Transcript Cours science des matériaux

COURS DE SCIENCE DES
MATERIAUX
Avant propos
Ce cours a été réalisé pour servir de support aux étudiants de l’ISSAT.So. Il ne prétend en aucun cas regrouper toute la science des
matériaux, mais se place plutôt comme un document permettant une initiation à cette science en présentant quelques unes de ses multiples
facettes.
Sont élaboration est le fruit des cours prodigués avant mon intégration à cet institut et de diverses sources documentaires, dont certaines
n’ont pas été citées et que j’ai eu la chance de consulter durant mon expériences en France.
Bonne lecture Iheb CHAIEB
SOMMAIRE
Chp I.
Caractéristiques et propriétés des matériaux .......................................................................................... 5
1
Type de liaisons.......................................................................................................................................... 6
1.1
Liaisons covalentes............................................................................................................................. 6
1.2
Liaison ionique ................................................................................................................................... 6
1.3
Liaison métallique .............................................................................................................................. 7
1.4
Liaison mixte ...................................................................................................................................... 7
1.5
Liaison de faible intensité................................................................................................................... 8
2
Différents types de matériaux..................................................................................................................... 8
2.1
Les métaux.......................................................................................................................................... 8
2.2
Les céramiques ................................................................................................................................... 8
2.3
Les polymères organiques .................................................................................................................. 8
Chp II. L’Architecture atomique ........................................................................................................................ 9
1
États et structures de la matière. ............................................................................................................... 10
2
Notions de cristallographie....................................................................................................................... 11
2.1
Systèmes et réseaux cristallins ......................................................................................................... 11
2.2
Définitions : ...................................................................................................................................... 11
2.3
Structure des solides à liaison métallique......................................................................................... 12
2.4
Transformations allotropiques.......................................................................................................... 13
2.5
Sites dans les réseaux cristallins....................................................................................................... 13
Chp III.
Les Mélanges et leur comportement................................................................................................. 14
1
Définitions ................................................................................................................................................ 15
2
Diagrammes d’équilibre binaires ............................................................................................................. 15
2.1
Miscibilité totale à l’état solide ........................................................................................................ 15
2.2
Règles de miscibilité ........................................................................................................................ 17
2.3
Miscibilité partielle à l’état solide .................................................................................................... 17
2.4
Domaines triphasés (v = 0)............................................................................................................... 18
2.5
Composés chimiquement définis...................................................................................................... 19
3
Étude du diagramme binaire fer carbone.................................................................................................. 19
Chp IV.
Caractéristiques mécaniques des matériaux ..................................................................................... 22
1
Propriétés mécaniques des matériaux....................................................................................................... 23
1.1
Comportement élastique des matériaux............................................................................................ 23
1.2
Comportement plastique................................................................................................................... 23
2
Essai de traction........................................................................................................................................ 24
2.1
Re, Rm, Re0.2 .................................................................................................................................... 24
2.2
Courbe réelle ou rationnelle ............................................................................................................. 25
2.3
Palier de limite élastique .................................................................................................................. 25
2.4
Influence de la température sur Re et Rm ........................................................................................ 25
2.5
Autres caractéristiques mécaniques : A, E, G, ν .............................................................................. 26
2.6
La résilience...................................................................................................................................... 27
3
Essai de dureté.......................................................................................................................................... 28
3.1
Définition de la dureté ...................................................................................................................... 28
3.2
Techniques de mesure de dureté....................................................................................................... 29
3.3
Essai de dureté VICKERS (NF EN ISO 6507-1, NF A 03-253) ..................................................... 29
3.4
Essai de dureté BRINELL (NF EN 10003-1 à 3)............................................................................. 30
3.5
Essai de dureté ROCKWELL (NF EN 10109-1 à 3) ....................................................................... 31
Chp V. Traitements thermiques des aciers........................................................................................................ 33
1
Recuits et traitements connexes................................................................................................................ 35
1.1
Objectifs et principes........................................................................................................................ 35
1.2
Divers type de traitement ................................................................................................................. 36
1.3
La trempe.......................................................................................................................................... 39
1.4
Transformations isothermes de l’austénite....................................................................................... 40
iii
1.5
Transformations anisothermes de l’austénite. .................................................................................. 47
1.6
Trempabilité ..................................................................................................................................... 50
1.7
Traitement des pièces ....................................................................................................................... 53
2
Revenu après durcissement par trempe .................................................................................................... 55
2.1
Objectifs et principe du revenu......................................................................................................... 56
2.2
Transformations métallurgiques....................................................................................................... 56
2.3
Transformation de la martensite....................................................................................................... 56
Chp VI.
élaboration des métaux ..................................................................................................................... 57
1
Elaboration de la fonte et de l’acier.......................................................................................................... 59
1.1
Elaboration de la fonte...................................................................................................................... 59
1.2
Elaboration de l’acier. ...................................................................................................................... 60
1.3
Coulée de l’acier............................................................................................................................... 63
1.4
Mise en forme de l’acier................................................................................................................... 64
2
Elaboration de l’aluminium...................................................................................................................... 65
2.1
Minerai ............................................................................................................................................. 65
2.2
Fabrication de l’alumine................................................................................................................... 65
2.3
Fabrication de l’aluminium .............................................................................................................. 66
2.4
Conclusion........................................................................................................................................ 67
Chp VII. Désignation des métaux.................................................................................................................... 68
1
Désignation des acier et fontes. ................................................................................................................ 69
1.1
Désignation des aciers ...................................................................................................................... 69
1.2
Désignation symbolique des fontes (NF EN 1560).......................................................................... 70
2
Désignation des métaux non ferreux ........................................................................................................ 71
2.1
L’aluminium et alliages d’aluminium .............................................................................................. 71
2.2
Cuivre et alliages de cuivre .............................................................................................................. 72
2.3
Nickel et alliages de nickel............................................................................................................... 72
2.4
Alliages de zinc et de magnésium .................................................................................................... 72
iv
Chapitre I
caractéristiques et propriétés des matériaux
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Introduction.
Les matériaux utilisés par l’homme peuvent être classée dans trois grands groupes :
• Les métaux ;
• Les céramiques ;
• Les polymères organiques.
Cette classification est basée principalement sur les caractéristiques atomiques des éléments
constitutifs. Les propriétés des matériaux sont en grande partie déterminer par la nature des liaisons
chimiques entre les atomes.
1
Type de liaisons.
1.1
Liaisons covalentes.
La liaison covalente intervient entre deux atomes qui se partagent un ou plusieurs doublets
d’électrons afin de compléter leurs couches électroniques extérieures.
Exemple : Cl + Cl Î Cl2 le chlore à 17 électrons
Pour cette liaison, chaque atome met son électron libre en commun avec l’autre atome. Ce
partage permet de compléter la couche extérieure de chacun des atomes à huit (saturation).
1.2
Liaison ionique
Comme la liaison covalente la liaison ionique est une liaison forte, puisqu’une fois liés les atomes
ont une couche électronique extérieur saturée. En se liant par des liaisons ioniques, les atomes
perdent ou gagnent un ou plusieurs électrons et deviennent ainsi des ions positifs ou négatifs.
Exemple : la liaison Li (lithium) + F (Fluor) Î (Li F)
(Li+)
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(F-)
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Chapitre I
caractéristiques et propriétés des matériaux
1.3
Cours science des matériaux
Liaison métallique
La liaison métallique se caractérise par la mise en commun des électrons de liaison qui ne sont
plus localisés entre atomes (covalente) ou sur un ion (liaison ionique), mais qui sont répartis dans
l’ensemble du réseau d’ions.
Exemple :
Prenons l’exemple du sodium (Na) qui possède 11 électrons, dont un électron de valence. Pour
avoir une couche électronique extérieure complète, chaque atome perd son électron de valence : en
effet, aucun d’eux n’as la possibilité de céder ou de partager cet électron avec l’un de ses voisin. Il
en résulte la mise en commun de tous les électrons de valence, si bien que le cristal de sodium
métallique peut être schématisé comme suite :
Électron
Fa
Fa
+
Fa
Fa
Fr
+
Fa
Fa
Fr
+
Fa
Fa
Fr
+
Ion
positif
Fa : attraction entre Na+ et électron
Fr : répulsion entre deux Na+
1.4
Liaison mixte
Toute liaison hétéro-polaire présente un caractère mixte ionique covalent.
Exemples :
HCl = H
Cl2 = Cl
:Cl
:
Cl
• La liaison HCl se fait par la mise en commun de 2 électrons ; ce qui représente une liaison
covalente
• La liaison HCl à 2 pôles positif et négatif c’est comme si l’on a placé 2 ions positif et négatif pour
former cette molécule ; ce qui représente une liaison ionique.
• La liaison HCl est donc une liaison ionique covalente donc mixte.
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Chapitre I
caractéristiques et propriétés des matériaux
1.5
Cours science des matériaux
Liaison de faible intensité
Dans beaucoup de molécules à liaison covalente, le centre des charges positives n’est pas
confondu avec celui des charges négatives, ce qui donne lieu à la formation d’un dipôle électrique.
La liaison de Van Der Waals s’établit à l’état solide entre les molécules ainsi polarisées. Elle est
donc due à l’attraction entre ces pôles. C’est une liaison de faible intensité, rompue facilement par
une augmentation de température.
2
Différents types de matériaux
2.1
Les métaux
Les éléments métalliques représentent presque ¾ de tous les éléments connus. La caractéristique
commune des métaux est leur faible énergie de d’ionisation (énergie requise pour séparer un
électron du l’atome). Tenant compte de se paramètre les métaux se présentent sous la forme d’une
structure d’ions positifs noyé dans un nuage d’électrons mobiles. La liaison métallique est une
liaison forte qui agit de manière identique dans toutes les directions.
2.2
Les céramiques
Les céramiques sont des matériaux inorganiques résultant de la combinaison de certains éléments
métalliques (Mg, Al, Fe) ou semi-métalliques (Si) avec des éléments non métalliques dont le plus
courant est l’oxygène. Les céramiques sont de nature chimique très variée. Elle sont caractérisées
par la présence de liaisons fortes : covalente et ionique. Parmi les céramiques nous trouvons les
roches naturelles et synthétiques (béton), la porcelaine.
2.3
Les polymères organiques
Les polymères sont des matériaux composés de molécule contenant surtout du carbone et de
l’hydrogène. Les éléments tel que l’azote, le chlore, le fluor et le soufre peuvent être présents. Dans
un corps organique nous pouvons distinguer deux types de liaisons : les liaisons intramoléculaire et
les liaisons intermoléculaires. Les liaisons intramoléculaires sont celles qui lient les atomes en
molécules elles sont exclusivement covalentes. Les liaisons intermoléculaires sont des liaisons qui
lient les molécules entre-elles. Elle sont généralement de faible intensité (Van Der Waals).
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Chapitre II
l’architecture atomique
Cours science des matériaux
Introduction
Nous avons vu au chapitre précédent que les propriétés des matériaux dépendent de la nature des
liaisons qui existent entre les atomes. Nous allons maintenant voir que les propriétés et le
comportement
d’un
matériau
dépendent
également
de
son
architecture
atomique.
On
appelle
architecture atomique le mode de répartition des atomes dans un corps et les relations géométriques
existant entre toutes les positions des atomes.
1
États et structures de la matière.
Les états physiques de la matière sont une illustration parfaite des différents niveaux d’ordre. En
effet plus l’agitation thermique est importante plus les particules élémentaires ont la possibilité de se
mouvoir indépendamment des autres, cet état est perceptible pour les gaz. Un abaissement de
température aura pour effet de réduire l’agitation thermique, ce qui conduit à réduire la mobilité des
particules
élémentaires.
C’est
ainsi
que
nous
obtenons
l’état
liquide.
Finalement,
une
forte
diminution de l’agitation thermique conduit à une solidification de la matière en permettant aux
liaisons inter-atomiques de se manifester. Cette solidification peut conduire à deux morphologies
différentes :
• Solides amorphes : c’est le cas de la majorité des matières plastiques (PE, PVC, …) et des
céramiques vitreuses (verre ordinaire, pyrex, …). Dans une structure amorphe aucun ordre n’existe
entre les positions des différents atomes.
Solides cristallins : c’est le cas des céramiques cristallisées (alumine, diamant, …) et des métaux
(Fer, aluminium, …). Un solide cristallin est l’association d’une multitude de grains microscopiques
et parfois millimétriques. En fait, ces grains sont des monocristaux qui d’un point de vue
géométrique représentent des ensembles d’ions régulièrement répartis dans l’espace. Dans un solide
cristallin, chaque ion occupe une position bien définie dans l’espace, non seulement par rapport à ses
voisins mais également par rapport à tous les autres atomes, quelque soit la distance qui les sépare.
Chaque atome à donc un environnement tout à fait identique à celui des autres (ordre à longue
distance).
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Chapitre II
2
l’architecture atomique
Cours science des matériaux
Notions de cristallographie
Que donne l'observation d’un solide cristallisé ?
• Observation au microscope optique Î grains et joints de grains ;
• Observation aux rayons X Î assemblage d'atomes ordonnés capables de diffracter les RX ;
• Observation au microscope électronique à transmission Î rangées d'atomes.
2.1
Systèmes et réseaux cristallins
Toute matière cristallisée se manifeste par la périodicité d’un motif de base dit maille
élémentaire. Il existe 7 systèmes cristallins qui se ramifient en 14 réseaux de mailles élémentaires
dont la périodicité reconstitue n’importe quel monocristal. Ces mailles ont pour noms « réseaux de
Bravais» (voir Tableau 1). Pour décrire commodément cet arrangement, on définit un réseau
cristallin par un ensemble de nœuds obtenus à partir d’une maille élémentaire qui fixe la périodicité
tridimensionnelle de répartition de la maille élémentaire.
2.2
Définitions :
Nœud : un nœud est sommet définissant la maille élémentaire, il représente soit un ion soit une
molécule ;
Maille élémentaire : elle est définie par 3 vecteurs, non coplanaires, (a, b et c) formant entre eux
les angles α, β et γ. Après avoir choisi une origine des axes, ces vecteurs sont les vecteurs de base
sur ox, oy, oz. Ce sont les paramètres du réseau. La position de n’importe quel nœud du réseau est
donnée par le vecteur r = u.a + v.b + w.c tq (u, v, w) ∈ ]3
Paramètres de maille : c’est les dimensions de la maille élémentaire ;
Motif élémentaire : c’est le nombre d’ions contenus dans la maille élémentaire ;
Nombre de coordination (Coordinance): c’est le nombre des plus proches voisins ;
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Chapitre II
l’architecture atomique
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Compacité : c’est le rapport du volume occupé par la matière à celui de la maille élémentaire.
Tableau 1 : Les 14 Réseaux de Bravais
Système
cristallin
simple (P)
centré (I)
à 2 faces
centrées (C)
À faces
centrées (F)
structure
rhomboédrique
(R)
Cubique
hexagonal
tétragonal
(quadratique)
trigonal
(rhomboédrique)
orthorhombique
monoclinique
triclinique
2.3
Structure des solides à liaison métallique.
Les liaisons métalliques ne sont pas des liaisons directionnelles, les atomes ont tendance à
s’entourer d’un grand nombre de voisins. Ils ont aussi tendance à former des ensembles relativement
compacts avec des liaisons courtes est fortes, ce qui explique la densité élevée des métaux.
Les trois structures cristallines les plus fréquentes dans les métaux sont le cubique à faces
centrées (C.F.C) cubique centré (C.C) et l’hexagonal compact (H.C).
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Chapitre II
2.4
l’architecture atomique
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Transformations allotropiques.
