Cu) cuivre laitons les-

cuivre de Alliages

(Mg) magnésium (Al) aluminium (Zn) zinc zamaks les- zinc de Alliages

(Si) silicium (Al) aluminium alpax -(Mg) magnésium (Cu) cuivre (Al) aluminium duralumin -

aluminiumd' Alliages

Plan du chapitre :• Généralités• Les fontes• Les aciers non alliés• Les aciers faiblement alliés• Les aciers fortement alliés

Les fontes (1)Les fontes (1)

2 … 6 % CBonne coulabilitéFragilesPeu ductilesDifficilement soudablesFaible % C : fonte blancheFort % C : fonte grise

Les fontes (2)Les fontes (2)Fontes grises (à graphite lamellaire)Fontes grises (à graphite lamellaire)

Carbone libre présent sous forme de lamellesLargement utilisée en mécaniqueEconomiqueBonne coulabilitéBonne usinabilitéBonne aptitude à l’absorption des vibrationsBonne résistance en compression

Désignation : selon NBN-EN 1560EN-GJL 200 : fonte grise, Rm = 200 N/mm²

Applications : bâtis de machine, supports, carters, blocs-moteurs, …

Les fontes (3)Les fontes (3)Fontes à graphite sphéroïdalFontes à graphite sphéroïdal

Ajout de Mg provoquant la cristallisation du graphite2ème les plus utiliséesBonne ductilitéBonne usinabilitéBonne résilience

Désignation : selon NBN-EN 1560EN-GJS 400-15 : fonte à graphite sphéroïdal, Rm = 400 N/mm², A = 15%

Applications : vilebrequins, arbres de transmission, …

Les fontes (4)Les fontes (4)Fontes malléables à cœur blanc ou à Fontes malléables à cœur blanc ou à

cœur noircœur noirObtenue par malléabilisation de la fonte blancheBonne ductilité (blanc et noir)Bonnes caractéristiques mécaniques (blanc et noir)Aptitude à la galvanisation à chaud (blanc)Résistance à l’usure (noir)

Désignation : selon NBN-EN 1560EN-GJMW 400-5 : fonte malléable à cœur blanc, Rm = 400 N/mm², A = 5%EN-GJMB 350-10 : fonte malléable à cœur noir, Rm = 350 N/mm², A = 10%Applications : carters, boîtiers, quincaillerie, …

Les fontes (5)Les fontes (5)Désignation des fontesDésignation des fontes

La désignation des fontes est normalisée.La norme a une portée territoriale bien définie.Au niveau national (ex. Belgique : norme NBN, Allemagne : DIN, …)Au niveau européen (norme EN)Au niveau international (norme ISO)

La désignation des fontes est décrite dans la norme NBN-EN-1560.Cette norme est donc reconnue au niveau européen et au niveau belge.

La désignation abordée est la désignation symbolique.Il existe également une désignation numérique qui n’est pas abordée ici.

Les fontes (6)Les fontes (6)Désignation des fontesDésignation des fontes

EN-GJ L - 150SEN-GJIndiquent qu’il s’agit d’une fonte

1 ou 2 lettres :La 1ère (*) indique la structure du graphiteLa 2ème (**) (éventuelle) une structure particulière

Dernière zone peut être codées selon 3 variantes

(*) 1ère lettre (**) Seconde lettre

LSMVNY

LamellaireSphéroïdaleMalléableVermiculaireSans graphiteStructure spéciale

AFPLQTBW

AusténitiqueFerritiquePerlitiqueLédéburitiqueEtat trempéEtat trempé revenuMalléable à cœur noirMalléable à cœur blanc

Les fontes (7)Les fontes (7)Désignation des fontes – 1Désignation des fontes – 1èreère variante variante

EN-GJL - 400C - 150 RT

EN-GJLIndiquent qu’il s’agit d’une fonte ;

Ici fonte à graphite lamellaire

Nombre indique Rm en traction.Unités : N/mm² ou MPa

Lettre éventuelle :S : échantillon coulé séparémentU : échantillon attenantC : échantillon prélevé sur la pièce

Ici Rm = 400 N/mm² testée sur un échantillon prélevé sur la pièce

Nombre et facultativement des lettresNombre seul indique l’allongement en %

Nombre avec des lettres représente la résilienceRT : à température ambianteLT : à basse température

Ici résistance au choc par flexion de 150 N/mm² sur base d’un essai réalisé à température ambiante

Les fontes (8)Les fontes (8)Désignation des fontes – 2Désignation des fontes – 2èmeème variante variante

EN-GJS - HB 180

EN-GJSIndiquent qu’il s’agit d’une fonte ;

