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République Tunisienne Ministère de l’Enseignement Supérieur de la Recherche Sci

République Tunisienne Ministère de l’Enseignement Supérieur de la Recherche Scientifique et de la Technologie Université El Manar اﻟﻤﻌﻬﺪ اﻟﺘﺤﻀﻴﺮي ﻟﻠﺪراﺳﺎت اﻟﻬﻨﺪﺳﻴﺔ ﺑﺎﻟﻤﻨﺎر Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs – El Manar Support de Cours de Technologie de Production Partie I : Etude des Matériaux Classes Préparatoires aux Etudes d’Ingénieurs 1ères années PT Kamel MEHDI 2007-2008 Institut Préparatoire aux Etudes Technologiques El Manar 2007 - 2008 Cours de Technologie de Production des classes des 1ères Années Kamel MEHDI Avant–Propos Ce support de cours de technologie de production est destiné aux étudiants des 1ères années du cycle préparatoire aux études d’ingénieurs. Ils est élaborés conformément au programme officiel fixé par le Ministère de l’Enseignement Supérieur, de la Recherche Scientifique et de la Technologie (République Tunisienne). La première partie « Etude des Matériaux » de ce support de cours est extraite essentiellement des ouvrages suivants : 1. A. Chevalier (2000) « Guide du dessinateur industriel », Ed. HACHETTE 2. J. L. Fanchon, (2001) « Guide des Sciences et Technologies Industrielles », Ed. AFNOR – NATHAN, Paris La Défense 3. Münchener Rück, Munich Re Group (2003) « Guide technique pour les souscripteurs : Les aciéries–1ère partie: La fabrication de l’acier », (Version numérique http://www.munichre.com). 4. M. Wolf (2001) « Henry Bessemer et la coulée continue », La Revue de Métallurgie- CIT, Janvier 2001, pp. 63-73 Kamel MEHDI Chapitre I Etudes des Matériaux - 2 - Institut Préparatoire aux Etudes Technologiques El Manar 2007 - 2008 Cours de Technologie de Production des classes des 1ères Années Kamel MEHDI TABLE DES MATIERES CHAPITRE I : CARACTERISATION DES MATERIAUX .......................................................................... 5 I. PROPRIETES DES MATERIAUX........................................................................................................... 5 I.1. PROPRIETES MECANIQUES ET PHYSIQUES.............................................................................................. 5 I.2. CARACTERISTIQUES STRUCTURALES DES MATERIAUX........................................................................ 10 I.2.1. Les Métaux.................................................................................................................................... 10 I.2.2. Structures moléculaires des matières plastiques........................................................................... 12 II. CLASSIFICATION DES MATERIAUX................................................................................................ 13 II.1. LES PLASTIQUES OU POLYMERES SYNTHETIQUES................................................................................ 14 II.1.1. Principales propriétés.............................................................................................................. 14 II.1.2. Classification............................................................................................................................ 14 II.2. LES CERAMIQUES................................................................................................................................ 14 II.2.1. Propriétés des céramiques ....................................................................................................... 14 II.2.2. Fabrication des pièces en céramiques ..................................................................................... 15 II.2.3. Classification des céramiques.................................................................................................. 15 II.3. LES MATERIAUX COMPOSITES............................................................................................................. 17 II.3.1. Définition.................................................................................................................................. 17 II.3.2. Principaux constituants des matériaux composites.................................................................. 17 II.3.3. Composites à phase dispersée.................................................................................................. 17 II.3.4. Composites à particules ........................................................................................................... 18 II.3.5. Composites à fibres .................................................................................................................. 18 II.3.6. Principales propriétés des matériaux composites.................................................................... 19 II.4. CLASSIFICATION ET DESIGNATION DES MATERIAUX FERREUX (LES ACIERS ET LES FONTES)................ 21 II.4.1. Aciers au carbone d'usage général .......................................................................................... 21 II.4.2. Aciers faiblement alliés pour haute résistance......................................................................... 23 II.4.3. Aciers fortement alliés.............................................................................................................. 23 II.4.4. Les fontes.................................................................................................................................. 