Certains métaux présentent différentes structures en fonction de la température. Ainsi le fer passe
d’une structure C.C à une structure C.F.C à 914 °C pour redevenir C.C à 1391 °C. De même pour le
titane qui passe de H.C à C.C à 882 °C. Ces transformations porte le nom de transformations
allotropiques.
2.5
Sites dans les réseaux cristallins.
Dans un réseau cristallin, on appel sites (interstitiels) les espaces libres laissés entres les atomes
du réseau. Un site est un polyèdre dont chacun des sommets correspond au centre des atomes qui
l’entourent. Dans un réseau cubique simple, on a un site cubique (au centre du cube) dont les
sommet sont les nœuds de la maille élémentaire. Dans les réseau cubique centrés (C.C) et cubiques à
faces centrées (C.F.C), il existe deux type de sites : les sites octaédriques (8 faces) et les sites
tétraédriques (4 faces) comme le monter la figure qui suit. Ces sites sont au centre d’un octaèdre ou
d’un tétraèdre dont les sommets sont occupés par les nœuds du réseau. Ces sites sont généralement
occupés par des atomes étrangers plus petit que ceux formant le réseau. C’est le cas du carbone dans
les aciers.
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Chapitre III
les mélanges et leur comportement
Cours science des matériaux
Introduction
Les matériaux utilisés sont rarement purs ou des mélanges parfaitement homogènes, mais le plus
souvent sous forme d’alliages. Les états d’équilibre thermodynamique des alliages sont définis par
les diagrammes de phases à l’équilibre. Bien que ces états soient rarement atteints dans les
matériaux réels, ils correspondent à des états de références vers lesquels les systèmes ont tendance à
évoluer. Dans ce chapitre nous nous attacherons à étudier les règles qui régissent
les équilibres entre
composants et les équilibres entre entres phases.
1
Définitions
Les alliages métalliques sont des systèmes mono ou polyphasés ayant des propriétés générales
similaires à celles des métaux purs. Ils comprennent 2, 3, …, n éléments métalliques ou non
métalliques. Ils peuvent être étudiés en tant que systèmes physiques dont la variance est donnée par
la relation de Gibbs :
v=n+1-p
Où « p » représente le nombre de phases.
En effet les facteurs de l’équilibre sont la composition chimique des phases en présence et la
température. La pression a peu d’influence. Elle est supposée constante et égale à 1 atm.
Nous nous intéressons uniquement aux alliages binaires (n = 2) et donc v = 3 – p.
2
Diagrammes d’équilibre binaires
Pour un système binaire (n = 2), un diagramme d’équilibre permet de représenter les domaines de
stabilité des phases et les conditions d’équilibre entre plusieurs phases en fonction de deux variables,
la température et la composition C.
2.1
Miscibilité totale à l’état solide
La figure ci-dessous représente le diagramme d’équilibre de deux composants A et B qui ont la
particularité d’être miscibles en toute proportion à l’état solide.
Avant d’aborder l’analyse des diagrammes de phases il est important de comprendre leur lecteur.
La composition chimique globale est définie par la teneur en chaque élément. Elle s’exprime en
pourcentage massique ou en pourcentage atomique d’un des éléments. Elle est représentée sur l’axe
des abscisses des diagrammes de phases. Aussi, la température est représentée sur l’axe des
ordonnées des diagrammes des phases. La composition chimique globale C d’un alliage A-B étant
constante elle est représentée par une verticale. Les verticales passant par les extrémités de l’axe des
abscisses
représentent
les
états
des
corps
purs
(n = 1).
Au-dessus
de
la
température
(Tf)A,
température de fusion du corps pur A, on a une phase liquide ; à une température inférieure à (Tf)A le
corps A est entièrement solide. Dans ce cas d’après la règle des phases, les deux phases solide est
liquide ne peuvent coexister qu’à une température fixe (Tf)A
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(n = 1, p = 2 Î v = 0). Ce
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Chapitre III
les mélanges et leur comportement
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raisonnement s’applique aux deux verticales (100 % A & 0 % B) et (0 % A & 100 % B) la
température de fusion de ce dernier est (Tf)B.
(TF)A
TL
Ti
TS
(TF)B
(CS)1 CS
C0
CL
(CL)1
Dans son ensemble, le diagramme d’équilibre comporte deux lignes : le liquidus et le solidus.
Au-dessus du liquidus, tous les mélanges de A et B sont à l’état liquide. Sous le solidus, les
mélanges sont à l’état solide ; les composants A et B sont miscibles, en toute proportion, à l’état
solide. Entre le liquidus et le solidus, les deux phases liquide et solide coexistent. A l’équilibre les
deux phases peuvent coexister (n = 2, p = 2 Î v = 1). Si la température est choisie arbitrairement
(entre TL et TS, températures du liquidus et du solidus), la composition des phases en présence
devient fixe. Ainsi à une température Ti, dans le domaine biphasé L + S, les compositions de la
phase solide et de la phase liquide sont données par CS et CL respectivement. A cette température
tous les mélanges dont la composition CB est inférieure à CS sont à l’état solide, et tous les mélanges
dont la composition CB et supérieure à CL sont à l’état liquide. Si la composition du mélange est
prise entre CS et CL, on est en présence d’un système à deux phases en équilibre.
2.1.1
Solidification à l’équilibre d’une solution à miscibilité totale
Considérons toujours le système binaire A-B et examinons ce qui se produit au cours du
refroidissement d’un mélange entièrement liquide de composition C0.
D’après le diagramme si le mélange de composition C0 est entièrement liquide sa température
doit être supérieure TL du liquidus pour la composition C0. Quand la température atteint TL le
mélange commence à entrer dans le domaine biphasé L + S. La composition du premier solide à
cette température est (CS)1, et la composition du liquide en équilibre avec ce solide est C0.
La solidification du mélange se poursuit entre les températures TL et TS. Cet intervalle de
température [TL, TS] s’appelle intervalle de solidification. Quand l’ensemble du mélange presque
entièrement solidifié (à une température légèrement supérieure à TS), la composition du solide est C0
alors que celle du liquide restant est (CL)1. On constate qu’au cours de la solidification la
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Chapitre III
les mélanges et leur comportement
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composition du solide varie continuellement de (CS)1 à C0 alors que celle du liquide varie de C0 à
(CL)1. Une fois la solidification terminée, à une température inférieure à TS, le mélange se retrouve
avec une composition uniforme C0.
2.1.2
Proportion des phases en présence
En complément aux phases et leurs compositions, il est possible d’obtenir des informations
supplémentaires, telles que leurs proportions. En effet, les compositions du mélange ainsi que celles
des phases constitutives, permettent, à toute température, par un calcul simple de remonter aux
proportions des phases dans le mélange.
Reprenons l’exemple précédent, avec un mélange A-B de composition C0. A la température Ti, la
composition de la phase solide est CS et celle de la phase liquide est CL.
Soit fS et fL les proportions respectives des phases solide et liquide. La conservation de la masse
nous impose que fS + fL = 1 et que fS . CS + fL . CL = C0
Ce qui nous permet d’écrire fS =
CL - C0
C -C
et f L = 0 S
C L - CS
C L - CS
Ces relations sont valables pour tous les domaines biphasés des diagrammes binaires : c’est la
règle des segments inverses.
2.2
Règles de miscibilité
En générale, pour que deux éléments A et B soient totalement miscibles à l’état solide, quatre
conditions sont à remplir :
• L’écart entre les diamètres atomiques des éléments ne doit pas dépasser 15 % ;
• Les deux éléments doivent avoir la même structure cristalline ;
• Les deux éléments doivent avoir les mêmes valences ;
• Les électronégativités des deux éléments doivent être semblables.
Un écart sur l’une de ces conditions conduit à une miscibilité partielle à l’état solide ou à des
composés intermédiaires.
2.3
Miscibilité partielle à l’état solide
Soit le diagramme fictif ci-dessous, il présente des domaines monophasés, des domaines biphasés
et triphasés en accord avec la variance v = 3 – p.
Les éléments A et B présentent, chacun, deux formes cristallines (Aα et Aα’) et (Bβ et Bβ’). Le
diagramme présente sept phases différentes :
• l : phase liquide ;
• α : solution solide primaire de B dans Aα ;
• α’ : solution solide primaire de B dans Aα’ ;
• β : solution solide primaire de A dans Bβ ;
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les mélanges et leur comportement
• β’ : solution solide primaire de A dans Bβ’ ;
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• γ : solution solide intermédiaire ;
• AmBn : composé défini.
Les domaines monophasés, auxquels il faut ajouter la verticale du composé AmBn, sont hachurés.
Tous les autres domaines sont biphasés, mis à part les horizontales sur lesquelles trois phases sont en
équilibre.
La courbe au dessus de laquelle le système est à l’état liquide est le liquidus.
2.4
Domaines triphasés (v = 0)
Le système n’a aucun degré de liberté. A une température bien précise, trois phases de
compositions déterminées sont en équilibre isotherme : Φ2(x2) Ù φ1(x1) + φ3(x3)
L’équilibre évolue dans un sens ou dans l’autre selon que le système reçoit ou fournit de la
chaleur. Cette évolution se fait à température constante tant que les trois phases sont présentent.
Il existe trois transformations isothermes principales rencontrées dans les diagrammes de phases
usuels que nous présentons dans la figure qui suit :
Sur cette figure on peut remarquer que :
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Chapitre III
les mélanges et leur comportement
• Tout domaine triphasé est adjacent à trois domaines biphasés distincts ;
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• Chaque fois qu’une phase liquide intervient le nom se termine par « ique »
• Chaque fois que la transformation se fait uniquement entre phases solides, la terminaison est
« oïde ».
2.5
Composés chimiquement définis
Les composés chimiquement définis sont des produits issus d’une association particulière des
composants du mélange. Leur composition chimique est unique comme pour le Fe3C (cémentite). La
détermination de leur formule brute est aisée à partir des diagrammes binaires (en % atomique). En
ce qui concerne les diagrammes avec en abscisse le pourcentage massique, il suffit de convertir les
valeur en pourcentage atomique en s’aidant des masses molaires des différents constituants.
ma
m
⎫
) + ( b ) = 1⎪
mt
mt
m
⎪ ma
= n a et b = n b
⎬
n
n
M
Mb
na + nb = nt ⇔ ( a ) + ( b ) = 1 ⎪ a
⎪⎭
nt
nt
m
m
% massique a = a % et % massique b = b
mt
mt
ma + mb = mt ⇔ (
n
% atomique a = a =
n t ma
et % atomique b =
ma
Ma
Ma
m
+ b
1
=
Mb
1+
mb × Ma
ma × M b
nb
1
=
n t 1+ m a × M b
mb × Ma
Ex : nous avons un composé chimiquement défini à 6,66 % C (en masse). Le % atomique
correspondant sera
% atomique de C =
1
= 24.9% 25%
93.33%×12
1+
6.66%×55.8
dans ce cas nous avons 25
% atomique de C, c’est-à-dire pour cent atomes nous avons 25 atomes de C et 75 atomes de Fe. Ce
qui fait 3 atomes de Fe pour un atome de C. La formule brute sera donc Fe3C.
Cette démarche s’applique à tous les CCD.
3
Étude du diagramme binaire fer carbone.
Rappels :
• Acier : alliage Fe-C dont la teneur en C est < à 2 % (en masse).
• Fonte : alliage Fe-C dont la teneur en C est comprise entre 2 et 6,66 % (en masse)
Remarque : si C = 6,66 % (en masse), on a alors de la Cémentite (Fe3C)
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Chapitre III
les mélanges et leur comportement
Cours science des matériaux
Analyse du diagramme.
D’après le diagramme nous notons que :
• La structure du fer change avec la température. A 20 °C, la structure est cubique centrée CC
(Fer α) a partir de 912 °C apparaît la structure cubique à faces centrées CFC (Fer γ). Cette forme
est stable jusqu’à 1394 °C où le fer redevient à structure cubique centrée (Fer δ) jusqu’à la fusion à
1538 °C.
• La solubilité varie avec la température et elle est partielle. Les atomes de carbone peuvent entrer
dans les espaces libres (interstices) entre les atomes de fer CFC.
• La solution solide de carbone dans le fer γ s’appelle austénite.
• La solution solide de carbone dans le fer α s’appelle ferrite (le carbone est très peu soluble dans le
fer α).
Du fait des variations de solubilité du carbone, ce dernier est mis en solution dans le fer γ, puis il
se trouve rejeté sous forme d’un précipité Fe3C, ou cémentite lors du refroidissement. L’alliage Fe-C
est durci par ces carbures. Cette précipitation dépend de la température et du temps. Le diagramme
d’équilibre présente deux domaines, Fer α + Fer γ et Fer γ + Fe3C qui ont en commun un point
correspondant à 727 °C et 0,77 % de C (en masse) ; un tel alliage subit à 727 °C une transformation
eutectoïde Fe γ Ù Fe α + Fe3C
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Chapitre III
les mélanges et leur comportement
Cours science des matériaux
Les grains de ferrite et cémentite qui se transforment sont petit et étroitement liés ; ils constituent
un agrégat eutectoïde appelé perlite.
Les conditions dans les quelles l’austénite se transforme en ferrite sont très importantes pour
l’obtention des caractéristiques mécaniques des alliages.
À 727 °C, si la teneur de l’alliage Fe-C est inférieure à 0,77 % en carbone, l’austénite qui reste se
transforme en perlite. A 20 °C, l’alliage est constituée de ferrite et de perlite.
Ses propriétés sont intermédiaires entre : la faible résistance du au gros grains de ferrite et la
résistance plus élevée de la perlite.
Si la teneur de carbone est au-delà de 0,77 %, l’alliage à température ambiante est constitué de
ferrite et de cémentite et éventuellement de perlite et de graphite : ses propriétés sont celle de la
perlite fragilisée par les carbures.
Les éléments d’alliage modifient les conditions d’équilibre et les états d’équilibre. Ils peuvent
modifier la température d’apparition de la perlite et l’on distingue :
• Les éléments gammagènes qui abaissent cette température (Ni, Mg).
• Les éléments alphagènes qui l’élèvent (Cr, Si, W, Ti, Mo).
Ils peuvent modifier la composition de la perlite par formation de carbures :
• En se substituant à une partie de fer de la cémentite (Mn, Cr, Mo).
En formant leurs propres carbures (Ti, Nb, V) ou des carbures dans lesquels le fer peut
partiellement se substituer à ces composants (Cr, Mo, W).
Au niveau du point eutectique (4,3 % C à 1147 °C) nous avons l’apparition de la lédéburite qui
est un mélange de Fe γ et de Fe3C. Il s’agit d’une dispersion d’îlots de γ dans une matrice de Fe3C.
Avec le refroidissement les îlots austénitiques se transforment en perlite et cémentite.
Lors du refroidissement dans les conditions industrielles, qui sont hors équilibre, car il est trop
rapide, le déroulement de ces transformations est perturbé et peut même être impossible.
On utilise alors un diagramme de refroidissement ou de transformation en continu (dit diagramme
TRC) qui décrit les transformations effectuées dans ces conditions.
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Chapitre IV
Caractéristiques mécaniques des matériaux
Cours science des matériaux
Introduction
Le bureau d’étude de mécanique est confronté au problème du choix des matériaux dans le
respect des contraintes imposées par le cahier des charges.
L’objectif de ces pages est de faciliter ce choix et les calculs de prédétermination pour les
matériaux courant donnant les caractéristiques physiques et mécaniques (E, ν, Re, A%, …).
