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Chapitre 2 Elaboration des métaux Cours de Caractérisation des Matériaux Licenc

Chapitre 2 Elaboration des métaux Cours de Caractérisation des Matériaux Licence appliquée en Génie Mécanique 13 Chapitre 2 MELABORATION DES METAUX INTRODUCTION Les métaux sont des éléments naturels. On les trouve dans le sol, le plus souvent sous forme de minerai, parfois sous la forme de métal (pépites d’or). Lorsqu’on les polit, ils prennent un éclat métallique. Ce sont de très bons conducteurs de d'électricité et de chaleur. Une fois triés, ils peuvent facilement être recyclés. En incorporant à un métal un ou plusieurs autres métaux ou des éléments non métalliques, on forme des alliages. La plupart des métaux sont spontanément attaqués par l’oxygène de l’air (oxydés) et transformés en oxydes (la rouille est l’oxyde de fer) Un métal c'est une matière simple, cristalline ayant un éclat particulier appelé métallique et conduisant la chaleur et l'électricité. Un alliage c'est un produit de la masse métallique constitué au moins par deux ou par plusieurs éléments chimiques, métalliques ou non. Dans la plupart des cas les alliages sont complexes étant constitués par plusieurs composants. Une formation d'un alliage a pour objet d'améliorer les propriétés des métaux pour leurs exploitations industrielles. 1. Eléments chimiques des alliages Eléments de base : Ce sont les principaux éléments chimiques qui forment un alliage. Eléments d'accompagnement : Ce sont les éléments chimiques qui accompagnent un alliage à partir de son élaboration. Leurs teneurs sont limitées par une norme technique. En dépassant cette limite, il s'agit d'un alliage spécial, c.à.d. d'un alliage contenant les éléments d'addition. Au dessous de cette limite, il s'agit d'un alliage ordinaire. Eléments d'addition : Ce sont les éléments chimiques qui sont additionnés dans un alliage pendant son élaboration pour former un alliage spécial à des propriétés et caractéristiques particulières. Leurs teneurs inférieurs sont définis par la norme technique. 2. Classification des alliages D'après le critère de la composition chimique, on distingue les alliages ordinaires et les alliages spéciaux. Il y'a deux groupes principaux des alliages ferreux et ceux non ferreux. 2.1. Alliages ferreux Sont présentés par les aciers et par les fontes. Il s'agit des alliages constitués par le fer et le carbone, éléments de base, et par les principaux éléments d'accompagnement (Mn, Si, P, S,…) et éventuellement, par les éléments d'addition (Mn, Cr, Ni, Mo,…) Pour constituer un alliage ferreux spécial. Une appellation d'un tel alliage est dérivée d'après l'élément d'addition dont la teneur est préférentielle. 2.2. Alliages non ferreux Ils sont classifiés d'après la teneur préférentielle d'un élément de base. Ainsi, distingue-t-on les alliages de cuivre: bronzes (Cu–Sn), laitons (Cu–Zn),…, les alliages d'aluminium: Duralumin, Silumin, les alliages de Zinc, les alliages de Plomb, les alliages d'étain, les alliages de Nickel, etc.… Chapitre 2 Elaboration des métaux Cours de Caractérisation des Matériaux Licence appliquée en Génie Mécanique 14 3. Le Fer et les alliages de fer 3.1. Le fer Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le fer pur est un métal de transition ductile, mais l'adjonction de très faibles quantités d'éléments d'additions modifie considérablement ses propriétés mécaniques. Allié au carbone et avec d'autres éléments d'additions il forme soit les aciers (% C<2,1) soit les fontes (2,1<% C<6,69), dont la sensibilité aux traitements thermomécaniques permet de diversifier encore plus les propriétés du matériau. La présence de fer dans la nature est très rare. Au contraire, il y'a des combinaisons de fer, pour élaborer les fontes et les aciers dont l'exploitation industrielle est beaucoup plus importante que celle du fer. Le fer technique n'est jamais chimiquement pur, il contient toujours des teneurs variables de carbone, de silicium et de manganèse. Caractéristiques fondamentales du fer Elles sont résumées dans le tableau 5.1 suivant: Tableau 1 : Caractéristiques fondamentales du fer 1537-1539 Tf (°C) Température de fusion 3070 Te (°C) Température d'ébullition 7874 ρ (Kg/m3) Masse volumique 320-380 Rm (N/mm2) Résistance à la traction 220-250 Re (N/mm2) Limite d'élasticité 20-39 A (%) Allongement à la rupture 200-400 E (N/mm2) Module d'YOUNG 3.2. Les fontes Ce sont les alliages Fe-C avec les éléments d'accompagnement de Mn, Si, P, S,…. Les fontes contiennent de plus les éléments d'addition (Si, Cr, Al…) par rapport au diagramme d'équilibre Fe-C métastable, la teneur minimale en carbone est de 2,1 %. Dans des cas la teneur en carbone est comprise entre 2,8 et 4 %. Le soufre dans la fonte est considéré comme un élément néfaste. Le phosphore (jusqu'à 2 % maxi) est considéré favorablement, il agit à une amélioration de la coulabilité (propriété technologique qui facilite le moulage des pièces de fonderie). 