Matériaux : Caractéristiques, désignation & Choix

PTSI Vauvenargues - d’après Guide STI – Fanchon 1/8

Matériaux : Caractéristiques, désignation & Choix A la fin de ce cours, vous devez être capable de :

- désigner un matériau et donner ses caractéristiques mécaniques, - compléter ou commenter une nomenclature, en justifiant le choix d’un matériau et le procédé d’obtention associé.

1 Généralités sur les matériaux (voir LIVRE Fanchon pg 135-140)

Il y a près de 60 000 matériaux et 6000 procédés associés. L’ingénieur choisit parmi ces matériaux et procédés pour réaliser les pièces d’un mécanisme. Le choix doit être structuré : il est basé sur des critères hiérarchisés en fonction des besoins énoncés dans le cahier des charges fonctionnel (cdcf). Les critères peuvent être de différents types :

- critères mécaniques : résistance aux charges statiques et/ou dynamiques, résistance à la température… - critères économiques : coût de la matière brute et du procédé d’obtention (moulabilité, usinabilité, soudabilité, petite

série, grande série, aptitude à la trempe…), - critères esthétiques, environnementaux, - d’autres critères peuvent s’ajouter selon le domaine d’utilisation : critère de poids, critère de sécurité, critère de toxicité…

Il y a quatre grandes familles de matériaux (voir tableau 2 pg 136).

Métaux

Ferreux Acier (Fe + C 2%) Fonte (Fe + C 2%)

Non ferreux Aluminium Alliage de cuivre

Polymères

Thermodurcissable invariant si T ↗ polyester, époxy

Thermoplastique + mou si T ↗ téflon, nylon PVC

Elastomère (page 415) joint, courroie

Céramiques - béton, - verre, - carbure de silicium SiC

Ajoutés dans les plaquettes des outils (fraise, tour)

Composites

« domaine de pointe » Matériau conçu à la demande selon les besoins du cdcf

fibres longues aéronautique

arbre de transmission

les métaux, famille de matériaux la plus rencontrée dans nos mécanismes. Deux types de métaux sont distingués :

- les métaux ferreux (la structure cristalline est un assemblage d’atome de fer : Fe) qui peuvent être ou non alliés (ajout d’éléments afin d’améliorer les caractéristiques mécaniques du Fer),

- les métaux non ferreux, dans nos applications surtout l’aluminium, le cuivre ou l’étain, ils interviennent également comme éléments d’addition aux métaux ferreux pour améliorer leurs propriétés mécaniques.

les polymères se décomposent pour les applications nous intéressant en trois familles :

- les matières plastiques thermoplastiques, qui se ramollissent lorsque la température s’élève (nombreux carters et couvercles des outils et des appareils électroménagers),

- les matières plastiques thermodurcissables, qui ne se ramollissent pas sous l’action de la chaleur. Ces matériaux sont très présents dans les composites pour réaliser la matrice (ou liant) du matériau composite,

- les élastomères ou caoutchoucs, pour l’essentiel utilisés dans les joints (à lèvres, toriques, 4 lobes, V-ring…) ou les courroies des systèmes de transmission poulie/courroie.

les céramiques (ciment, terre cuite, verre, …), pour lesquels, des exemples d’utilisation sont donnés dans le tableau pg 139.

Par exemple, du carbure de silicium SiC est ajouté à l’acier pour obtenir les matériaux des outils de coupe de fraisage ou de tournage.

les composites, très rencontrés dans les domaines de pointe (aéronautique, automobile, sport…).

culasse avec charge de silice

matrice métallique renforts

charges


2 Caractéristiques des matériaux

Elles sont obtenues par des essais normalisés dont l’objectif est d’évaluer et de comparer les performances des matériaux.

Remarques : - un matériau est dit homogène si ses caractéristiques sont les mêmes en tout point, - un matériau est dit isotrope si ses caractéristiques sont identiques selon les trois directions.