Ici Fonte sphéroïdale

Lettre H indique que le nombre correspond à une dureté.B : BrinellR : RockwellV : Vickers

Ici 180 de dureté Brinell

Les fontes (8)Les fontes (8)Désignation des fontes – 3Désignation des fontes – 3èmeème variante variante

EN-GJN - X 300 Cr Ni Si 9-5-2

EN-GJNIndiquent qu’il s’agit d’une fonte ;

Ici Fonte sans graphite

Lettre X suivie d’un nombre puis d’une série de symboles chimiques puis de nombres.1er nombre : correspond au centième de % de C dans la fonteSérie de symboles chimiques suivie par une série de nombres représentant le % respectif de chaque constituant.

Ici :3% C ; 9% Cr ; 5% Ni ; 2% Si

Les fontes (9)Les fontes (9)Quelques applicationsQuelques applications

TubuluresPaliers

Moules pour verrerie

Boîtiers

Carters

Plan du chapitre :• Généralités• Les fontes• Les aciers non alliés• Les aciers faiblement alliés• Les aciers fortement alliés

Les aciers non alliés (1) – Acier usuelsLes aciers non alliés (1) – Acier usuels58 nuances d’acier principalement commercialisées.

Applications : carrosseries, trains, chaudronnerie, ameublement, électroménager, biens de consommation, etc.

Les aciers non alliés (2) – Acier usuelsLes aciers non alliés (2) – Acier usuelsDésignation normalisée (Désignation normalisée (NBN-EN-10027-1)NBN-EN-10027-1)

Lettre

Acier Nombre

S de construction ReP pour appareils sous pression ReL pour tubes de conduite ReE de construction mécanique ReB à béton RmY pour béton précontraint RmR pour ou sous forme de rails ReH laminé pour emboutissage à froid Re ou RmDC,DD,DX

laminé à froid (C), à chaud (D) ou non spécifié (X) pour formage à froid à l’exclusion des aciers H

Numéro d’ordre

M magnétique *T fer noir, fer blanc, fer chromé (aciers pour

emballage)*Exemple : E295 : acier de construction mécanique, Re = 295 N/mm²

Les aciers non alliés (3) – Acier usuelsLes aciers non alliés (3) – Acier usuelsAciers au carbone

Nuancesnormalisées

Rm(N/mm²)

MPa

Re(N/mm²)

MPa

A %(maxi)

K(daJ/cm²)

Aciers d’usage généralS 185 290 185 8 à 18 6S 235 340 235 15 à 26 6S 275 410 275 12 à 22 6S 355 490 355 12 à 22 5

De construction mécaniqueE 295 470 295 10 à 20 5E 335 570 335 6 à 16 5E 360 670 360 3 à 11 5

Pour cémentationC 22 410 à 980 255 à 600 8 à 15

Aciers au carboneNuances

normaliséesRm

(N/mm²)MPa

Re(N/

mm²)MPa

A %(maxi

)

K(daJ/cm²)

Traitements thermiques – forgeageC 25 460 à 690 285 à

37018 à 21

C 35 570 à 830 335 à 490

16 à 20

C 40 620 à 880 355 à 520

14 à 19

C 45 660 à 930 375 à 580

13 à 18

C 50 700 à 980 395 à 600

12 à 17

Pour trempe superficielleC 40 Dureté de la couche trempée : 55 HRc

Les aciers non alliés (4) – Acier usuelsLes aciers non alliés (4) – Acier usuels

Les aciers non alliés (5) – Acier spéciauxLes aciers non alliés (5) – Acier spéciauxAciers spéciaux non alliés de type CDestinés aux traitement thermiquesSi %C < 0,3 : aciers réservés à la cémentation (aciers doux)Si 0,3 < %C < 0,5 : pour trempe et revenu (aciers mi-durs)Si %C > 0,5 : pour grandes duretés, tenue à l’usure (aciers durs)

G C 35 E

G : lettre facultative mentionnant s’il s’agit d’un acier mouléC : acier spécialNombre : représente le % de carbone multiplié par 100Lettre : E : teneur en soufre, C pour formage, S pour ressort

Ici : acier moulé avec 0,35% C avec une teneur en soufre

Plan du chapitre :• Généralités• Les fontes• Les aciers non alliés• Les aciers faiblement alliés• Les aciers fortement alliés

Les aciers faiblement alliés (1)Les aciers faiblement alliés (1)

34 Cr Mo 5

Aucun élément d’addition ne peut dépasser 5% en masse !Choisis si une haute résistance est exigée.