Les
explications,
les
définitions
et
rappels,
ont
pour
but
de
permettre
une
meilleure
compréhension des phénomènes et des incertitudes liées aux valeurs données. En effet, les
caractéristiques dépendent de la nature du matériau (métal, polymère, composite, céramique, …), de
sa composition et de sa structure. La structure microscopique est liée aux conditions d’élaboration et
aux traitements thermomécaniques effectués lors de la fabrication.
1
Propriétés mécaniques des matériaux
Le comportement d’un métal est fonction des forces extérieures appliquées et traduit les
évolutions de la cohésion de l’édifice cristallin. Pour les métaux, les forces qui assurent cette
cohésion résultent de l’ionisation des atomes du métal qui perdent des électrons de valence et
circulent entre les ions.
Les propriétés mécaniques dépendent de la température d’utilisation, l’état de surface, des
conditions d’application des efforts, de la vitesse de déformation…
Elles sont déterminées, avec un certain intervalle de précision, au moyen d’essais normalisés.
1.1
Comportement élastique des matériaux
Il correspond à de petits déplacements réversibles des atomes autour de leur position d’équilibre
dans le réseau cristallin. Sous l’action d’une force, les atomes s’écartent. Une réaction due aux
forces de liaison tendant à les rapprocher provoque la réaction.
Pour les matériaux métalliques et polymères non étirés et non renforcés, les caractéristiques sont
indépendantes de la direction et le comportement élastique est linéaire.
Ce n’est le cas des composites ou certains polymères pour lesquels le module d’Young varie avec
l’amplitude
de
la
déformation
du
fait
de
l’orientation
des
chaînes
macromoléculaires :
se
comportement correspond à des lois d’élasticité non linéaire.
1.2
Comportement plastique
Lorsque la limite d’élasticité est dépassée, les atomes du réseau cristallin ont changé de place
sous l’action d’un effort de cisaillement. La prise en compte des défauts du cristal, notamment des
dislocations, est indispensable pour comprendre le comportement plastique.
Lorsqu’une déformation plastique est provoquée, on constate que la résistance à la déformation
augmente car :
• Les dislocations interagissent entre elles
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Chapitre IV
Caractéristiques mécaniques des matériaux
Cours science des matériaux
• De nouvelles dislocations prennent naissance, venant augmenter les interactions
Cette augmentation de la résistance à la déformation plastique est l’écrouissage.
Si on relâche l’effort qui a provoqué la plasticité, on constate un retour élastique : le domaine
élastique
s’étend
jusqu’à
la
contrainte
qui
était
appliquée
précédemment,
ce
qui
par
une
augmentation de la limite d’élasticité.
Ce phénomène est limité par l’apparition de microcavités qui provoquent une diminution de la
section résistante et conduisent à la rupture ductile.
2
Essai de traction
Il consiste à imposer un allongement à une éprouvette de section initiale S0 et de longueur initiale
l0. La courbe type obtenue pour un matériau ductile est la suivante :
Figure 1 : courbe de traction conventionnelle
La droite OE correspond à la déformation élastique réversible.
La courbe ES est le domaine de déformation plastique homogène : si on supprime la force de
traction, il y a un retour élastique suivant une parallèle à OE et il reste une déformation permanente.
Pour SR, la force nécessaire pour déformer le matériau diminue alors que l’allongement continue
d’augmenter : c’est l’instabilité plastique. La striction apparaît. En R il y a rupture de l’éprouvette.
La contrainte représentée dans la courbe conventionnelle est issue du rapport de la force
appliquée à la section initiale. Concernant l’allongement relatif il est calculé par le rapport
l - l0
×100 .
l0
2.1
Re, Rm, Re0.2
Re (MPa) est la limite d’élasticité. Elle est bien marquée pour les matériaux ductiles. Re
correspond au seuil d’écoulement plastique.
Rm (MPa) est la résistance limite à la traction. Cette valeur est utilisée pour estimer la limite
d’endurance à la fatigue.
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Chapitre IV
Caractéristiques mécaniques des matériaux
Cours science des matériaux
Re est atteint quand on observe la première chute de l’effort lors de l’essai. En l’absence de ce
phénomène, quand OA n’est pas rectiligne, on doit utiliser la limite conventionnelle d’élasticité
Re0.2 qui correspond à un allongement plastique de 0.2%.
Les aciers austénitiques (certains inox) ont une limite élastique plus faible qui conduit en pratique
à utiliser Re0.2.
2.2
Courbe réelle ou rationnelle
Dans la réalité, la section varie à chaque instant s’éloigne de sa valeur initiale. Il en va de même
pour l’allongement relatif réel. On peut tracer la courbe de traction vraie, ou rationnelle, qui utilise
les sections et déformations réelles à chaque instant et met en évidence le durcissement du matériau
(écrouissage) au cours de la déformation plastique. La déformation réelle est obtenue par intégration
de l’allongement relatif ce qui donne ε = Ln (1+ e). Concernant la contrainte elle sera σ =
F
(1+ e)
S0
Figure 2 : Courbes de traction rationnelle et conventionnelle
2.3
Palier de limite élastique
La courbe brute de certains matériaux tels que les polycarbonate ou l’acier doux recuit montre à
la fin du domaine élastique une chute de contrainte suivie d’un palier qui correspond à une vraie
déformation plastique locale qui se propage sous effort constant.
2.4
Influence de la température sur Re et Rm
Les définitions de Re ou Rm sont conventionnelles car elles dépendent de la section initiale de
l’éprouvette (surtout Rm), de la qualité de l’extensomètre (Re), de la vitesse de mise en charge et de
la température d’essai.
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Chapitre IV
Caractéristiques mécaniques des matériaux
Cours science des matériaux
Figure 3 : effet de la température sur Re et Rm
2.5
2.5.1
Autres caractéristiques mécaniques : A, E, G, ν
Allongement à la rupture : A
L’allongement à la rupture est le rapport
2.5.2
lf - l0
×100 où lf est la longueur à la rupture.
l0
Striction à la rupture : Z
La striction est le rapport
S0 - Sf
×100 où Sf est la section à minimale à la rupture (zone de
S0
striction).
2.5.3
Module d’Young ou module d’élasticité : E
La pente de la partie linéaire représente le module d’Young (en MPa ou GPa).
La mesure de E est obtenue à l’aide d’un extensomètre.
Figure 4 : un extensomètre monté sur une éprouvette de traction
Le module d’Young à 20°C va de 4 MPa pour le caoutchouc à 500 GPa pour les céramiques.
Cette variation très importante est due aux intensités très variables des forces de liaison entre les
atomes ou molécules au sein des matériaux : liaisons covalentes, ioniques,…
La rigidité d’une structure en traction, compression, flexion, est proportionnelle au module
d’Young. La valeur de ce dernier, pour les matériaux isotropes, est indépendante de la direction de
l’effort. Par contre, pour les matériaux anisotropes, tels les stratifiés, les composites orientés, les
monocristaux, E varie avec l’orientation.
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Chapitre IV
Caractéristiques mécaniques des matériaux
Cours science des matériaux
E décroît quand la température. Il varie de façon beaucoup plus importante en fonction de la
température dans le cas des polymères et des composites à matrice organique.
2.5.4
Valeur spécifique du module.
Il est intéressant d’utiliser le rapport du module et de la densité du métal. La valeur de E/ρ est la
valeur spécifique du module : c’est un indice de performance qui tient compte de la déformation
élastique et de l’allègement.
Les métaux peuvent être classés en deux catégories :
• aluminium, fer, magnésium, titane (les plus performants)
26 < E/ρ < 27
• cuivre et zinc (les moins performants)
14 < E/ρ < 15
2.5.5
Coefficient de Poisson : ν
L’éprouvette subit aussi des déformations latérales : le coefficient de Poisson, ou coefficient de
contraction latérale dans le domaine élastique est le rapport sans dimension
ν = εz /εx, avec :εz déformation dans le sens de la traction et εx la déformation dans le sens
transverse.
Ce coefficient, compris entre 10-2 et 0.4, dépend légèrement de la température.
2.5.6
Module de cisaillement : G
Le module de cisaillement G ou module de Lamé ou module de Coulomb, exprimé en MPa ou
GPa, définit le cisaillement élastique consécutif à l’application d’une sollicitation de cisaillement.
Il varie sensiblement comme E en fonction de la température et du type de matériau. Pour les
matériaux isotropes on a la relation : G =
2.6
E
2× (1+ ν)
La résilience
On mesure l’énergie qui provoque la rupture en flexion d’une éprouvette entaillée en U ou en V
(Kcu ou Kcv). L’essai de résilience (essai de Charpy) permet de déterminer la température de
transition d’un matériau qui sépare la rupture ductile, à énergie élevée, et la rupture fragile du type
clivage, de faible énergie.
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Chapitre IV
Caractéristiques mécaniques des matériaux
Cours science des matériaux
Figure 5 : schéma du mouton de Charpy
Les ruptures ductiles sont fibreuses, tourmentées (déformation plastique) ; les rupture fragiles
sont plates ou cristallographiques.
Figure 6 : transition fragile/ductile d’un acier 18NCD laminé.
2.6.1
La ténacité
C’est une caractéristique à la base du concept de tolérance au dommage dans les structures, qui
est basée sur la formulation des contraintes et déplacement au voisinage d’une fissure de géométrie
connue. Le chargement est statique ou dynamique.
Ces conditions déterminent le facteur de concentration de contraintes K, calculé, qui caractérise
l’accroissement des contraintes et des déformations provoqué par la fissure.
La ténacité, Kc, est déterminée expérimentalement au moyen d’éprouvettes pré-fissurées. Elle
correspond à la valeur critique K pour laquelle se produit une propagation brutale d’une fissure de
longueur ac sous une charge Pc.
Kd est la ténacité dynamique qui correspond à la valeur critique de K sous un choc.
3
Essai de dureté
3.1
Définition de la dureté
La dureté est la résistance qu’oppose un matériau à la pénétration d’un corps plus dur, appelé
pénétrateur. Elle s’exprime par le symbole H (HARDNESS).
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Chapitre IV
Caractéristiques mécaniques des matériaux
Cours science des matériaux
Différentes techniques de mesure de dureté existent. Les mesures de dureté permettent de
déterminer de façon non destructive et facilement l’une de caractéristiques de matériaux. Elles sont
complémentaires aux essais de traction uniaxiale.
3.2
Techniques de mesure de dureté
Les essais les plus courants se font par pénétration : le pénétrateur peut être soit une bille soit une
pyramide. Les plus connus sont les essais BRINELL, ROCKWELL et VICKERS. La dureté dépend
à la fois de la limite élastique et de la capacité de durcissement par déformation, puisque des
déformations de l’ordre de 8 à 10 % sont réalisées lors de l’essai. Il est difficile de relier
quantitativement des mesures de dureté faites sur le même matériau par diverses méthodes. Il existe
cependant des tables de correspondance commodes malgré leur caractère approché.
De même, il est difficile de corréler la dureté aux caractéristiques de traction ; cependant pour un
type d’alliage, il est toujours possible de trouver de telles corrélations. De telles correspondances
sont très avantageuses, car les essais de dureté exigent peu de matière et de temps.
3.3
3.3.1
Essai de dureté VICKERS (NF EN ISO 6507-1, NF A 03-253)
Principe de l’essai Vickers (HV)
L’essai consiste à imprimer dans la pièce, un pénétrateur en diamant en forme de pyramide droite
à base carrée, d’angle au sommet égal à 136°, sous une charge P, et à mesurer la diagonale d de
l’empreinte laissée sur la surface après enlèvement de la charge.
HV =
charge de l'essai (kgf)
P
= 1,8544 2
2
aire de l'empreinte (mm )
d
En pratique, on mesure les deux diagonales et on fait la moyenne. En fonction de la valeur
trouvée et de la charge utilisée, des tables donnent directement la dureté HV.
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Chapitre IV
3.3.2
Caractéristiques mécaniques des matériaux
Cours science des matériaux
Charges d’essai
Désignation
Charges (en kgf)
Essai de dureté Vickers
5-10-20-30-50-100
Essai de dureté Vickers sous charges réduite
0,2-0,3-0,5-1-2-2,5-3
3.3.3
Conditions d’exécution de l’essai
• L’essai doit être effectué à température ambiante (23 ± 10 °C) et sur une surface lisse, plane et non
écrouie ;
• La mise en charge doit être faite en 5 à 8 s ;
• La charge d’essai est ensuite maintenue pendant 10 à 15 s ;
• L’épaisseur de la pièce à tester ne doit pas être inférieure à 1,5 × d ;
• La distance entre les centres de 2 empreintes doit être supérieure ou égale à 3 × d ;
• La distance du bord de pièce au centre de l’empreinte doit être supérieure ou égale à 2,5 × d.
3.3.4
Expression de la dureté Vickers
220 HV30 : Dureté Vickers de 220 déterminée sous une charge de 30 kgf pendant 15 s.
Si le temps d’application est diffèrent de 15 s, il est précisé. Ex : 400 HV10/20 (charge 10 kgf,
temps d’application 20 s).
3.3.5
Échelle de dureté
Son échelle s’étend de 0 à 1000 (et plus) et permet de mesurer pratiquement toutes les duretés.
3.4
3.4.1
Essai de dureté BRINELL (NF EN 10003-1 à 3)
Principe de l’essai Brinell (HB)
L’essai consiste à imprimer dans la pièce, une bille de diamètre D, sous une charge P, et à
déterminer le diamètre moyen d de l’empreinte laissée sur la surface après enlèvement de la charge.
HB =
charge de l'essai (kgf)
2.P
=
airedel'empreinte(mm²) π.D.(D - D² - d² )
En pratique, on mesure d et des tables donnent directement la dureté HB. Selon la nature de la
bille, les symboles sont :
• HBS pour l’essai effectué avec une bille en acier traité ;
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Chapitre IV
Caractéristiques mécaniques des matériaux
• HBW pour l’essai effectué avec une bille en carbure de tungstène.
3.4.2
P/D
P =
P =
P =
P =
30D2
10D2
5D2
2D2
3.4.3
Cours science des matériaux
Billes et charges utilisées
Ø 1
30
10
5
2
Ø 2,5
187,5
62,5
31,25
12,5
Ø 5
750
250
150
50
Ø 10
3000
1000
500
200
Matériaux testés
Aciers – Bronzes spéciaux
Laitons
Cuivre – Duralumin – Zinc
Plomb – Etain
Conditions d’exécution de l’essai
• L’essai doit être effectué à température ambiante (23 ± 10 °C) et sur une surface lisse, plane et non
écrouie ;
• La mise en charge doit être faite en 5 à 8 s ;
• La charge d’essai est ensuite maintenue pendant 10 à 15 s ;
• L’épaisseur de la pièce à tester ne doit pas être inférieure à 8 d ;
• La distance entre les centres de 2 empreintes doit être supérieure ou égale 4d ;
• La distance du bord de pièce au centre de l‘empreinte doit être supérieure ou égale à 2,5 × d.
3.4.4
Expression de la dureté Brinell
Ex : 255 HBS 2,5/187,5/15 : Dureté Brinell de 255 obtenue avec une bille en acier de 2,5 de
diamètre sous une charge de 187,5 kgf pendant 15 s.
3.4.5
Échelles de dureté
• Bille en acier traité : de 0 à 450 HBS ;
• Bille en carbure de tungstène : de 0 à 650 HBS ;
3.5
3.5.1
Essai de dureté ROCKWELL (NF EN 10109-1 à 3)
Principe de l’essai Rockwell (HR)
L’essai consiste à imprimer, en deux temps, dans la couche superficielle de l’échantillon à
essayer,
un
pénétrateur
de
type
normalisé
(cône
diamanté
ou
bille
d’acier)
et
à
mesurer
l’accroissement rémanent de la profondeur de pénétration de ce pénétrateur.