24 II.5. CLASSIFICATION ET DESIGNATION DES METAUX ET ALLIAGES NON FERREUX ..................................... 28 II.5.1. Etats métallurgiques................................................................................................................. 28 II.5.2. Aluminium et alliages............................................................................................................... 28 II.5.3. Cuivre et alliages de cuivre...................................................................................................... 31 II.5.4. Magnésium et alliages.............................................................................................................. 33 II.5.5. Zinc et alliages ......................................................................................................................... 34 CHAPITRE II : ELABORATION DES METAUX........................................................................................ 36 INTRODUCTION............................................................................................................................................... 36 III. ELABORATION DES METAUX FERREUX .................................................................................. 37 III.1. LES MATIERES PREMIERES .................................................................................................................. 37 III.2. LA PREPARATION DES CHARGES.......................................................................................................... 37 IV. LES OPERATION SIDERURGIQUES............................................................................................. 38 IV.1. ELABORATION DE LA FONTE ............................................................................................................... 40 IV.1.1. Généralités sur le haut fourneau.............................................................................................. 40 IV.1.2. Rôle du laitier dans la composition de la fonte........................................................................ 41 IV.2. PRINCIPES GENERAUX D’ELABORATION DE L'ACIER LIQUIDE .............................................................. 43 IV.2.1. Principes d’obtention de l’acier à oxygène.............................................................................. 44 IV.2.2. Principes d’obtention de l’acier électrique.............................................................................. 44 IV.3. LA COULEE DE L'ACIER LIQUIDE ......................................................................................................... 46 IV.3.1. La coulée en lingotière............................................................................................................. 46 IV.3.2. La coulée continue ................................................................................................................... 47 Chapitre I Etudes des Matériaux - 3 - Institut Préparatoire aux Etudes Technologiques El Manar 2007 - 2008 Cours de Technologie de Production des classes des 1ères Années Kamel MEHDI CHAPITRE III : CARACTERISATION MECANIQUE DES MATERIAUX – LES ESSAIS MECANIQUES................................................................................................................................................... 48 I. ESSAI DE TRACTION ............................................................................................................................ 48 I.1. PRINCIPE DE L'ESSAI............................................................................................................................ 48 I.1.1. Définition ...................................................................................................................................... 48 I.1.2. Description des éprouvettes .......................................................................................................... 48 I.1.3. Conditions d'essai ......................................................................................................................... 48 I.1.4. Courbes typiques de traction (Contraintes - Déformations)......................................................... 49 I.2. ÉTUDE EXPERIMENTALE : COURBE CONTRAINTE - DEFORMATION ..................................................... 49 I.3. LOI DE HOOKE.................................................................................................................................... 50 I.4. COEFFICIENT DE POISSON.................................................................................................................... 51 II. ESSAI DE RESILIENCE ......................................................................................................................... 53 II.1. PRINCIPE DE L'ESSAI............................................................................................................................ 53 II.2. FORMES ET DIMENSIONS DES EPROUVETTES NORMALISEES................................................................. 53 III. METHODES D’ESSAIS MECANIQUES DE DURETE.................................................................. 54 III.1. DURETE BRINELL (SYMBOLE HB)....................................................................................................... 54 III.2. DURETE VICKERS (SYMBOLE HV) ...................................................................................................... 