Nombre représente le % en carbone multiplié par 100

Ici : 0,34% C

Symboles chimiques des éléments d’addition placé dans l’ordre décroissant de leur teneur (hormis le carbone et bien sûr le fer).

Ici : Chrome qui a une teneur > Molybdène

Nombres représentant la teneur % de chaque symbole chimique.Ces nombres peuvent être multipliés par un facteur.

Ici : 1% de chrome et < 1 % de molybdène

Facteur :Si, Mn, Ni, Cr, Co, W : 4Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr : 10Ce, N, P, S : 100B : 1000

Les aciers faiblement alliés (2)Les aciers faiblement alliés (2)Aciers de cémentation :

%C < 0,2%Peuvent subir une trempe dans la masse

Aciers pour trempe dans la masse : Meilleurs que les aciers C

++++ : très forte  : engrenage  : pièces de frottement+++ : forte  : arbres, axes,

tiges, leviers, fusées

 : pièces d’usure

++ : moyenne  : boulonnerie haute résistance

 : pièces de sécurité, résistance aux chocs

+ : limitée  : roulements  : basses températuresP : petite ( 50)  : ressorts  : pour trempe

superficielleM : moyenne (

100)G : grosse (

200)

Les aciers faiblement alliés (3)Les aciers faiblement alliés (3)

Apt

itu de cro

iss

ant e

Principaux aciers faiblement alliésNuances Caractéristiques

mécaniquesPour cémentation

Trempabilité

Taille des pièces

Exemple d’utilisationPropriétésFa

mille

Désignation Anciennedésignation

RmdaN/mm²

RedaN/mm²

A%

KdaJ/cm²

Chrome

38 Cr 2 38 C 2 60 – 95 35 – 55 14 – 17

5 + P – M

46 Cr 2 42 C 2 65 – 110 40 – 65 12 – 15

4 + P – M

41 Cr 4 42 C 4 80 – 120 56 – 80 11 – 14

4 ++ P – M

100 Cr 6 100 C 6 85 – 125 55 – 85 10 – 13

4 ++ P – M HRc62

Nickel-Chrome

10 NiCr6 10 NC 6 60 – 115 42 – 62 10 – 12

8 – 10 + P

20NiCr6 20 NC 6 70 – 110 70 – 95 8 – 10 6 – 8 ++ P 13NiCr14 14 NC 11 80 – 145 65 – 90 8 – 10 7 – 8 + M 30NiCr11 30 NC 11 70 – 110 45 – 70 12 –

167 ++ M

Ni + Cr +

Mo

20NiCrMo7 18NCD6 80 – 150 70 – 90 8 – 10 5 – 6 +++ G 20NiCrMo2 20NCD2 75 – 155 60 – 95 8 – 11 5 – 7 ++ M 16NiCrMo1

316NCD13 85 – 155 65 – 95 8 – 11 5 – 7 ++ M

34NiCrMo6 35NCD6 85 – 140 65 – 100 10 – 13

6 +++ G

36NiCrMo16

35NCD16 100 – 145

80 – 105 9 – 11 5 ++++

G Trempable à l’air

30CrNiMo8 30CND8 90 – 145 70 – 105 10 –

126 +++

+G

Principaux aciers faiblement alliésNuances Caractéristiques

mécaniquesPou

r

Cém

enta

tion

Tremp

abilité

Taille des pièce

s

Exemple d’utilisat

ionPropriétésFa

mi

lle

Désignation Anciennedésignation

RmdaN/mm²

RedaN/mm²

A%

KdaJ/cm²

Cr +

Mo

31CrMo12 30CD12 90 – 130 70 – 90 10 – 12

5 – 6 +++ G pour nitrurati

on25CrMo4 25CD4 75 – 110 45 – 75 12 –

167 ++ M soudabilité

34CrMo4 35CD4 70 – 120 50 – 85 11 – 15

6 ++ G

42CrMo4 42CD4 75 – 130 55 – 90 10 – 14

5 +++ G

50CrMo4 50CD4 80 – 130 60 – 90 9 – 13 4,5 +++ G nua

nces div

er

ses

51CrV4 50CV4 70 – 130 50 – 90 8 – 14 4 +++ G 41CrAlMo7 40CAD6-12 80 – 120 60 – 80 10 –

145 ++ M pour

nitruration

28Mn6 20M5 50 – 75 35 – 45 19 –

218 + P soudabilité

20MnCr5 20MC5 90 – 150 75 – 95 8 – 9 4 – 5 + M 55Si7 55S7 70 – 170 50 – 90 9 – 13 4 ++ P

45SiCrMo6 45SCD6 85 – 180 60 – 95 9 – 13 5 +++ P – M

13MnS4 13MF4 78 – 118 54 9 4 pourdécolletage35MnS6 35MF6 88 – 108 74 9 3,5

Les aciers faiblement alliés (4)Les aciers faiblement alliés (4)

Plan du chapitre :• Généralités• Les fontes• Les aciers non alliés• Les aciers faiblement alliés• Les aciers fortement alliés

Les aciers fortement alliés (1)Les aciers fortement alliés (1)Destinés à des usages particuliers (inoxydable, etc.)Un élément d’addition doit dépasser 5% en masse.