2.1 Essai de traction (pg 142)

Si cet essai est mené jusqu’à rupture de l’éprouvette normalisée, il permet d’obtenir les caractéristiques suivantes : - E : le module d’Young ou module d’élasticité en MPa, caractéristique de la rigidité du matériau, - Re : la limite d’élasticité en MPa, - Rm : la résistance à la rupture en MPa (notée aussi Rr), - A% : « l’allongement pour 100 » ou ductilité, - Ν : le coefficient de Poisson.

La courbe effort F – déplacement ΔL obtenue au cours de l’étirement est la suivante :

Ce résultat dépend de la géométrie de l’éprouvette (section S, longueur utile L) et ne caractérise donc pas le matériau. Pour y remédier, le résultat est adimensionné en introduisant la contrainte σ en MPa (N/mm

2) et la déformation ε (sans unité).

Adimensionnement :

contrainte (MPa) F

S déformation

L

L

La courbe contrainte σ – déformation ε obtenue au cours de l’étirement est la suivante :

Dans la zone élastique, le matériau se déforme de

manière réversible. Si l’essai est arrêté avant que la limite d’élasticité Re soit atteinte, la forme d’origine de l’éprouvette est retrouvée.

Dans la zone plastique, dite aussi zone d’écrouissage, le

matériau se déforme de manière irréversible. Lors d’une décharge dans cette zone, des déformations permanentes subsistent. Ce phénomène est très utilisé lors des opérations de pliage.

Schéma d’une éprouvette type

Remarques :

- la limite d’élasticité Re est améliorée par l’écrouissage,

- la ductilité ou l’allongement pour cent, notée A%, est une caractéristique importante en vue de l’estampage à froid des pièces (comme par exemple dans la réalisation des billes des roulements).

Remarque : le coefficient de Poisson ν correspond au rapport entre la déformation transversale εt et la déformation longitudinale ε=εL, tel que :

/

/t

L

l l

L L


Quelques caractéristiques de matériaux classiques

Acier E = 200 – 210 GPa ρ = 7800 kg/m

3

Re = 200 – 800 MPa rem eRe

E de l’ordre de

Rm = 300 – 1000 MPa

Magnétisme ++

A% = 8 – 10 % , ν = 0,3 α ≈ 12.10-6

/°C

Aluminium E = 60 – 70 GPa Re = 120 MPa Rm = 150 MPa

Magnétisme --

A% = 20 %, ν = 0,34, α ≈ 25.10-6

/°C

Elastomère

E = 10 – 50 Mpa Re = Ø Rm = 100 MPa

A% = 1000 %, ν = 0,5 Magnétisme Ø

Carbone

E = 400 GPa ρ = 1200 kg/m

3

Re = 2000 MPa

Rm = 2000 MPa

A% = 1 %, ν = 0,32 Magnétisme Ø

2.2 Essai de résilience (pg 144-145)

Cet essai, dit expérience de Charpy, permet de caractériser la capacité du matériau à absorber les chocs.

2.3 Essai de dureté (pg 146)

Cet essai permet de caractériser la résistance au marquage du matériau. La dureté d’un matériau, notée H, est importante car les fissures, causes de la rupture des pièces, naissent des défauts de surface.

Il y a trois types d’essai de dureté.

essai Brinell

bille en carbure symbole HB

essai Vickers

pointe pyramidale symbole HV

essai Rockwell

pointe conique symbole HRC

Exemples : - acier (type C35) : HB = 700 / HV = 600 / HRC = 60 le diamant est matériau le plus dur HB = 10 000 - plomb : HB = 5 / HC = 5 / HRC = Ø Important : pour les métaux, les propriétés de dureté sont améliorées par des traitements surfaciques (pg 156-160 / 185-192).

Trempe Ce traitement thermique réalisé sur les aciers correspond à une chauffe à 850°C (à la température d’austénitisation) suivie d’un refroidissement brutal dans un bain d’huile ou d’eau. L’objectif d’une trempe est d’obtenir au niveau de la surface de l’acier le grain le plus dur possible (martensite). Le résultat d’une trempe est une augmentation de la dureté sur une épaisseur de quelques millimètres à partir de la surface. Cependant, la plupart du temps, la pièce est fragilisée à cœur : la trempe diminue sa résilience.