55 III.3. DURETE ROCKWELL (SYMBOLE HR) .................................................................................................. 56 IV. TABLEAU DE CONVERSION DURETE - TRACTION................................................................ 57 V. ESSAIS DE FATIGUE ............................................................................................................................. 59 Chapitre I Etudes des Matériaux - 4 - Institut Préparatoire aux Etudes Technologiques El Manar 2007 - 2008 Cours de Technologie de Production des classes des 1ères Années Kamel MEHDI CHAPITRE I : CARACTERISATION DES MATERIAUX Objectifs : • savoir identifier un matériau à partir de la désignation normalisé, • savoir faire un choix convenable d'un matériau qui répond aux conditions fonctionnelles du système, • savoir choisir le traitement thermique convenable pour une application donnée. I. Propriétés des matériaux I.1. Propriétés mécaniques et physiques Malléabilité : Propriété de certains matériaux de pouvoir se déformer à froid ou à chaud sans se rompre et pouvoir être convertis en feuilles ou en tôles minces. • Malléabilité à chaud : La fusion de la glace est dite brusque par ce que ce corps, sous l’action de la chaleur, passe directement de l’état solide à l’état liquide. La plupart des métaux, au contraire, lorsqu’ils sont chauffés, passent, avant de fondre, par un état intermédiaire pâteux. Ils pourront donc, à chaud, se déformer sous l’action de chocs ou de pressions. Ils sont dits malléables à chaud. C’est cette propriété qui est utilisée pour le travail des métaux et, en particulier, des aciers par forgeage ou par laminage. • Malléabilité à froid : C’est la propriété que possède un corps de se déformer facilement à froid sous l’action de chocs ou de pressions. La malléabilité sera d’autant plus grande que les efforts nécessaires à la déformation seront plus faibles. Si leur malléabilité à froid est très grande, les corps sont dits plastiques. • On ne peut chaudronner, emboutir ou laminer que les métaux malléables à froid. Voici cités par ordre croissant de malléabilité à froid, les métaux les plus utilisés : l’acier doux, l’acier extra-doux, le cuivre, l’étain, l’aluminium, le plomb. La trempe et l’écrouissage résultant d’un martelage intensif diminuent la malléabilité. Le recuit redonne à un métal écroui ses propriétés premières. Elasticité : C'est la propriété des corps, qui se déforment sous l'action momentanée d'une force, tendent à reprendre leurs formes primitives lorsque la force cesse d'agir. Elle caractérise l’aptitude qu’a un matériau à reprendre sa forme et ses dimensions initiales, après avoir été déformé. On dit que la déformation est élastique. Cette propriété est recherchée pour le choix des métaux utilisés à la fabrication des ressorts. Un ressort, chargé normalement, a un comportement élastique. La plupart des métaux et des alliages ont un comportement élastique sous charges modérées et plastique sous charges excessives. Le plomb, l’étain, l’aluminium recuit, l’acier doux recuit sont peut élastiques. Le bois, l’acier dur trempé, les aciers mangano-siliceux le sont beaucoup plus. Plasticité : Propriété inverse de l'élasticité. C'est l'aptitude de certain matériaux de prendre une forme quelconque et de la conserver. Un matériau qui ne reprend pas sa forme et ses dimensions initiales après avoir été déformé est dit plastique. Chapitre I Etudes des Matériaux - 5 - Institut Préparatoire aux Etudes Technologiques El Manar 2007 - 2008 Cours de Technologie de Production des classes des 1ères Années Kamel MEHDI Exemple : le plomb est plastique. La pâte à modeler a un comportement plastique. Ductilité : C'est la propriété grâce à laquelle un matériau peut se déformer de façon permanente avant de se rompre. La ductilité facilite donc la mise en forme du matériau à l'état solide. Dans les solides cristallins, la ductilité est due aux déplacements des dislocations. On la mesure le plus souvent par la valeur de l'allongement à la rupture (A%) en traction. C'est donc la qualité de certains matériaux de pouvoir s'étirer en fils. (Plus A% est grand, plus le matériau est ductile). Le métal en barre, soumis à un effort de traction, passe dans le trou d’une filière, il subit ainsi une réduction de section uniforme (fig. 1). Pour que cette opération puisse être réalisée, il est nécessaire que le métal soit à la fois assez plastique et assez résistant pour pouvoir supporter l’effort de traction sans se rompre. Les métaux plastiques, dont la résistance est insuffisante, ne peuvent êtres étirés. Ils ne sont donc pas ductiles, mais ils peuvent être filés à la presse (fig. 2). - Si A% ≥ 5% les matériaux sont considérés comme ductiles. - Si A% < 5% les matériaux sont considérés comme fragiles ou « cassants » (cuivre, aluminium, etc.). - Z% (striction) et K (résilience) sont également des indicateurs. La ductilité est une propriété déterminante pour les matériaux devant être déformés à froid (emboutissage, pliage, ...). Effort de traction F Filière Pièce Fig. 1. Schéma de principe d’une filière d’étirage F Métal Piston poussé par la presse Fig. 2. Schéma de principe d’une opération de filage à la presse Ténacité : Elle caractérise la résistance à la propagation brutale des fissures dans un matériau ou bien la difficulté uploads/s3/ partie-i-technologie-production-2008-pdf.pdf