X 8 Cr Ni 18-9

La lettre X mentionne qu’il s’agit d’un acier fortement allié

Nombre : représente le % de carbone multiplié par 100

Ici : 0,08% de carbone

Symboles chimiques des éléments d’addition placé dans l’ordre décroissant de leur teneur (hormis le carbone et bien sûr le fer).

Ici : Chrome qui a une teneur > Nickel

Nombres représentant la teneur % de chaque symbole chimique.

Ici : 18% de chrome et 9% de nickel

Les aciers fortement alliés (2)Les aciers fortement alliés (2)

Aciers inoxydables

Ferritiques : DuctilitéTrempe et écrouissage ne fonctionnent pasFaciles à déformerUsinage, soudage, résilience médiocresEquipements ménagers, automobiles,mobiliers, …

Austénitiques : les + utilisésTenue aux T élevéesDuctilitéRésilienceFaciles à forger et souderUsinabilité faibleChimie, alimentaire, transports, …Martensitiques :

RésilienceTrempableSoudableForgeableUsinableCaractéristiquesmécaniques bonnes à T élevéeOrganes mécaniques

Les aciers fortement alliés (3)Les aciers fortement alliés (3)

Principaux aciers inoxydablesNuances

NormaliséesNF-EN-10088

RedaN/mm²

RmdaN/mm²

A%

KdaJ/cm²

Austénitiques

X2CrNi19.11 18 à 21,5 46 à 68 35 à 45 12ou

60 à100 HV

X5CrNi18.10 19 à 25 52 à 72X5CrNiMo17.12 20 à 26 50 à 70 30 à 40X6CrNiTi18.10 19 à 25 50 à 72

X6CrNiMoTi17.12 20 à 27 50 à 73Martensitiques

X30Cr13 60 à 65 80 à 100 10 à 15 2,5Ferritiques

X6Cr17 24 à 28 40 à 64 18 à 20

Les aciers :Les aciers :Quelques applicationsQuelques applications

1

0,60,8

1,72

4

5

6

7

10

20

30Fo

ntes

GJL

X fo

is l 

’indi

ce d

e pr

ix ré

fére

nt

Aci

er S

235

Aci

ers

type

C Aci

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ers

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t alli

és

Aci

ers

inox

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les,

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utes

sol

licita

tions

Alli

ages

de

Zinc

Alli

ages

d ’A

lum

iniu

m (l

éger

s) Alli

ages

de

Cui

vre

Polystyrène [ PS ]

Les PVC [ U ou P ]

Plexiglas [ PMMA ]

18

28

Araldite [ EP ]

Infos: densités des métauxMagnésium, 1,7 g/cm3Aluminium, 2,7 g/cm3Zinc, 7,1 g/cm3Fer, 7,9 g/cm3Cuivre, 8,9 g/cm3

Les matériaux :Les matériaux :Prix relatifs à masses égalesPrix relatifs à masses égales

Désignation des matériaux : Désignation des matériaux : deux sites (1)deux sites (1)

http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/sti/genimeca/le_site/la_boite_a_outil/les_doc_ressources/dossiers_ressources/appli_peda_aide_info/Materiaux/design_index.htm

Désignation des matériaux : Désignation des matériaux : deux sites (2)deux sites (2)

http://www.cnomo.com/

Désignation des matériaux : Désignation des matériaux : ExercicesExercices

1. EN-GJMW 300-92. Fonte vermiculaire dont la résistance à la rupture vaut 300 N/mm² et

la résistance à la flexion vaut 150 N/mm² à température ambiante.3. S3454. 22 NiCrMo 8-65. G X 6 CrNiTi 18-116. Acier contenant 0,04 % de carbone, 18% de chrome et 10% de nickel7. Acier moulé contenant 0,35% de carbone, 4% de nickel, 2% de

chrome et des traces de molybdène8. G C 35 E9. EN-GJS-400-1810. Fonte lamellaire contenant 15 % de chrome et des traces de

molybdène et de nickel.