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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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…
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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