HRC = 100-
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h
h
; HRB = 1300.002
0.002
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Chapitre IV
3.5.2
Caractéristiques mécaniques des matériaux
Cours science des matériaux
Symboles et désignations
• F0 : Charge initiale en kgf ;
• F1 : Surcharge en kgf ;
• F : Charge totale en kgf ;
• a : Profondeur de pénétration sous l’effet de la charge initiale avant application de la surcharge ;
• c : Accroissement de la profondeur de pénétration sous l’effet de la décharge ;
• h : Accroissement rémanent de la profondeur de pénétration sous la charge initiale après
enlèvement de la surcharge ;
HR: dureté ROCKWELL;
3.5.3
Pénétrateur et charges utilisés au laboratoire
Essai
HRB
HRC
3.5.4
Pénétrateur
Bille Ø 1,5875 en acier traité
Cône diamant d’angle au sommet égal à 120°
Charges
Po = 10 kgf, P1 = 90 kgf
Po = 10 kgf, P1 = 140 kgf
Conditions d’exécution de l’essai
• L’essai doit être effectué à température ambiante (23 ± 10°C) et sur une surface lisse, plane et non
écrouie ;
• La charge P0 sera appliquée sans choc ni vibration ;
• La surcharge P1 sera appliquée sans choc ni vibration en 2 à 8 s, il n’y a pas de temps de maintien ;
• L’épaisseur de la pièce à tester ne doit pas être inférieure 10 × e ;
• La distance entre les centres de 2 empreintes doit être supérieure ou égale à 2d ;
• La distance du bord de pièce au centre de l’empreinte doit être supérieure ou égale à 1 mm.
3.5.5
Expression de la dureté Rockwell
Chaque essai possède son symbole (ex. 35 HRC, 80 HRB…).
3.5.6
Domaine d’application des échelles usuelles
• HRB : Dureté comprise entre 30 et 100 HRB
• HRC : Dureté comprise entre 20 et 70 HRC
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Chapitre V
Cours science des matériaux
traitements thermiques des aciers
Généralité
Les traitements thermiques ont pour objet de soumettre l’acier à l’action de cycles thermiques
appropriés afin de lui conférer des propriétés particulières adaptées à sa mise en œuvre ou son
utilisation.
Les principaux objectifs poursuivis peuvent être décrits comme suite :
• Produire des modifications de la nature des constituants présents, sans changement de la
composition chimique globale moyenne. Ces constituants peuvent être en équilibre ou hors
équilibre en fin d’opération. Les principaux traitements de ce type sont le traitement de,
durcissement par trempe, le traitement par précipitation, le recuit, le traitement par le froid ;
• Produire des modifications microstructurale de la dimension de la forme et de la répartition des
constituants sans modifier leur nature. Les principaux traitements de ce type sont le recuit de
globularisation,
le
traitement
d’affinage
structural,
le
recuit
de
grossissement
du
grain,
le
traitement de recristallisation, le traitement de normalisation ;
• Provoquer la formation de microstructures favorables, par exemple à l’usinage ou à la mise en
forme par déformation à froid. Les principaux traitements de ce type sont le traitement
d’adoucissement, le patentage, le revenu classique ;
• Éliminer ou réduire les contraintes internes propres ou modifier leur répartition, avec modification
de la microstructure. Le revenu de détente ou de détensionnement en est l’exemple le plus
courant ;
• Provoquer le rétablissement au moins partiel des propriétés physiques ou mécaniques d’un acier
écroui sans modification apparente de la structure par le traitement de restauration ;
• Atténuer les hétérogénéités de composition chimiques par un recuit d’homogénéisation.
Le tableau qui suit résume les principaux traitements thermiques.
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Chapitre V
1
traitements thermiques des aciers
Cours science des matériaux
Recuits et traitements connexes
1.1 Objectifs et principes
Au cours de son histoire, un acier peut se trouver dans des états hors d’équilibre provoqués par
des traitements thermiques ou mécaniques antérieurs.
Exemples :
• Ségrégations au cours du processus de solidification ;
• Écrouissage par déformation à froid ;
• Contraintes de soudage, etc.
Un certain nombre de traitements thermiques sont adaptés à l’élimination ou à la réduction des
effets néfastes de tels états, en vue d’opérations ultérieures sur le métal ou de l’utilisation en service
correcte de l’acier.
Parmi ceux-ci, les recuits forment un ensemble de traitement visant l’obtention d’états proches de
l’équilibre stable. Le cycle thermique du traitement comprend :
• Un chauffage jusqu’à une température dite de traitement qui dépend du type de correction à
réaliser et est liée aux difficultés énergétiques des processus microphysiques intervenant ;
• Un maintien isotherme à la température de traitement ou des oscillations autour de cette
température ;
• Un refroidissement à l’aire ou au four selon une loi programmée. La vitesse de refroidissement
doit être en générale inférieure à la vitesse de refroidissement critique du recuit V3.
Département du Génie Mécanique
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Chapitre V
Cours science des matériaux
traitements thermiques des aciers
1.2 Divers type de traitement
1.2.1
Recuit complet
Il comprend un maintien vers Ac3 + 50 °C pour les aciers hypoeutectoïdes ou Ac1 + 50°C pour
les hypereutectoïdes suivi d’un refroidissement lent au four surtout à la traversée de l’intervalle
critique de transformation.
Dans le cas des hypoeutectoïdes, la ferrite et la perlite formées sont relativement grossières :
résistance et dureté faibles et ductilité élevée. Dans le cas des hypereutectoïdes, la globularisation
partielle de la cémentite proeutectoïde permet d’éviter l’augmentation de la fragilité dynamique liée
à la présence de carbures en réseau inter granulaire.
1.2.2
Recuit d’homogénéisation ou de diffusion
Lors de la première solidification (acier brut de coulée, acier moulé), se manifeste des
phénomènes de ségrégation mineure : les éléments alliés et le carbone sont répartis de manière
hétérogène à l’échelle du grain austénitique. Cette hétérogénéité chimique, qui se conserve plus ou
moins lors des transformations ultérieures, est néfaste pour les propriétés du métal (réponse aux
traitements thermiques de trempe, formation de structures en bande lors du laminage, difficulté de
travail à chaud).
Pour
éliminer,
ou
d’homogénéisation.
Il
au
moins
consiste
réduire,
à
cette
maintenir
hétérogénéité,
le
métal
on
dans
fait
le
appel
domaine
à
un
recuit
austénitique.
L’homogénéisation à donc lieu par diffusion en phase γ à une vitesse d’autant plus grande que la
température de maintien est élevée, le coefficient de diffusion étant une fonction fortement
croissante
de
la
température D = D0 ⋅ Exp(
-ΔH
).
RT
Cependant,
les
températures
pratiquement
utilisables sont limitées :
Par les risques de fusion partielle accompagnée d’oxydation interne avec altération sévère des
joints de grains : c’est le phénomène de brûlure. La régénération du métal devient impossible par
traitement thermique ou mécanique ;
Par les risques de surchauffe entraînant un grossissent inacceptable du grain austénitique, sans
altération prononcée des joints mais généralement accompagnée d’une dégradation des propriétés
mécaniques. Un métal surchauffé peut être régénéré par un traitement thermique et/ou une
déformation plastique appropriée.
La température du traitement d’homogénéisation par diffusion est généralement comprise entre
1000 et 1200 °C.
1.2.3
Traitement d’affinage structural
Les pièces ayant subi un traitement d’homogénéisation par diffusion, les moulages d’acier, les
zones voisines des joints soudés, les pièces forgées à haute température, le cœur des pièce
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cémentées,
etc.,
ont
souvent
traitements thermiques des aciers
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des structures surchauffées. Cependant, la présence d’éléments
carburigènes ou favorisant la formation de nitrures (aciers calmés à l’aluminium) peut limiter le
grossissement du grain γ.
Les aciers présente à la traversée de l’intervalle critique une transformation conduisant à une
multiplication des grains lors du chauffage ; ce phénomène permet la régénération d’une structure
surchauffée.
Le recuit de régénération comprend :
Un chauffage sans maintien prolongé, à une température légèrement supérieure à Ac3 (Ac1 pour
les hypereutectoïdes), de manière à obtenir une austénite à grains fins ;
Un refroidissement à vitesse convenable conduisant à une structure ferrito-perlitique fine (cas des
aciers hypoeutectoïdes). Le refroidissement ne doit pas être trop lent au alentours de Ar1 (750600 °C), le grain ferritique ayant tendance à croître dans cette zone, surtout dans le cas des aciers
doux.
1.2.4
Traitement de normalisation
Ce traitement comme le recuit complet, conduit à des structures ferrite-perlite. Cependant, la
température de maintien est plus élevée dans le cas des aciers hypoeutectoïdes et au–dessus de Accm
pour les hypereutectoïdes. En outre, le refroidissement à l’air calme utilisé est plus rapide que le cas
de recuit complet. Les structures ferrito-perlitiques obtenues correspondent donc à des grains de
ferrite fins et à des faibles espacements lamellaires dans la perlite. Ces microstructures très
homogènes peuvent être recherchées dans certaines applications mécaniques et constituent un état
initial optimal pour les traitements d’austénitisation avant trempe.
1.2.5
Traitement d’adoucissement
Il est effectué quelques dizaines de degrés au-dessous de Ac1 avec un refroidissement consécutif
lent pour obtenir un état suffisamment adouci et aussi exempt de contraintes que possible.
Ce traitement a pour but d’améliorer l’usinabilité ou l’aptitude à la déformation à froid.
1.2.6
Recuit de sphéroïdisation ou de globularisation
Si, dans l’aptitude à la déformation à froid, il faut tenir compte de la capacité de déformation (par
exemple pour le filage), on cherche en général à obtenir une structure globularisée de la cémentite.
Ce recuit comprend successivement :
• Un chauffage juste au-dessous de Ac1 ;
• Un maintien prolongé à cette température, ou éventuellement une série de refroidissements et de
réchauffages entre deux températures voisines situées de part et d’autre de Ac1 (recuit oscillant) ;
• Un refroidissement consécutif lent de manière à obtenir une coalescence poussée de la cémentite.
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Chapitre V
traitements thermiques des aciers
Cours science des matériaux
La globularisation peut être obtenue beaucoup plus facilement par un revenu prolongé en dessous
de Ac1 d’une structure martensitique.
1.2.7
Traitement de restauration et de recristallisation
Le travail à froid d’un métal par déformation plastique conduit à un écrouissage du métal. Une
structure écrouie est caractérisée par une forte déformation orientée des grains, voire une disparition
des joints de grains. Une structure écrouie contient de très fortes densité de défauts : lacunes et
dislocations en particulier.
Au point de vue macroscopique, l’écrouissage d’un métal conduit à une augmentation de Rm, de
Re et H et une diminution de A % et de K
1.2.7.1
Traitement de restauration
Effectué en dessous de la température de recristallisation, il permet de restaurer, en partie tout au
moins, les propriétés mécaniques et physiques sans modification apparente de la structure. Il n’y a
pas formation de nouveaux grains et le processus se déroule régulièrement.
Des processus microphysiques affectent les défauts :
• Annihilation partielle des lacunes et des dislocations ;
• Réarrangement
en
parois
de
certaines
dislocations
limitant
des
blocs
cristallins
faiblement
désorientés et quasi parfaits : phénomène de polygonisation.
Ces modifications ne sont détectables qu’en microscopie électronique à transmission.
1.2.7.2
Traitement de recristallisation
Il est effectué dans la zone de recristallisation située au dessus d’une température qui dépend de
la nuance de l’acier et de son degré d’écrouissage. La structure distordue et écrouie par le travail
mécanique à froid est remplacée par une nouvelle structure à grains reformés. Cette transformation
est accompagnée d’un diminution de Rm, Re et H et d’une augmentation de A % et K
Lorsqu’on porte un métal écroui à sa température de recristallisation primaire, il y a germination
de nouveaux grains puis croissance jusqu’au contact mutuelle :
• La température de recristallisation s’abaisse quand le taux d’écrouissage croît ;
• La grosseur du grain diminue, pour une même température de recuit si le taux d’écrouissage croît.
La recristallisation ne débute pour une même température qu’à partir d’un taux critique de
déformation.
1.2.8
Traitement de relaxation ou de détensionnement
Le refroidissement rapide de fortes sections après austénitisation, la trempe des aciers, les
opérations de soudage, d’usinage, de travail à froid sont susceptibles d’engendrer un état de
contraintes résiduelles souvent dommageable pour les pièces ou pour les structures métalliques.
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traitements thermiques des aciers
Cours science des matériaux
Les contraintes résiduelles sont éliminées ou réduites par traitements thermiques subcritiques
dans des zones de température inférieure ou recouvrant celles utilisées pour la recristallisation. Les
vitesses de chauffage et de refroidissement doivent être suffisamment faibles pour ne pas introduire
de nouvelles contraintes ou même provoqué des fissurations au cours du traitement.
Essentiellement dû à la restauration et au fluage, le phénomène de relaxation ne modifie
pratiquement pas les propriétés mécaniques du matériau, contrairement à la recristallisation. En
particulier, on peut détensionner en surface une pièce déformée à froid tout en conservant le
bénéfice de l’augmentation de dureté due au phénomène d’écrouissage. La figure qui suit illustre les
diverses zones de température utilisées pour les principaux traitements décrits ci-dessus.
1.3 La trempe
La possibilité de faire subir un acier un durcissement par trempe est soumise à deux conditions
indispensables : métallurgique et thermique.
1.3.1
Condition métallurgique
Existence d’un domaine austénitique (γ) sur le diagramme d’équilibre, de manière à pouvoir
austénitiser l’acier en le portant à un e température convenable ;
Existence d’une transformation (γ Æ α) sur le diagramme d’équilibre. La ferrite (CC) et la phase
stable à température ambiante.
Les aciers correspondant ont, à la température ambiante, à l’état recuit, une constitution
ferrite+perlite ou perlite + carbures ou plus généralement ferrite+carbures. En contrepartie, les aciers
constamment ferritiques ou constamment austénitiques ne peuvent pas subir de durcissement par
trempe : les premiers parce qu’ils ne sont pas austénitisables, les seconds parce que la phase (γ) est
stable à température ambiante.
1.3.2
Condition thermique
Possibilité de refroidir l’acier à une vitesse suffisante à partir de l’état initial austénitique de
manière à provoquer la formation de constituants hors équilibre recherchés. On appelle trempe
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traitements thermiques des aciers
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l’opération qui consiste à refroidir un alliage plus rapidement qu’à l’air calme. L’expression
« trempe à l’air » est incorrecte et le mot trempe n’est absolument pas synonyme de durcissement.
Austénitisation avant trempe
L’austénitisation est l’opération au cours de laquelle le produit ferreux est porté à une
température telle que la constitution devienne austénitique
Paramètres d’austénitisation
Les paramètres sont :
• La température d’austénitisation Ta. Pour les aciers hypoeutectoïdes, on choisit en générale
Ta = Ac3 + (25 à 50 °C) ;
• La durée d’austénitisation : ta. Cette durée est fonction de la massivité de la pièce.
Le temps de maintien doit être contrôlé pour éviter le phénomène de grossissement des grains
austénitiques pour des maintiens prolongés.
1.4 Transformations isothermes de l’austénite
L’emploi de cycles de refroidissement comportant des paliers isothermes permet de séparer
l’influence du temps et de la température sur les transformations de l’austénite. Un échantillon de
faibles dimensions est austénitisé puis rapidement très rapidement jusqu’à une température Ti < Ac1,
puis maintenu à cette température. Lors du passage rapide de Ta à Ti, l’austénite ne subit aucune
évolution.