3.3. Classification des fontes On distingue les fontes suivantes: Fonte grise, fonte blanche, fonte à graphite sphéroïdale, fonte malléable (ferritique, perlitique). a) Fonte grise (à graphite lamellaire) La structure de la fonte grise dépend de la composition chimique et de la vitesse de refroidissement. Les éléments d'adition les plus importants sont le silicium et le manganèse. Une structure de la fonte grise est constituée par la matière métallique et par le graphite lamellaire. Les caractéristiques mécaniques dépendent de la structure et de son état de tension. b) Fonte grise (à graphite sphéroïdal) C'est une fonte grise spécialement traitée pour l'obtention de la forme de graphite sphéroïdale. La différence de la forme de graphite lamellaire et celle de sphéroïdale se manifeste dans une différence importante des caractéristiques mécaniques: la forme de graphite sphéroïdale supprime l'effet d'entaille ayant la forme lamellaire et de ce fait les caractéristiques mécaniques de la fonte à graphite sphéroïdale sont beaucoup plus favorables. Chapitre 2 Elaboration des métaux Cours de Caractérisation des Matériaux Licence appliquée en Génie Mécanique 15 c) Fonte blanche La structure de cette fonte est constituée par la perlite et par la cémentite primaire. De cela provient une dureté importante comprise entre 400 et 500 HB. La fonte blanche est très dure, fragile et son usinage est possible par une rectification seulement. d) Fonte malléable C'est un alliage résilient dont l'usinabilité est très favorable. Cette fonte est élaborée par le traitement thermique de la fonte blanche. On distingue la fonte malléable perlitique (à cœur blanc) et la fonte malléable ferritique (à cœur noir). Leur obtention dépend du mode opérationnel de traitement thermique de la fonte blanche dont le but consiste, en principe dans une décomposition du carbure de fer. 3.4. Les aciers Ce sont les alliages Fe-C avec les éléments d'accompagnement de Mn, Si, P, S. Les aciers alliés contiennent aussi les éléments d'addition et leur appellation est ainsi dérivée d'un élément d'addition préférentiel: acier au manganèse, acier au nickel, etc.… La teneur maximal en carbone est de 1,7% ce que résulte du diagramme fer carbone métastable. Une influence de phosphore et de soufre dans les aciers est très néfaste: ces éléments agissent à la formation des criques et des fissures. De ce fait leurs teneurs dans les aciers sont limitées très strictement par une norme technique. a) Aciers non alliés Ce sont les aciers au carbone dont la teneur varie entre 0,1 et 2,1%, mais pratiquement jusqu'à 1,7% seulement. Une augmentation de la teneur en carbone se manifeste par une augmentation de la limite d'élasticité, de la résistance à la traction et de la dureté. Au contraire, les caractéristiques de plasticité diminuent. La soudabilité des aciers devient de plus en plus difficile. b) Aciers faiblement alliés Ils contiennent les éléments d'addition dont la teneur inférieur est déterminée individuellement pour chaque élément par une norme technique. Les teneurs supérieures sont toujours inférieures à 5% (d'après AFNOR). Il s'agit des aciers de construction au manganèse, au manganèse chrome molybdène, au chrome manganèse, au chrome vanadium, etc.…Ils sont élaborés pour l'obtention des caractéristiques mécaniques ou technologiques spéciales. Leur appellation est dérivée de la teneur de l'élément d'addition préférentiel c) Aciers fortement alliés Ils contiennent au moins un élément d'addition qui atteint la teneur de 5% (d'après AFNOR). Il s'agit d'une par des aciers de construction, d'autre part des aciers à outils. Ils sont élaborés pour l'obtention des caractéristiques mécaniques ou technologiques spéciales. 4. Elaboration des alliages de fer Une élaboration des alliages de fer est effectuée par les procédés métallurgiques dont les opérations ont pour but deux phases: l'extraction du métal à partir d'un minerai et l'affinage du produit brut obtenu. La première phase concerne l'élaboration de la fonte brute (appelée la fonte de première fusion) et elle s'effectue dans un haut fourneau. La seconde phase concerne d'une part l'élaboration de la fonte de moulage (appelée la fonte de deuxième fusion) qui s'effectue dans un four appelé le cubilot, et qui est destinée pour la coulée des pièces de fonderie, d'autre part pour l'élaboration des aciers à partir de la fonte brute. Chapitre 2 Elaboration des métaux Cours de Caractérisation des Matériaux Licence appliquée en Génie Mécanique 16 L'élaboration des aciers s'effectue dans un convertisseur ou dans un four et un affinage d'un acier peut continuer dans un four électrique à l'arc ou dans un four à creuset pour l'obtention des aciers de plus haute qualité y compris uploads/s3/ chapitre-2-elaboration-des-metaux.pdf