Revenu Ce traitement est réalisé après une trempe pour homogénéiser son effet. La pièce est ainsi moins fragile à cœur, la résilience est augmentée ; en contrepartie, la dureté finale obtenue en surface est moins élevée qu’après la trempe. Le revenu consiste à réchauffer autour de 400°C une pièce trempée qui sera ensuite refroidie à l’air ambiant, ce qui limite l’effet du choc thermique.

5€ / kg 12€ / kg

5€ / kg 80€ / kg

10-3

soit 0.1%

ρ = 2700 kg/m3

ρ = 1500 kg/m3


Autres traitements - grenaillage : la pièce est bombardée de billes, la dureté est augmentée par déformations locales, - nitruration : la pièce est placée dans une atmosphère azotée. La dureté obtenue peut atteindre 1500 HV, - carbonitruration : apport de carbone et d’azote à 600°C. La dureté obtenue peut atteindre 800 HV, - cémentation : apport de carbone à 900°C. La dureté obtenue peut atteindre 1000 HV.

2.4 Essai de fatigue (pg 148-149)

Constat : une pièce soumise à des sollicitations cycliques peut atteindre la rupture alors que, à chaque instant et en tout point, la

contrainte reste inférieure à la limite à la rupture ( mR ). C’est le phénomène de fatigue.

L’essai de fatigue, réalisé sur des éprouvettes normalisées, permet de caractériser ce phénomène. Les résultats de l’essai sont

statistiques, la valeur moyenne caractérise la tenue à la fatigue du matériau. La limite en fatigue est notée f .

Cette caractéristique est importante puisque près de 90% des pièces réalisées rompent suite à des sollicitations de fatigue. Exemple : cas de sollicitation cyclique de type flexion

3 Désignation des matériaux

3.1 Cas des métaux ferreux

Acier : Fe + C avec %C 2% Fonte : Fe + C avec %C 2% D’une manière générale, plus %C ↗, plus Re ↗, Rm ↗ et H ↗. A - Aciers non alliés (pg 161 – 162) présence d’éléments d’alliage quasi-inexistante exemples : S240 visserie, entretoise, rondelle, tôles (pièces faiblement sollicitées) Les aciers S ne sont généralement pas traités thermiquement du fait de l’incertitude du %C C35 acier pour traitement thermique : pignons, arbres, outils...

Pénétration faible < à 1 mm

courbes de Wohler

fatigue oligocyclique

hachure :

Avantages : faciles à usiner, soudables et coulables (Tfusion ≈ 1800°C). Inconvénient : sensibles à la corrosion.

% de Carbone x 100

valeur de Re


B - Aciers faiblement alliés (pg 163 – 164) présence d’éléments d’addition de % 5% exemple : 35 Ni Cr Mo 16 teneur des éléments d’addition voir tableau pour %

éléments d’addition dans l’ordre décroissant de présence

% de Carbone x 100

à retenir :

engrenage : 35 Ni Cr Mo 16,

roulement : 100 Cr 6 (1% de Carbone, 1.5% de Chrome),

ressort : 50 Si Cr 7 C - Aciers fortement alliés (pg 165) présence d’éléments d’addition de % 5% exemple : X 30 Cr 13

% des éléments d’addition

éléments d’addition dans l’ordre décroissant de présence

% de Carbone x 100

D – Fontes (pg 166 – 167) % de Carbone 2%

exemple : EN GJL 200

valeur de Rm

graphite lamellaire : L exemple : EN GJMW 320 – 15

A%

valeur de Rm

malléable : MW exemple : EN GJS 400 – 18

A%

valeur de Rm

graphite sphéroïdale : S

x 4 x 10 x 100 x 1000

Cr (chrome), Co (cobalt), Mn (manganèse), Ni (nickel),

Si (silicium)

Al (aluminium), Cu (cuivre), Mo (molybdéne), Pb (plomb),

Ti (titane)

N (azote), S (soufre), P (phosphore)

B (bore)

Selon la nature des éléments d’addition :

- la teneur est obtenue en divisant par différents coefficients le %,

- différentes propriétés du matériau sont améliorées (voir page 7 du cours),

- la pénétration de la trempe est améliorée.