Au cours du maintien isotherme Ti l’austénite se transforme dans des conditions hors d’équilibre.
Des techniques micrographiques et dilatométriques permettent de suivre ces transformations en
fonction du temps pour une série de températures de maintien Ti, et de déterminer la nature des
constituants formés.
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traitements thermiques des aciers
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Le document expérimental rassemblant les résultats de l’étude constitue le « diagramme de
transformation de l’austénite en conditions isothermes », ou diagramme TTT isotherme. Il dépend
de l’acier étudié et des conditions d’austénitisation imposées.
Les notations suivantes sont utilisées pour désigner les divers constituants présents :
A : austénite hors d’équilibre ; F : ferrite ; M : martensite ; C : carbures formés lors des
transformations de l’austénite ; c : carbures non dissous au cours de l’austénitisation ; P : perlite ;
B : bainite.
1.4.1
Type de transformation de l’austénite en conditions isothermes
Il existe deux classes de transformations : avec ou sans diffusion.
1.4.1.1
Transformation avec diffusion
Lorsque la température de maintien Ti est comprise entre celle du point Ae1 et celle de point Ms,
les transformations isothermes de l’austénite conduisent à des agrégats ferrite-carbure : AÆF+C
mettant en œuvre des diffusions qui régissent la cinétique de ce type de transformations.
À une température de maintien isotherme Ti déterminée, la transformation de A débute après un
certain temps d’incubation t0 et est terminer au bout du temps t1. Entre t0 et t1 l’austénite se
transforme progressivement en (F+C) et les moyens expérimentaux permettent d’évaluer le temps ty
au bout duquel la fraction massique y d’austénite s’est transformée.
En faisant varier Ti on détermine :
• t0 (Ti) : début de transformation de A (y ≈ 0) ;
• t1 (Ti) : fin de transformation de A (y ≈ 1) ;
• ty (Ti) : fraction massique de y de A transformée.
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traitements thermiques des aciers
Cours science des matériaux
On peut ainsi tracer un faisceau de courbes isoausténitiques définissant pour chaque valeur de Ti
la cinétique de la transformation de l’austénite.
Tant que Ti est supérieure au point Ms, cette cinétique est gouvernée par :
• La tendance γ (CFC) Æα (CC), d’autant plus qu’on s’éloigne de A1 ;
• La tendance à la formation corrélative de carbure, d’autant plus difficile que Ti est plus basse
(diminution des vitesses de diffusion du carbone et des éléments alliés).
Cette cinétique est plus ou moins complexe et, dans les cas les plus simples (domaine perlitique)
peut être décrit par une loi du type Johnson-Mehl-Avrami : y = 1 − Exp(−(kt ) n )
Où y est la fraction massique de A transformée et k et n des coefficient expérimentaux. Mais,
dans la plupart des cas, les courbes expérimentales ne sont pas interprétables simplement, en
particulier dans le domaine de recouvrement des zones perlitique et bainitique.
En fait, dans cette classe de transformations avec diffusion [AÆF+C], on a mis en évidence deux
types
distincts,
correspondant
à
deux
mécanismes
différents
de
formation
de
l’agrégat
ferrite+carbure (F+C).
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traitements thermiques des aciers
1.4.1.1.1
Cours science des matériaux
Transformation perlitique.
Elle intervient pour les températures élevées du domaine des transformations isothermes de
l’austénite. L’agrégat (F+C) formé est du type perlitique lamellaire. La phase nucléante est le
carbure. La croissance coopérative des lamelles se fait sans relation cristallographique avec la phase
mère
(A).
L’espacement
inter
lamellaire
diminue
avec
la
température,
conduisant
à
des
microstructures très fines pour des valeurs de Ti situées dans la zone inférieure du domaine
perlitique. Il s’ensuit que le constituant formé à une dureté d’autant plus élevée que sa température
de formation est plus basse.
La transformation perlitique fait intervenir d’importants phénomènes de diffusion du carbone et
des éléments alliés en substitution dans A. Les carbures formés sont soit des cémentites alliées, soit
des carbures alliés pour les éléments les plus carburigènes.
1.4.1.1.2
Transformations bainitiques
Au fur et à mesure de Ti s’abaisse, la diffusion des éléments alliés en substitution devient plus
difficile
et
la
transformation
perlitique
et
progressivement
remplacée
par
une
nouvelle
transformation dite bainitique.
Dans la transformation bainitique, la phase nucléante est la ferrite. Elle se forme par cisaillement
du réseau de l’austénite par germination selon les plans octaédriques de A. les carbures (C) formés
sont essentiellement des carbures de fer, le carbone étant le seul élément ayant un coefficient de
diffusion suffisamment élevé.
On distingue deux types de bainite :
Bainite supérieure : dans la zone supérieure du domaine bainitique, la ferrite se forme en
« lattes » les plaquettes de carbure de fer précipitant entre ces lattes à peu prés parallèlement à elles.
La présence interlattes de la phase carbure fragile confère à la bainite supérieure de mauvaises
caractéristiques de résilience ;
Bainite inférieure : dans la zone inférieure du domaine bainitique, la ferrite formée est de plus en
plus aciculaire. La température Ti étant relativement basse, la diffusion du carbone devient à son
tour difficile. De ce fait, les aiguilles de ferrites sont sursaturées en carbone au moment de leur
formation. Les carbures de fer ε précipitent à l’intérieur des aiguilles de ferrites sous forme de
plaquettes très fines, semi cohérentes avec la matrice ferritique ((001)ε//(011)α) et formant un angle
de 55à 65 ° avec l’axe de l’aiguille de ferrite. La présence de ces fins précipités de carbures conduit
à un durcissement par précipitation de la matrice ferritique, conférant à la bainite inférieure un
excellent compromis entre la limite élastique et la résilience.
En résumé il existe trois types de transformations en conditions isothermes donnant trois types
d’agrégats (F+C) de microstructures différentes, chacune de ces transformations correspond à un
faisceau en « C » d’isoausténitiques. Selon la nuance d’acier, ces divers domaines se recouvrent plus
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traitements thermiques des aciers
Cours science des matériaux
ou moins et dans certains cas ne sont pas séparés. Pour les aciers hypoeutectoïdes, on peut délimiter
ainsi très approximativement les trois domaines suivants :
AÆP : 750 à 600°C ;
AÆB supérieure : 600 (Bs)* à 400 (Bf)* ;
AÆ B inférieure : 550 à en dessous de Ms.
1.4.1.2
Transformation sans diffusion ou martensitique
Lorsque la température Ti est inférieure à Ms (martensite start) caractéristique de la nuance et des
conditions d’austénitisation, la transformation de l’austénite prend un caractère très différents en
donnant naissance à un constituant particulier, la martensite (M).
1.4.1.2.1
Caractéristiques de la transformation martensitique AÆM
En dessous de Ms, la diffusion du carbone devient très difficile et la transformation martensitique
est une transformation sans diffusion. Elle est quasi instantanée et, à chaque température Ti, une
fraction déterminée d’austénite se transforme en martensite ; un maintien isotherme ne modifie pas
le taux d’avancement de la réaction. Les courbes isoausténitiques sont des parallèles à l’axe des
temps.
Pour un refroidissement très rapide de Ta à Ti < Ms, l’évolution de la transformation AÆM est
décrite par la relation empirique proposée par Koistinen et Marburger :
y = 1 − Exp[− k ( Ms − Ti ) n ]
Où y est la fraction de A transformée en M, et k et n sont des coefficients expérimentaux. Pour
les aciers hypoeutectoïdes non alliés et faiblement alliés k = 0.011 (valeur statistique moyenne) et n
= 1. On peut définir les points M50, M90, M95, etc., pour lesquels les fractions massiques de M
correspondent à 0.5 ; 0.9 ; 0.95.
Selon la relation de Koistinen le point Mf (martensite finish) température à laquelle la
transformation AÆM est terminée, ne peut pas être strictement déterminé et il est lié à la sensibilité
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traitements thermiques des aciers
Cours science des matériaux
des méthodes de dosage des phases A ou M ; cependant, on peut par souci de simplification y faire
référence.
Si la température Ti est telle que Ms > Ti > Mf, la transformation martensitique est incomplète.
L’austénite non transformé à Ti est dite résiduelle Arés à cette température. Pour un refroidissement
très rapide à partir de Ta et jusqu’à Ti < Ms, la fraction massique Arés et d’après Koistinen :
yARés = Exp[−0.011× ( Ms − Ti )] dans les conditions de la figure précédente.
Nota : si le maintien isotherme ne fait pas évoluer la transformation AÆM, il peut :
Stabiliser A vis-à-vis d’une transformation en martensite lors d’un refroidissement ultérieure ;
Transformer Arés en un autre constituant, par exemple en bainite inférieure ;
Conduire à un autorevenu de M, si Ti et suffisamment élevée.
La transformation martensitique devient fortement dépendante du temps si Ti est inférieure
à -100°C -150°C selon les nuances.
1.4.1.2.2
Caractéristiques de la martensite
La martensite est obtenue par cisaillement complexe du réseau de l’austénite, ne mettant donc en
jeu que des déplacements des ions inférieurs aux distances inter-ioniques de la structure cristalline.
Elle apparaît à l’échelle micrographique sous forme de plaquettes finement maclées ou encore de
« lattes » à forte densité de dislocations pour les teneurs en carbone inférieure à 0.6 %. La figure qui
suit représente la formation schématique d’une plaquette de martensite. Les germes de cisaillement
sont induits par des concentrations locales de contrainte. La formation d’une plaquette est associée à
celle d’un microrelief sur une surface préalablement polie.
La diffusion n’intervient pas lors de la transformation martensitique, la martensite à la même
composition que l’austénite initiale, qui peut être différente de celle de l’acier si l’austénitisation est
partielle. En particulier, la martensite est sursaturée en carbone par rapport à une ferrite d’équilibre.
La martensite à une structure cristalline quadratique ou tétragonale centrée dans laquelle les
atomes de carbone en insertion occupent préférentiellement les sites z
Le rapport de quadricité c/a dépend essentiellement de la teneur en carbone. Roberts a donné la
relation empirique suivante :
c
= 1+ 0.045× (%C)
a
La formation de la martensite correspond au passage d’une structure CFC à une structure voisine
du CC, moins compacte, se fait avec augmentation du volume.
La martensite est un constituant de dureté élevée pour les aciers ordinairement utilisés en
traitements thermiques. Cette dureté est due à une forte densité de dislocations associée à un cas
extrême de durcissement par mise en solution solide d’insertion du carbone. Cette dureté dépend
surtout de la teneur en carbone de M ; une martensite à 0.4 % C à une dureté de l’ordre HRC 60
(700 HV). À ces duretés élevées sont associées de très faibles résiliences.
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Chapitre V
traitements thermiques des aciers
1.4.2
Cours science des matériaux
Traitements thermiques isothermes industriels des aciers
1.4.2.1
Trempe étagée martensitique (martempering)
Après austénitisation, la pièce est portée et maintenue à une température légèrement supérieure à
Ms. Le refroidissement doit être suffisamment rapide pour éviter toute transformation de l’austénite
avant Ms, ce qui limite se traitement à des pièces de faibles dimensions et à des nuances dont les
temps de d’incubation minimaux (« nez ») sont suffisamment élevés.
Le but est d’homogénéiser la température de la pièces avant la transformation martensitique : le
séjours au dessus de Ms doit être suffisant mais rester inférieure à t0 pour éviter un début de
transformation bainitique. La transformation AÆM se fera ensuite à peu prés simultanément dans
toute la pièce et les gradients thermiques seront faibles, d’où une diminution des contraintes et
risques de déformation et tapures. En plus de la limitation des massivités des pièces traitables, les
caractéristiques mécaniques après revenu sont légèrement inférieures à celles obtenues par trempe
classique et revenu.
1.4.2.2
Trempe étagée bainitique (austempering)
Après austénitisation, la pièce est portée et maintenue à une température légèrement supérieure à
Ms. Contrairement au cas du martempering, le maintien est suffisant pour que la transformation
bainitique ait lieu totalement ou partiellement si t1 est trop élevé. Dans ce dernier on obtiendra une
structure B+M après retour à la température ambiante. Le traitement parfaitement isotherme réduit
au minimum les déformations de trempe. En outre la bainite inférieure a des caractéristiques Re, K
au moins aussi bonnes que celle d’une martensite revenue. La suppression du revenu est également
intéressante pour les nuances présentant une haute fragilité de revenu et pour les pièces de faibles
dimensions et de formes compliquées.
1.4.2.3
Recuit isotherme.
Après austénitisation, l’acier est porté à Ac1-25 °C et maintenu à cette température : on obtient
une structure F+P pour les aciers hypoeutectoïdes.
Dans le cas des aciers de trempabilité élevée, le recuit classique exige de refroidissements très
lents. On procède dans ce cas à un recuit isotherme au niveau du « nez » perlitique. Si la dureté est
trop élevée, on fait suivre ce traitement par un traitement d’adoucissement.
Il est à noter que le choix d’une température d’austénitisation proche de Ac3 favorise la formation
de perlite globulaire, tandis qu’une température d’austénitisation plus élevée favorise l’obtention de
perlite lamellaire.
1.4.2.4
C’est
laminage)
un
en
Austéniformage (ausforming)
traitement
phase
thermomécanique
austénitique
Département du Génie Mécanique
avant
qui
consiste
transformation
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en
une
déformation
martensitique.
Cela
intense
exige
(forgeage,
d’utiliser
des
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traitements thermiques des aciers
Cours science des matériaux
nuances dont le digramme présente des domaines : perlitique et bainitique séparés par une zone de
déformation austénitisation. Cet important écrouissage augmente considérablement la densité des
dislocations de la phase austénitique conduisant ensuite à une martensite beaucoup plus fine et à des
caractéristiques améliorées après revenu (précipitation de carbures très fins). Le gain sur Re et Rm
peut être de 25 % à 50 %.
De manière générale, les transformations isothermes sont influencées par l’état de contrainte du
matériau. Ainsi, au cours de l’austéniformage, les courbes limites du diagramme TTT se déplacent
vers la gauche (diminution de t0).
1.5 Transformations anisothermes de l’austénite.
Des échantillons de faibles dimensions, après austénitisation, sont soumis à des vitesses de
refroidissement différentes selon l’échantillon, allant de quelques degrés par heures à plusieurs
centaines
de
degrés
par
seconde.
On
peut
ainsi
simuler
approximativement
les
lois
de
refroidissement caractérisant les différents endroits d’une pièce selon sa massivité et selon le milieu
de trempe utilisé lors d’un refroidissement continu ou anisotherme.
Les
transformations
de
l’austénite
au
cours
du
refroidissement
continu
sont
suivies
par
dilatométrie absolue.
Le
dépouillement
qualitatif
et
quantitatif
des
enregistrements
dilatométriques
permet,
pour
chaque loi de refroidissement, de préciser les limites des divers domaines de transformation de A
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traitements thermiques des aciers
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ainsi que le taux de transformation de l’austénite en les divers constituants. Les examens
micrographiques permettent de préciser et de confirmer les résultats de l’analyse dilatométrique. Les
résultats expérimentaux sont rassemblés sur un diagramme T(°C)/log10(t). On y délimite les
différents domaines de transformation, avec superposition des divers loi de refroidissement étudiées,
enregistrées simultanément. Les documents obtenus sont appelés diagramme TRC (transformation
en refroidissement continu).
1.5.1
1.5.1.1
Diagramme TRC
Exemple nuance 41Cr4
Les transformations anisothermes de A sont du même type qu’en conditions isothermes. On
retrouve sur les diagrammes TRC : les domaines ferritique, perlitique, bainitique, martensitique,
précédés par le domaine de l’austénite hors d’équilibre en dessous de Ae1 (remplacé par Ac1).
L’évolution de A se lit le long des courbes de refroidissement rapportées sur le diagramme
La courbe 1 correspond à peu prés à l’évolution T(t) au centre d’un rond de ø 10 refroidi à l’eau.
La courbe 12 correspond à peu prés à l’évolution T(t) à la surface d’un rond de ø 900 refroidi à l’air.
Le faisceau 1 à 12 représente donc un éventail étendu de conditions de refroidissement.
Les nombres indiqués le long d’une courbe de refroidissement indiquent les pourcentages
massiques du constituant formé dans le domaine qu’on vient de quitter.
Courbe 8 : après un temps d’incubation de 200 s, la transformation de A débute à 675 °C par la
formation de 15 % (yF = 0.15) de ferrite pro-perlitique, puis de 20 % de perlite (yP = 0.2). Entre 580
°C, fin du domaine perlitique, et 485 °C, aucune transformation. À cette dernière température, on
pénètre dans le domaine bainitique qui s’achève à 360 °C, après formation de 40 % de bainite
(yB = 0.4). Après un nouveau domaine de stabilité (360-285 °C), l’austénite non transformée (25 %)
va donner de la martensite (yM = 0.25). on néglige pour cette nuance la présence éventuelle
d’austénite résiduelle (Arés).
L’acier aura la température ambiante la constitution suivante : yF = 0.15 ; yP = 0.20 ; yB = 0.4 ;
yM = 0.25 et sa dureté et de 36HRC
Le tableau qui suit résume les constitutions obtenues après refroidissement jusqu’à la température
ambiante selon les courbes de refroidissement de 1 à 12 en supposant yArés = 0.
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traitements thermiques des aciers
courbes
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1.5.1.2
yF
0
0
0
0
0
0.02
0.03
0.15
0.35
0.40
0.40
0.40
yP
0
0
0
0
0
0.04
0.20
0.5
0.35
0.40
0.40
0.60
yB
0
0
0
0.07
0.20
0.40
0.60
0.40
0.05
0
0
0
Cours science des matériaux
yM
1
1
1
0.93
0.80
0.58
0.33
0.25
0.10
0
0
0
HRC
59
59
56
53
50
42
38
36
27
20
18
214 HV
Remarques générales
La ligne en tirets, sur le diagramme TRC cité comme exemple, dans les domaines bainitique et
ferrito-perlitique correspond à un taux de transformation de l’austénite de 50%.
Pour un même acier et des conditions d’austénitisation identiques, les débuts de transformation
de l’austénite en refroidissement continu sont déplacés vers le bas et vers la droite par rapport aux
transformations en conditions isothermes. En effet, un refroidissement continu correspond à une
suite de séjours isothermes élémentaires à des températures où les temps d’incubation sont très
grands. Si on admet l’additivité des fractions des temps d’incubation (Scheil), il est facile de justifier
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Chapitre V
traitements thermiques des aciers
Cours science des matériaux
la propriété énoncée en comparant les diagrammes TTT isothermes et anisothermes d’une même
nuance.
S’il y a formation de bainite ou de ferrite-perlite avant la transformation martensitique, la
température de début de celle-ci s’abaisse. Tout se passe comme s’il y avait enrichissement de
l’austénite et éléments alliés.
Exemple : pour l’acier 41Cr4
Ms = 320 °C pour 1, 2 et 3
M’s = 275 °C pour 9.
Pour certaines applications, il est important de pouvoir représenté une loi de refroidissement par
un seul paramètre suffisamment significatif. On emploi en général
Soit la vitesse de refroidissement instantanée à 700 °C :
(Vr)700°C = -(
dT
)700°C ;
dt
Soit l’intervalle de temps nécessaire pour passer de 700 à 300°C (intervalle moyen dans lequel
sont susceptibles d’intervenir les transformations avec diffusion : (Δt)300
700 . Cela revient à caractériser
300
=
la loi de refroidissement par la vitesse de refroidissement moyenne V700
700 - 300
.
(Δt)300
700
1.6 Trempabilité
1.6.1
Définition qualitative
Pour des raisons exposées par la suite, le résultat idéal de toute trempe par refroidissement
continu devrait être la transformation intégrale de l’austénite en martensite (en supposant Mf audessus de la température du milieu de trempe). Il faudrait donc que A ne subissent aucune
transformation avant Ms, c’est-à-dire que la courbe de refroidissement ne pénètre pas dans les
domaines ferritique, perlitique ou bainitique. Les données contenues dans le diagramme de TRC
montrent qu’il sera plus ou moins facile d’obtenir une constitution purement martensitique à partir
de l’état austénitique. La trempabilité caractérise cette plus ou moins aptitude.
On peut donner comme définition au sens large, de la trempabilité d’un acier, son aptitude
relative à éviter la formation d’agrégats ferrite+carbure (F+C), lors de refroidissements de plus en
plus lents de Ta à Ms.
La trempabilité est donc métallurgiquement définie par le pouvoir de germination de l’austénite
initiale vis-à-vis de la ferrite ou des carbures.
Autrement dit, plus le refroidissement qui entraîne la transformation AÆF+C est lent, plus la
trempabilité de l’acier est élevée.
De manière plus directe, plus l’effort technique pour éviter la formation de F, P ou B est grand
moins bonne est la trempabilité.
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Chapitre V
traitements thermiques des aciers
On obtient une structure purement martensitique à cœur d’un rond de ø 10 :
Cours science des matériaux
Par refroidissement à l’eau pour l’acier 2C60
Par refroidissement à l’air pour l’acier 35NiCrMo16.
La nuance 35NiCrMo16 a une trempabilité plus élevée que la nuance 2C60.
1.6.2
Facteurs influençant la trempabilité
L’étude des transformations anisothermes de l’austénite permet de préciser les facteurs qui
influent sur la trempabilité. De manière générale, tout facteur agissant sur le temps d’incubation AÆ
F+C, c’est-à-dire sur les vitesses de germination de F ou C, a une action directe sur la trempabilité :
• La mise en solution d’éléments alliés dans l’austénite (sauf Co) en retardant la germination des
carbures permet d’augmenter la trempabilité. Cela explique le recours aux nuances alliées pour
résoudre des problèmes de trempe non traitables à l’aide d’aciers ordinaires. En revanche, la
présence de propriétés ou d’inclusions peut apporter des sites de germination exogènes et diminuer
la trempabilité. Il est donc apparent qu’un gain de trempabilité est obtenu en ayant recours à des
nuances plus alliées et d’une propreté plus grande (élaboration sous vide,…) ;
• Les conditions d’austénitisation, en fixant la grosseur de grain austénitique Ga et l’homogénéité
chimique de A, ont une influence importante sur la trempabilité. Une diminution de Ga améliore la
trempabilité mais dégrade la plupart des propriétés mécaniques. On n’emploie donc jamais ce
moyen pour augmenter la trempabilité d’un acier.
1.6.3
Courbe de pénétration de trempe
Lors de la trempe d’une pièce, la vitesse de refroidissement varie d’un point à un autre. Pour un
milieu de trempe déterminé et une dimension de pièce donnée, on peut attacher à chaque point de la
pièce une loi de refroidissement. La différence de trempabilité entre des nuances différentes d’acier
se traduit par une différence de pénétration de trempe, notion techniquement importante.
Cette pénétration de trempe peut être quantifiée par mesure de la dureté après traitement, en
fonction de la position dans la pièce. Bien qu’elles soient de détermination expérimentale difficile, il
est intéressant de commenter la forme des courbes en « U » obtenues sur des pièces cylindriques.
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traitements thermiques des aciers
Chapitre V
1.6.4
Cours science des matériaux
Détermination de la trempabilité
Il existe plusieurs moyens pour définir une expression « quantitative » de la trempabilité :
• Utilisation des diagrammes TRC ;
• Utilisation de l’essai Jominy ;
• Détermination du diamètre critique idéal.
1.6.4.1
Utilisation des diagrammes TRC
L’exploitation du faisceau des lois de refroidissement permet de déterminer, soit directement, soit
le plus souvent par interpolation entre deux courbes voisines, la vitesse minimale de refroidissement
à réaliser pour éviter la formation d’agrégats F+C.
Cette vitesse appelée « vitesse de refroidissement critique martensitique », est mesurée à 700 °C
300
par (Vr700 )1 ou exprimée par (Δt 700
)1 . Elle constitue une expression quantitative intéressante de la
trempabilité d’un acier austénitique dans des conditions déterminées.
1.6.4.2
Utilisation de l’essai Jominy
L’essai Jominy a pour but l’obtention, en une seule opération sur une éprouvette normalisée,
d’indications globales sur la trempabilité d’un acier. Cet essai est décrit dans la norme NF A 04-303.
Il est mené en trois étapes :
• Austénitisation d’une éprouvette usinée dans l’acier à tester et de dimensions normalisées ;
• La température Ta est fixée dans la norme ou le cas échéant dans le cahier des charges ;
• Refroidissement en bout par un jet d’eau dans des conditions imposées ;
• Mesure des duretés sur un méplat réalisé le long d’une génératrice et dont l’usinage doit être
conduit afin d’éviter tout revenu par échauffement excessif. Les points de mesure de la dureté sont
situés à : 1.5-3-5-7-9-11-13-15-20-30-40-50-60-70-80 mm de l’extrémité arrosée et sont désignés
J1.5-J3-J5-…-Jx.
Les résultats d’un essai unique sont présentés graphiquement par la courbe HRC = f(Jx) dite
courbe Jominy de l’acier étudié. Le point J1.5 est en général celui de dureté maximale (structure M) ;
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traitements thermiques des aciers
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au fur et à mesure que Jx augmente, les vitesses de refroidissement diminuent ainsi que les duretés
(formation de B puis de P+F). Dans les atlas, chaque nuance est représentée par une bande Jominy
Un certain nombre de paramètres définis par la norme NF A 04-303 permettent de quantifier la
trempabilité à partir d’un courbe Jominy : la pente au point d’inflexion est l’un d’entre eux.
L’essai décrit ci-dessus n’est pas applicable aux aciers de très faible et très forte trempabilité. Des
adaptations particulières ont été mises au point pour ces cas extrêmes, ainsi que pour les couches
cémentées.
L’essai Jominy est plus simple à réaliser que le tracé des courbes TRC. Il a le mérite d’être
effectué, si on le désire, sur le métal utilisé pour la fabrication envisagée. En revanche, il est moins
complet qu’un diagramme TRC, car il ne donne aucune indication sur les structures métallurgiques
correspondant aux duretés mesurées.
JX (mm)
1.5
5
9
11
15
20
25
30
40
50
HRC (min)
51
49
45
43
39
35
32
30
28
26
HRC (max)
59.5
58
56.5
55.5
53.5
51
48
46
43
41
1.7 Traitement des pièces
1.7.1
Lois de refroidissement
Afin de pouvoir obtenir une constitution martensitique, il faut que la vitesse de refroidissement
soit supérieure à la vitesse de refroidissement critique martensitique. Il est évident que cette
condition n’est pas forcément réalisée en tous les points d’une pièce. En effet, la loi de
refroidissement T(t) en un point d’une pièce dépend de la conductivité thermique λ du métal, de la
forme et des dimensions de la pièce, de l’existence de phénomènes exo ou endothermiques lors des
transformations de phases, mais aussi du pouvoir de refroidissement du fluide de trempe caractériser
par le coefficient d’échange h qui dépend également de l’agitation.
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traitements thermiques des aciers
Cours science des matériaux
L’expérience montre que les pouvoirs de refroidissement des milieux de trempe usuellement
utilisés varient dans de larges limites. Grossmann à proposé de caractériser les fluides de trempe par
leur sévérité ou drasticité (notée H), quantité égale à (
h
) moyen , exprimée en mm-1. La sévérité
2λ
dépend fortement de l’agitation du milieu, elle est mesurable à l’aide de drasticimètres.
Nature de l’agitation
Agitation
Agitation
Agitation
Agitation
Agitation
nulle
faible
modérée
forte
violente
Milieu de trempe
Eau salée
Eau
2
0.9-1.0
2-2.2
1.0-1.1
1.2-1.3
1.4-1.5
5
4
Huile
0.25-0.3
0.30-0.35
0.35-0.40
0.50-0.80
0.80-1.1
Air
0.02
0.05
-
Nota : les sévérités sont données en in-1 dans le tableau précédent, il suffit de diviser par 25 pour
les exprimer en mm-1.
Une sévérité infinie correspond à h=∞, milieu idéal dans lequel la surface du métal atteindrait
instantanément la température du milieu de trempe : il y a peu de différences entre un milieu H=5 et
H=∞.
L’importance pratique de la connaissance des lois de refroidissement explique l’effort tant
théorique qu’expérimental entrepris pour fournir à l’utilisateur des données aussi précises que
possible sur ce problème. Les résultats se présentent sous diverses formes. Valables pour toutes les
nuances non alliées ou faiblement alliées pour lesquelles les valeurs des conductivités thermiques
sont peu différentes (λ = 50 W.m-1.K-1). Les différences entre les diverses lois de refroidissement
selon le milieu proviennent essentiellement des diverses valeurs des coefficients d’échange h.
1.7.2
Caractéristiques d’une pièce après trempe
La détermination des caractéristiques métallurgiques et mécaniques en tous points d’une pièce
pose des problèmes complexes. On peut les aborder à divers niveaux selon les données disponibles.
1.7.2.1
Exploitation des diagrammes TRC
Utilisation des courbes de refroidissement sur transparents
Leur superposition aux diagrammes TRC permet de déterminer les duretés après trempe et de les
relier à la constitution physico-chimique. La figure qui suit montre une telle application pour l’acier
30NiCr11 pour des refroidissements à l’huile au centre de ronds de ø10, 20, 40 et 80 :
• Rond ø10 : 50 HRC ; 100 % M ;
• Rond ø20 : 50 HRC ; 100 % M ;
• Rond ø40 : 45 HRC ; 20 % B, 80 % M ;
• Rond ø80 : 37 HRC ; 60 % B, 40 % M.
(On néglige Arés dans ces estimations)
En procédant ainsi, on peut en principe :
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traitements thermiques des aciers
Cours science des matériaux
• Déterminer le traitement thermique nécessaire avec des caractéristiques après trempe fixées à
l’avance pour une pièce de dimensions et de nuance connues ; choix du milieu ;
• Choisir une nuance permettant d’obtenir, pour une pièce et un milieu connus, des caractéristiques
après trempe déterminées.
Cependant cette méthode se heurte à des difficultés importantes et, bien que constituant un guide
précieux, elle n’est qu’indicative :
• Non identité des compositions réelles pour une nuance donnée ;
• Non identité des conditions d’austénitisation ;
• Non identité des formes des lois de refroidissement sur échantillon dilatométrique et sur pièce ;
• Intervention des contraintes.
2
Revenu après durcissement par trempe
Après trempe anisotherme, une pièce est caractérisée par :
• Son état métallurgique, défini par la connaissance en chaque point des fractions massiques des
constituants ;
• Son état mécanique, défini par la connaissance du champ de contraintes résiduelles.
Mis à part la martensite qui est le constituant privilégié, l’acier peut contenir de l’austénite
résiduelle, de la ferrite, de la perlite, de la bainite supérieure ou inférieure et parfois des carbures non
dissous.