Pour usages particuliers.

Ex : acier inoxydable au fort % de chrome à 12%

généralement durs à usiner.

Inconvénients : difficilement soudables, fragiles, peu ductiles.

Avantage : grande coulabilité (Tfusion ≈ 1200°C), pièces issues de fonderie.

Ex : couvercle, bloc moteur - pièces faiblement sollicitées, - grande résistance à la compression, - bonne capacité à absorber les vibrations.

Appelée aussi Fonte Blanche

Ex : carter. - pièces fortement sollicitées, - bonne capacité à absorber les vibrations.

Ces propriétés peuvent être améliorées par un recuit - pg 159 (chauffage au-dessus de la température d’austénitisation puis refroidissement lent)

Ex : vilebrequin, engrenages, porte- satellite, arbre de transmission. (pièces fortement sollicitées)


3.2 Cas des métaux non ferreux

A – Alliages d’aluminium (pg 170 – 172)

exemple : EN AW 7020 Alu + Zinc

EN AW 2017A Alu + Cuivre (ou Duralumin)

B – Alliages de cuivre (pg 173 – 175)

exemple : Cu Sn 12

% des éléments d’addition

éléments d’addition

Cu Al 10 Ni 5 Cuivre + Aluminium + Nickel = Cuproaluminium Ex : roue vis sans fin sous charge élevée Cu Zn 28 Ni 9 Cuivre + Zinc + Nickel = Maillechort Ex : pièces de monnaie

3.3 Cas des polymères (pg 177 – 184) Leur désignation dépend des molécules qui le composent exemple : PTFE : polytéthafluoroéthylène = téflon PA : polyamide = nylon

Ex : joint à lèvres, joint 4 lobes, joint V-ring, joint torique… courroie de transmission

Pour éviter une usure rapide : - leur température d’utilisation doit être supérieure à la température de transition vitreuse Tg, - ils doivent être protégés des UVs.

hachure :

Avantages :

- léger,

- bonnes propriétés mécaniques,

- mise en œuvre aisée moulage (Tfusion ≈ 650°C), laminage, usinage

Inconvénients :

- résistance à la fatigue faible,

- soudage délicat.

Ex : carter, bloc moteur (critère de poids)

hachure :

- résistant à la corrosion,

- bonne conductivité thermique, intéressant pour dissiper la chaleur (pièces de frottement) - bonne conductivité électrique.

Ex : coussinet, hélice de bateau, roue vis sans fin sous charge modérée

Cuivre + Etain = Bronze

hachure :

Ex : engrenages, carters d’appareils électroménagers (sollicitations faibles à moyennes)

Elastomères


Les plastiques

Un « plastique » est un mélange dont le constituant de base est une résine (ou polymère), associée à des adjuvants (stabilisants, antioxydants, …) et des additifs (colorants, fongicides pour tuer ou limiter le développement des champignons, …).

Plastique = Polymère + Adjuvant(s) + Additif(s) Les thermoplastiques

Ces résines peuvent être ramollies par chauffage et durcies par refroidissement. L’opération est réversible et peut être répétée plusieurs fois.

Désignation commerciale

Lucarex Afcodur

Lustrex Lacqrène

Plexiglas Altuglass

Nylon

Téflon

Désignation chimique

Polychlorure de vinyle

Polystyrène Polymétha-crylate de méthyle

Polyamide Polytétra- fluoréthylène

Symbole PVC PS PMMA PA PTFE

Emplois, avantages,

inconvénients.

PVC U (rigide): tubes, tuyaux - non alimentaire PVC P (souple): Pales de ventilo, canalisations, flacons.

PS choc: carters, cuves de réfrigérateurs. - fragile, - inflammable PS standard: pots, emballages ménagers - rigide, cassant

Vitres, panneaux décoratifs optique, éclairage auto, aéronautique. - insensible aux U.V, - cassant

Coussinets, bagues, joints, roues dentées, Kevlar. - bonne résistance à l’usure et aux chocs.