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traitements thermiques des aciers
Chapitre V
Cours science des matériaux
2.1 Objectifs et principe du revenu
Après trempe, l’acier présente :
• Des caractéristiques de résistance Re, Rm et HV élevées ;
• Des caractéristiques de déformabilité A% Z%, et de ténacité faibles.
Le but du traitement de revenu est de « corriger » ces états extrêmes par amélioration des
caractéristiques de déformabilité et de ténacité au détriment des caractéristiques de résistance. Il
corrige aussi l’état mécanique par relaxation des contraintes résiduelles.
Le revenu est un traitement thermique subcritique pratiqué après trempe en continu. Il comprend :
• Un réchauffage à la température de revenu TR < Ac1 ;
• Un maintien de durée tR ;
• Un refroidissement selon une loi programmée ou non.
Deux catégories de revenu y sont schématisées :
• Un revenu classique à haute température suivant immédiatement le traitement de trempe, pratiqué
au dessus de 500°C. Les modifications métallurgiques sont importantes ;
• Un revenu à basse température précédé ici d’un traitement cryogénique, pratiqué en dessous de
200°C. Les modifications métallurgiques sont peu importantes.
2.2 Transformations métallurgiques
La martensite et l’austénite résiduelle subissent les transformations les plus importantes au cours
du revenu. Les bainites, la perlite et la ferrite, plus proche de l’équilibre, ne subissent que des
modifications mineures.
2.3 Transformation de la martensite
La transformation de la martensite a lieu progressivement. Deux types de phénomènes on été mis
en évidence.
Des
phénomènes
de
vieillissement
interviennent
à
basse
température.
Ils
dépendent
du
réarrangement du carbone dans le réseau cristallin de la martensite. Ils sont désignés par Ai, du
terme aging (vieillissement).
Des phénomènes de formation de carbures interviennent à plus haute température et sont
essentiels au point de vue pratique. Ils ont désignés par Ti, du terme tempering (revenu)
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Chapitre VI
l’élaboration des métaux
Cours science des matériaux
Généralités sur l’élaboration de la fonte et de l’acier
La sidérurgie st le secteur industriel concerné par la métallurgie d’élaboration des alliages ferreux
et par leur mise en forme. Elle fournit des produits finis ou semi-finis
aux diverses branches
industrielles.
La production d’acier met en œuvre plusieurs filières selon les matières premières utilisées et les
procédés employés. Fondamentalement il existe 3 opérations qui sont : l’élaboration, la coulée et la
mise en forme comme le montre la figure ci-dessous.
• L’élaboration est destinée à produire la nuance d’acier désirée. Elle utilisé soit la filière fonte, soit
la filière ferrailles. La réduction directe du minerai n’a pas encore atteint le stade industriel.
• La coulée de l’acier à l’état liquide est suivie de la solidification du métal.
• La mise en forme, mis à par le cas particulier du moulage, se par laminage à chaud ou à froid et
aboutit à la production de produits plats (tôle) ou longs (profilés, barres, fils, …).
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l’élaboration des métaux
Chapitre VI
1
Cours science des matériaux
Elaboration de la fonte et de l’acier
1.1
1.1.1
1.1.1.1
Elaboration de la fonte
Matières premières.
Minerai de fer
Le fer s’y trouve essentiellement combiné sous forme d’oxydes : oxyde ferrique Fe2O3 ou oxyde
magnétique Fe3O4 (magnétite).
Le fer sera extrait par réduction.
L’abondance de la gangue détermine la richesse du minerai : 30 % de fer pour les minerais à
faibles teneur et 60 % de fer pour les minerais riches.
La gangue est formée de silico-aluminate de calcium et de magnésium et de phosphate de
calcium. La composition de la gangue varie selon l’origine du minerai.
1.1.1.2
Coke métallurgique et fondants
Pour réduire les différents oxydes de fer on utilise le carbone sous forme de coke métallurgique.
Pour faciliter l’élimination de la gangue on utilise les fondants qui la transforment laitier. Si la
gangue est siliceuse ou alumineuse les fondants sont calcaires et inversement. Certains mélanges de
minerais sont auto-fondants et ne nécessite pas d’addition.
1.1.2
Généralité sur le faut fourneau.
Le haut fourneau est un réacteur à lit consommable à contre-courant. Les réactions principales
qui s’y déroulent sont :
• Les réactions de réduction des oxydes ;
• Les réactions d’échange entre le métal et le laitier.
Le schéma suivant illustre un haut fourneau avec les différents flux de matière.
Le lit de fusion comprend des couches alternées de coke (450 kg/T de fonte), de minerai
aggloméré (1650 kg/T fonte) et d’une faible quantité de fondant. La coke après combustion, sous
l’effet du vent chaud soufflet aux tuyères (1250 °C), conduit à la fusion de la charge et à la réduction
du minerai. Les gaz de guelard dépoussiérés sont utilisés pour préchauffer le vent dans des
récupérateurs de chaleur ou cowpers. Les temps de séjours moyens sont de l’ordre de 8 heures pour
les solides et 3 secondes pour les gaz.
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l’élaboration des métaux
Chapitre VI
1.2
1.2.1
Cours science des matériaux
Elaboration de l’acier.
Principes généraux.
Afin d’optimiser le processus globale, l’élaboration de l’acier comprend deux étapes successives :
Une première étape conduit à l’obtention d’acier brut « acier sauvage ». Elle est pratiquée :
• Soit en convertisseur, à partir de la fonte liquide dans les aciéries à l’oxygène
• Soit au four électrique, à partir de ferrailles dans les aciéries électriques.
Une deuxième étape a pour but d’affiner l’acier brut et d’atteindre la composition et la qualité
finales désirées. Elle est pratiquée dans une station d’affinage et utilise entre autres techniques celle
de l’affinage en poche.
1.2.1.1
Chimie des processus primaires
Le passage du bain liquide initial à l’acier final nécessite une diminution des teneurs de tous les
éléments par oxydation partielle selon les réaction suivantes qui toutes exothermiques :
[Si] + {O2} Î (SiO2)
[C] + 0.5{O2} Î {CO}
[2P] + 2.5{O2} Î (P2O5)
[Mn] + 0.5{O2} Î (MnO)
[Fe] + 0.5 {O2} Î (FeO)
[ ] dans le métal ; { } dans le laitier.
Le carbone s’élimine sous forme gazeuse et la turbulence créée favorise l’élimination de
l’hydrogène et de l’azote présents dans le métal.
La silice formée se combine aux oxydes basiques MnO et FeO et à l’oxyde de calcium CaO
introduit en donnant une scorie qui monte à la surface du bain.
L’oxyde de phosphore et réductible par le carbone mais la présence de CaO permet la formation
de phosphate de calcium moins réductible. Une bonne déphosphoration exige donc un milieu très
oxydant et très basique.
1.2.1.2
Désoxydation
La désoxydation est l’opération qui affecte le plus profondément les qualités du métal (densité
inclusionnaire,
composition
du
métal,
etc.)
et
donc
ses
caractéristiques
de
mise
en
œuvre
(usinabilité, formabilité, soudabilité, résistance à la fatigue, à la rupture et à la corrosion, etc.).
La désoxydation s’opère :
• Soit
par
traitement
sous
vide
qui
provoque
le
déplacement
de
l’équilibre
globale
[C] + [O] Ù {CO}
• Il se fait après ajustement de la teneur en carbone pour compenser la perte de dernier ;
• Soit par l’introduction dans le métal liquide de désoxydant comme le silicium ou l’aluminium.
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Chapitre VI
l’élaboration des métaux
Cours science des matériaux
Dans le premier cas la désoxydation se fait sous forme gazeuse. Dans le second cas, elle donne
naissance à des inclusions de types oxyde qui s’éliminent au moins partiellement en passant dans le
laitier.
1.2.1.3
Désulfuration
La demande croissante d’aciers à très faible teneur en soufre (pouvant aller jusqu’à 0.001 %) a
conduit à parfaire l’opération de désulfuration.
Elle met en œuvre des échanges entre le métal et un laitier basique. La réaction globale de
désulfuration s’écrit :
[S] + (O2-) Ù [O] + (S2-)
Elle montre que, pour un laitier de capacité en sulfure déterminée, la désulfuration de l’acier est
d’autant meilleure que la désoxydation de l’acier liquide est plus poussée.
On peut également injecter du calcium dans l’acier liquide sous forme de siliciure. L’action du
calcium pourrait être due au fort brassage provoqué par sa vaporisation. Le calcium permet
également de contrôler la morphologie des inclusions de sulfures présentes dans le produit final.
1.2.2
1.2.2.1
Procédés primaires
Filière fonte : aciérie à l’oxygène
1.2.2.1.1
Désulfuration en poche
A la sortie du faut fourneau, la fonte subit une première désulfuration par la chaux, le carbure de
calcium ou le magnésium introduits dans la poche-tonneau qui sert à son transfert. Bien que les
oxydes de calcium et de magnésium soient plus stables que les sulfures correspondants, la teneur en
oxygène dans une fonte à 4 % C à la température de 1600 °C n’est que de quelques ppm et la
désulfuration en poche est très efficace. Les teneurs en soufre peuvent atteindre 0.01 à 0.02 %. La
scorie est éliminée par un décrassage soigné afin d’éviter au soufre d’être réincorporé au métal dans
l’étape suivante.
1.2.2.1.2
Elaboration de l’acier brut
La fonte liquide, à une température moyenne de1250 °C, est introduite dans un convertisseur sur
un lit de ferrailles à refondre afin de limiter la température du bain à 1650 °C malgré l’exothermicité
des réactions d’oxydation. De l’oxygène pur est insufflé sous pression en même temps qu’est
introduite de la chaux sous forme massive ou sous forme de poudre. Les diverses techniques se
distinguent par le mode d’apport de l’oxygène et de brassage du bain :
• Par le bec de la cornue à l’aide de lances refroidies à l’eau dans les procédés LD (Linz-Donowitz)
OLP (oxygène lance poudre) ;
• Par des tuyères protégées placées au fond du convertisseur dans le procédé Q-BOP (Quiet Blowing
Oxygen Process) ;
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Chapitre VI
l’élaboration des métaux
Cours science des matériaux
• Insufflation par le fond d’un mélange gazeux (CO2, O2, Ar, N2), simultanément à l’apport d’O2 par
la lance dans le procédé STB (Sumitomo Top and Bottom).
Cette dernière configuration semble la plus répandue dans le monde. Elle permet un meilleur
brassage du bain et la formation d’un laitier plus proche de l’équilibre thermodynamique.
La mesure du débit et de la composition des fumées permet le contrôle dynamique du soufflage
en fin d’opération et son arrêt automatique quand la teneur en carbone désirée est atteinte. Il existe
en effet
une relation entre la vitesse de décarburation du bain et sa teneur en carbone. La durée
totale d’une opération est de l’ordre de 30 minutes.
1.2.2.2
Filière ferrailles : aciéries électriques
La filière de refusion des ferrailles utilise des fours à arcs munis d’une sole réfractaire sur la
quelle sont placés les matières à refondre. Les ferrailles sont préchauffées à 250-300 °C dans un four
de réchauffage utilisant les gaz produits, ou de manière plus efficace, en employant deux fours
électriques jumelés fonctionnant en alternance. Les fours ont des puissances qui peuvent atteindre
ou dépasser 800 kVA/T. l’utilisation généralisée de parois refroidies à l’eau permet de d’augmenter
la durée du revêtement et de réduire la consommation des électrodes. De même, diverses techniques
de brassage du bain récemment introduite permettent d’obtenir un laitier très proche de l’équilibre
thermodynamique ayant des teneur en FeO et MnO relativement plus faibles, donc une rétention
plus importante de manganèse dans l’acier.
La production est de l’ordre de 80 à 100 T/h. L’opération de fusion est de plus en plus souvent
assister par ordinateur.
Le four électrique apparaît essentiellement comme un appareil de refusion, et la préparation de la
charge constituée par des ferrailles de diverses origines est fondamentale. Les teneurs en éléments
résiduels comme le cuivre, l’étain, le chrome, le nickel sont particulièrement surveillées.
Contrairement au procédé à l’oxygène, dans lequel la teneur initiale en carbone est élevée et
voisine de 4 %, dans les procédés électriques la teneur initiale en carbone n’est que de 0.4 à
0.5 %
supérieure à celle visée. Cependant, cet excès de carbone est nécessaire pour produire en quantité
suffisante le monoxyde de carbone permettant l’élimination de l’azote.
La figure ci-dessous représente schématiquement une installation électrique et les diverses étapes
de l’opération.
1.2.2.3
Conclusion
L’utilisation du convertisseur et du four électrique est limitée aux opération pour lesquelles ils
sont les plus performants : la décarburation, la déphosphoration et le réglage sommaire de la
température du bain. Les teneurs en silicium et en soufre diminuent également au cours de cette
opération. La composition de l’acier brut qu’ils produisent n’est pas encore correcte. En outre, le
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Chapitre VI
l’élaboration des métaux
Cours science des matériaux
bain est encore trop oxydé, la teneur en oxygène dissous pouvant atteindre 0.05 à 0.1 %. La mise à
nuance, la désoxydation et la désulfuration finales sont réalisées dans la station d’affinage.
1.2.3
Procédés secondaires - affinage en poche
La demande croissante d’acier de haute qualité a conduit au développement de l’affinage en
poche qui est basé essentiellement sur les traitements des dégazages sous vide, combinés ou non
avec l’action de laitiers synthétiques et le réchauffage du bain liquide.
La désoxydation a lieu au cours de cette étape par l’introduction d’addition désoxydantes comme
le ferro-silicium ou l’aluminium : on obtient ainsi des aciers calmés au silicium ou à l’aluminium.
La mise à nuance a lieu au cours de cette étape par aditions de ferro-alliages ou autres tels que
Fe-Mn, Fe-Nb, Fe-V,Si-Mn, etc. L’addition de manganèse permet de piéger le soufre sous forme de
MnS et d’éviter la formation de FeS qui constitue avec le fer un eutectique à bas point de fusion
dont la présence compromettrait l’aptitude au travail à chaud de l’acier.
La séquence des opérations doit être soigneusement contrôlée et la variété des procédés interdit
toute description détaillée.
Ci-dessous un aperçu des diverses méthodes, utilisées seules ou en combinaison
Après traitement en poche, la teneur totale des éléments résiduels S, P, O, N, H peut atteindre des
niveaux très bas, de l’ordre de 50 ppm en carbone. L’utilisation de l’affinage par injection permet de
convertir les oxydes et les sulfures résiduels en aluminates de calcium à bas point de fusion et
contenant du sulfure de calcium. Le traitement au calcium permet d’obtenir des inclusions arrondies
au lieu des inclusions allongées de MnS ordinairement présentes dans les aciers après laminages et
très dommageables pour certaines applications.
1.3
Coulée de l’acier
La coulée en lingotière a pratiquement disparu. La coulée continue est presque universellement
adoptée. Le schéma suivant illustre le principe de cette coulée. Elle permet de réaliser de bloom pour
la production des produits plats. Diverse contaminations, comme des infiltrations d’aire, peuvent
conduire à la réoxydation partielle du métal lors de son transfert entre la poche et le répartiteur de
l’installation de coulée, et donc à la génération de nouvelles inclusions d’oxydes. La protection par
une couverture d’argon, des configurations particulières du répartiteur et des temps de séjours
relativement
longs
dans
celui-ci
favorisent
la
décantation
des
inclusions
« accidentelles »
de
diamètres compris en 50 et 200 µm. courts. Enfin, la présence d’un laitier protecteur à l’entrée de la
lingotière permet de drainer certaines inclusions non éliminées précédemment.