Joints, bagues anti-usure, patins de glissement - bon isolant, - auto-lubrifiant, - peu adhérent, - prix élevé

Les thermodurcissables

Ces résines peuvent être transformées par la chaleur en un état infusible (qu’on ne peut fondre) et insoluble. L’opération est irréversible et le recyclage des déchets est problématique.

Désignation commerciale

Bakélite Araldite Cégémix Formica

Désignation chimique

Phénoplaste Polyépoxide Polyester Aminoplaste

Symbole Pf EP UP MF

Emplois, avantages,

inconvénients.

Profilés, Tuyauteries, Poignées casseroles. - dureté de surface, - non alimentaire, - tenue à la chaleur

Colles, Enduits, Résines des matériaux composites - Se dissout dans les cétones, les esters. - se coule à chaud

Carrosseries, coques, cuves. - Inflammable, - rigide, - moulage à froid

Panneaux décoratifs…


Exemples de choix de matériau pour différentes pièces retrouvées dans les mécanismes de nos applications La base 100 de l’indice correspond à un prix de l’acier S235 à 1€ / Kg

Indice Matériau Etat Caractéristiques Exemples d’utilisation

104 S 240 Livraison Pièce sous faible charge Rondelle, entretoise, arbre peu sollicité, pignon, visserie…

108 S 335 Laminé Pièce sous charge modérée Carter, bâti, montage d’usinage

108 C 35

C 45 Trempe + Revenu

Pièce sous charge modérée Bonne tenue à l’usure

Rondelle, entretoise, arbre peu sollicité, pignon, visserie…

220 C 65

50 Si Cr 7 Laminé Résistance à la fatigue Ressort

300 100 Cr 6 Trempe + Revenu Dureté en surface Pièce sous charge élevée

Roulement

418 35 Ni Cr Mo 16 Trempe + Revenu Pièce sous charge très élevée Roue d’engrenage, arbre sur roulements fortement fléchis, Vis fortement sollicitées

655 X 5 Cr Ni 18 10 Livraison Résistance à la corrosion Visserie d’extérieur

79 EN GJL 200 Brut de moulage Peu de résistance à la traction Plaque d’égout

79 EN GJL 300

ENGJL 600

Brut de moulage +

Recuit

Bonne usinabilité Résistance à l’usure

Pièce de Machine-Outil Carter de moteur, palier…

104 EN GJS 600 - 2 But de moulage

+ Recuit

Pièce sous charge élevée Résistance aux chocs

Vilebrequin, bielle, porte-satellite

400 Al Si 5 Cu

EN AW 4018 Brut de moulage

Bonne aptitude au moulage, à l’usinage Résistance à la corrosion Critère de poids

Pièce mécanique, châssis, carter

605

Al Cu 4 EN AW 2017A

Al Zn 4 EN AW 7020

Livraison Bonne usinabilité Pièce sous charge élevée Critère de poids

Pièce mécanique, aviation

395 Cu Sn 12 Brut de moulage Faible coefficient de frottement avec l’acier Résistance à la corrosion

Coussinet, robinetterie

789 Cu Al 10 Ni 5 Brut de moulage Pièce sous charge très élevée Résistance à la corrosion

Roue de réducteur roue et vis sans fin, pièces de pompe, hélice…

724 PA 6-6 Nylon

Polyamide Usinage facile Pièce sous charge modérée

Galet, poulie, engrenage…

2487 PTFE

Téflon Polythétafluoréthylène

Pièce sous charge élevée Bonne tenue au frottement

Bague lisse, patin

Influence des éléments d’addition : Manganèse Mn Augmente la dureté H lors d’une trempe et la résistance à l’usure Chrome Cr Augmente la dureté H lors d’une trempe, la résistance à l’usure et aux chocs Molybdène Mo Augmente la dureté H lors d’une trempe et Rm à chaud Silicium Si Augmente la dureté H lors d’une trempe, Re et la résistance en flexion et torsion Nickel Ni Augmente la dureté H lors d’une trempe et la résilience

Documents

Matériaux : Caractéristiques, désignation & Choix