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l’élaboration des métaux
Chapitre VI
1.4
Cours science des matériaux
Mise en forme de l’acier
A part le moulage, la mise en forme de l’acier à l’état solide se fait par laminage. Le laminage
consiste en une série d’opérations transformant les brames ou les blooms obtenues par coulée
continue en divers produit, de formes et de dimensions déterminées.
Un laminoir est composé de plusieurs cages comprenant des cylindres entre lesquels passes le
métal qui y subit un écrasement progressif. Les cylindres tournent en sens inverses et sont groupés
par paires. Ils sont lisses pour l’obtention de produits plats, et cannelés pour les autres formes. Les
vitesses de sortie peuvent atteindre 13 m/s pour les tôles et 100 m/s pour les fils.
1.4.1
Laminage à chaud
Les brames ou les blooms sont réchauffés dans un four de réchauffage. Le laminage est effectué à
l’état austénitique particulièrement malléable. Dégrossissage a lieu entre 1100 et 1200 °C et la
finition se fait à des températures descendant jusqu’à 800 °C. Les tôles minces et les fils sont
enroulés en bobine ; les tôles fortes, les larges plats et les profilés sont débités à longueur.
L’objectif primaire du laminage à chaud est de réduire progressivement la section initiale de la
pièce. Cependant, la production de plus en plus importante d’aciers microalliés l’a élevé au rang de
laminage contrôlé.
Le laminage contrôlé comporte deux types de traitements :
• Le laminage ou formage normalisant ;
• Le laminage ou traitement thermomécanique, qui peut également inclure des procédés à vitesse de
refroidissement accélérée à l’exclusion de la trempe directe.
1.4.2
Laminage à froid
Environ la moitié des produits laminés est commercialisé à l’état laminé à chaud. Les produits
minces sont obtenus par laminage à froid des produits laminés à chaud. Le laminage à froid
augmente la dureté et la limite d’élasticité, améliore l’état de surface, mais réduit la formabilité. Il
introduit des textures d’orientation cristalline de déformation plane. Si le produit doit subir des
déformations ultérieures importantes, un recuit et nécessaire pour restaurer la formabilité. Appliqué
aux aciers calmés à l’aluminium à faible teneur en interstitiels, le recuit génère des textures donnant
des valeurs élevées du facteur d’anisotropie favorable à l’emboutissage profond.
1.4.3
Produits
Les produits sont classés en produits plats et produits longs :
• Les produits plats, fabriqués à partir de blooms, comprennent les tôles, les feuillards et les larges
plats.
Les tôles sont classées selon leur épaisseur en tôles fortes (e > 4.76 mm), en tôles moyennes
(4.75 > e > 3 mm) et en tôles minces (e < 3 mm).
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Chapitre VI
l’élaboration des métaux
Cours science des matériaux
Les feuillards sont des produits plats dont la largeur maximale est comprise entre 500 et 600 mm.
Les larges plats d’épaisseur comprise entre 6 et 60 mm ont des largeurs variant entre 150 et
1000 mm.
• Les produits longs sont fabriqués à partir de blooms de coulée continue, le plus souvent par
laminage à chaud. Ils comprennent une très grande variété de produits comme les barres, les ronds
les fils machine, les rails les poutrelles, les traverses, les gros ronds pour tubes sans soudure.
Une fois laminés, les produits peuvent être recouverts de divers revêtements :
• Zinc par galvanisation à chaud ;
• Étain par électrodéposition.
• Aluminium
2
Elaboration de l’aluminium
Généralités
L’aluminium figure comme le 3e élément de l’écorce terrestre après l’oxygène et le silicium.
Mais ce métal n’est connu que depuis le début du 19e siècle, et fut longtemps considérer comme un
métal précieux à cause de la difficulté de réduction de l’oxyde d’aluminium, forme sous laquelle il
est présent dans la nature. C’est en 1886 que Héroult en France et Hall aux USA découvrent le
procédé d’électrolyse de l’oxyde d’aluminium dissous dans bain de cryolithe en fusion. Cette
découverte a permis le développement de l’aluminium, devenu aujourd’hui le principal métal non
ferreux industriel.
2.1
Minerai
Bien que l’aluminium apparaisse généralement sous la forme de silicate, le seul minerai utilisé
est la bauxite, qui est une alumine hydraté impure : elle contient 45 à 60 % d’alumine Al2O3, 20 à
30 % d’oxyde ferrique Fe2O3, le reste étant formé de silice, d’oxyde de titane et d’eau.
Cette alumine se présente dans l’une des espèce minéralogique suivantes : la gibbsite Al2O3,
3H2O (bauxites tropicales) et la bohemite Al2O3, H2O (bauxite européennes). Les réserves en
bauxite, très importantes, peuvent assurer 200 ans de production au rythme actuel. Les lieux de
production se trouvent en Australie, à la Jamaïque, en Guinée et au Brésil.
L’élaboration de l’alumine consiste à extraire l’aluminium pur de la bauxite, puis à réduire cette
alumine pour obtenir de l’aluminium pur.
2.2
Fabrication de l’alumine
Le cycle de fabrication est celui du procédé Bayer, breveté en 1887 et toujours en service.
Il permet d’obtenir une tonne d’alumine à partir de 2.1 à 2.7 tonnes de bauxite.
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l’élaboration des métaux
Chapitre VI
2.2.1
Cours science des matériaux
Préparation du minerai
La bauxite est concassée et ensuite broyée en présence de la liqueur d’attaque (solution
d’aluminate de sodium NaAlO2 et de soude NaOH) pour obtenir un suspension de bauxite broyée
(90 % de particules de diamètre inférieur à 300 µm) dans la liqueur d’attaque.
2.2.2
Attaque par la soude
La suspension est portée à 235 – 250 °C sous une pression de 35 à 40 bars dans des autoclaves.
La soude libre contenue dans la liqueur d’attaque dissout l’alumine suivant la réaction :
Al2O3 + 2OH- + 3H2O Î 2[Al(OH)4]-.
La
suspension,
constituée
alors
de
liqueurs
riches
en
alumine
(sous
forme
de
tetrahydroxyaluminate de sodium NaAl(OH)4) et de boues insolubles (impuretés), est diluée et
décantée. Les boues ainsi séparées sont lavées pour récupérer la liqueur d’imprégnation, et la liqueur
riche en alumine et recueillie au-dessus des décanteurs et filtrées pour éliminer les impuretés solides.
2.2.3
Décomposition de l’aluminate.
La liqueur diluée enrichie en aluminate est refroidie dans des échangeurs, la dilution et le
refroidissement de liqueur engendre une précipitation d’hydroxyde l’aluminium. Al(OH)3:
[Al(OH) 4 ]- → Al(OH)
JJJJJJJJJJM3 + OH
Cette décomposition est initiée et contrôlée par une quantité importante d’amorce Al(OH)3
provenant de la fabrication précédente) dans une succession de grands bacs appelés décomposeurs.
Une fraction importante de l’hydroxyde formé est recyclée pour constituer l’amorce, et l’autre
partie, qui représente la production, est lavée sur filtres avant d’alimenter les fours à calciner. Ces
fours tournants, d’une centaine de mètres de long, atteignent des températures de 1300 °C qui
1300 °C
permet d’obtenir l’alumine pure Al2O3 anhydre : 2Al(OH)3 ⎯⎯⎯
→ Al2 O3 + 3H 2 O/ .
La calcination est le dernier stade de la fabrication de l’alumine.
2.3
Fabrication de l’aluminium
L’alumine est un oxyde très stable qui ne peut être réduit par les réducteurs habituellement
utilisés en métallurgie (C ou CO). Il faut employer la réduction cathodique qui se produit dans
l’électrolyse
2.3.1
Electrolyte
La température de fusion de l’alumine (2040 °C) est trop élevée pour l’électrolyse de l’alumine
fondue
soit
réalisable
industriellement.
On
lui
ajoute
un
fondant
(la
cryolithe)
qui
est
l’hexafluoroaluminate de sodium Na3AlF6 pouvant être préparé industriellement.
L’alumine dissoute conduit à un eutectique fondant à 935 °C pour 18.5 % d’Al2O3. En pratique la
teneur en alumine ne dépasse pas 7 % pour éviter l’empâtement du bain.
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l’élaboration des métaux
Chapitre VI
2.3.2
Cours science des matériaux
Electrolyse
Au point de vue de la réalisation, l’électrolyse s’effectue dans des cuves rectangulaires qui
servent de cathode et au-dessus desquelles se trouvent les anodes en carbone. En négligeant l’action
du solvant sur la nature des ions en solution, le mécanisme de l’électrolyse se ramène à l’électrolyse
de l’alumine fondue. Il peut être représenté de manière schématique par les équations suivantes :
• Réaction à l’anode : 3O 2- → 6e- + 32 O/
2
• Réaction à la cathode : 2Al3+ + 6e- → 2Al liquide
L’électrolyse se produit sous une tension de 4 V avec des courant continus intenses allant jusqu’à
300 kA, et deux tonnes d’alumine sont nécessaires pour produire une tonne d’aluminium.
Il est à noter que l’aluminium produit par les cuves d’électrolyse présente une grande pureté 99.7
% d’Al qui peut atteindre 99.99 % par un procédé de raffinage électrolytique.
2.3.3
Cuves d’électrolyse
L’oxygène produit réagit à l’anode pour former simultanément CO et CO2. L’anode est donc
brûlée par l’oxygène et doit être remplacée. Cela a conduit à deux types de cuves d’électrolyse dont
le fonctionnement est schématisé dans la figure qui suit :
Les cuves à anodes précuites ;
Les cuves à anodes Söderberg.
Les anodes précuites sont réalisées à partir de coke de pétrole et de brai (16 %), par pressage et
cuisson. Chaque cuve comporte un nombre variable d’anodes qui doivent être remplacées après
usures.
L’anode Söderberg est unique et de grande taille (jusqu’à 6.8 m × 2.4 m). Réalisée à partir de
coke de pétrole et de brai (30 %), elle glisse dans une gaine en tôle d’acier. C’est une anode continue
qui cuit au fur et à mesure de la descente. Elle est alimentée par un chargement régulier de pâte à sa
partie supérieure.
Le bain est alimenté par piquage régulier d’alumine. En particulier, il ne faut pas que la teneur en
alumine descende au-dessous de 1.5 %. Il faut également corriger le bain par des additions de
cryolithe. La coulée du métal se par siphonage sous vide.
2.4
Conclusion
La production de l’aluminium nécessite de très grandes dépenses énergétiques au niveau de
l’électrolyse. Vu le point de fusion relativement bas, le recyclage de l’aluminium est devenu un part
importante dans sa production environ 30%. La production issue du recyclage est principalement
utilisée
en
fonderie
et
moulage,
Département du Génie Mécanique
elle
représente
2/3
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des
besoins
du
marché
automobile.
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Désignation des métaux
Chapitre VII
Cours science des matériaux
Introduction.
La désignation des métaux posait un problème de correspondance entre les différents pays et
fabricants, c’est ainsi qu’une désignation normalisée fut mise au point. Ainsi, la norme iso
(internationale) et les normes nationales se sont mises sur deux systèmes de normalisation
symbolique et numérique. Dans ce chapitre nous allons nous intéresser à la désignation symbolique
qui est plus commode.
1
Désignation des acier et fontes.
1.1
Désignation des aciers
La norme distingue selon leur composition :
• Les aciers non alliés, dont les teneurs des divers éléments sont inférieurs à celles du tableau
suivant :
% limite
Al 0,1
B 8.10-4
Bi 0,1
Co 0,1
Cr 0,3
% limite
Cu 0,4
Mn 1,65
Mo 0,08
Ni 0,3
Nb 0,06
% limite
Pb 0,4
Se 0,1
Si 0,5
Te 0,1
Ti 0,05
% limite
V 0,1
W 0,1
Zr 0,05
Autres sauf C, N, S, P 0,05
• Les aciers alliés, dont les teneurs limites des divers éléments sont supérieures ou égales à celles du
tableau précédent.
Les acier non alliés comprennent trois classes de qualité, les aciers alliés deux classes de qualité
Acier non alliés
Aciers de base non alliés
Aciers de qualité non alliés
Aciers spéciaux non alliés
Aciers alliés
Aciers de qualité alliés
Aciers de spéciaux alliés
Les aciers spéciaux sont placés dans trois familles :
ƒ
ƒ
ƒ
1.1.1
les aciers de construction mécanique (peu ou non alliés)
les aciers à outils (peu ou très alliés)
les aciers inoxydables.
Désignation symbolique des aciers (NF EN 10027-1)
La désignation symbolique se base sur l’emploi et les caractéristiques mécaniques, soit sur la
composition chimique.
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Désignation des métaux
Chapitre VII
1.1.1.1
Cours science des matériaux
Aciers désignés à partir de leurs applications et caractéristiques.
La désignation comprend une ou plusieurs lettes suivies d’un nombre donnant la valeur minimale
de la limite d’élasticité ou de la résistance à la traction. Une lettre indique le domaine d’application :
Lettre
S
P
L
E
B
Y
R
H ou HT
DC, DD, DX
Acier
De construction
Pour appareils sous pression
Pour tube de conduite
De construction mécanique
A béton
Pour béton précontraint
Pour ou sous forme de rails
Laminé pour emboutissage à froid
Laminé pour formage à froid
Nombre
Re
Re
Re
Re
Rm
Rm
Re
Re ou Rm
*
D’autres symboles correspondent à des propriétés garanties ou à des conditions de fabrication
(L : emploi
à
basse
température,
Q:
trempé
et
revenu,
M:
laminage
thermomécanique,
G:
moulage ...).
Ex : S355 acier de construction, Re > 355 MPa
1.1.1.2
Aciers désignés selon la composition chimique.
ƒ
aciers non alliés Mn < 1 % : lettre C suivie de la teneur en carbone multipliée par cent
Ex : C35 (0,35 % de carbone)
ƒ
aciers faiblement alliés Mn > 1 % ou aciers peu alliés, aucun élément supérieur à 5 % : le
premier chiffre donne la teneur en C multipliée par 100. Les lettres suivantes donnent les
symboles chimiques dans l’ordre des concentrations des principaux éléments. Le ou les
chiffres donnent les teneurs.
Ex : 100 Cr 6 (1 % de C, 1,5 % de chrome)
10 Cr Mo 9 10 (0,1 % de C, 2,25 % de Cr, 1 % de Mo)
Eléments
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Ta,Ti, V, Zr
N, P, S
B
ƒ
Multiplicateur
4
10
100
1000
aciers fortement alliés : ils sont désignés par la lettre X, la teneur en C multipliée par 100 les
principaux éléments suivis de leur teneur en %
Ex : X 6 Cr Ni 18 10 (0,06 % de C 18 % de chrome et 10 % de nickel)
ƒ
aciers rapides : le symbole HS est suivi des chiffres donnant dans l’ordre les concentrations
(en %) en W, Mo, V, Co
Ex : HS 7-4-2-5 (acier rapide à 7 % de W, 4 % Mo, 2 % V et 5 % Co)
1.2
Désignation symbolique des fontes (NF EN 1560)
Elle comprend six symboles, certains pouvant être absent :
Le symbole « EN- »
Le symbole GJ (G : moulé, J : fonte) ;
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Chapitre VII
Désignation des métaux
Le symbole de la structure du graphite (L : lamellaire, S : sphéroïdale,
Cours science des matériaux
M : graphite de recuit, V :
vermiculaire, N : sans graphite, lédéburitique) ;
Le symbole de micro ou macrostructure (A : austénite, F : ferrite, P : Perlite, M : Martensite,
L : Lédéburite, Q : trempée, T : Trempée et revenue, B : cœur noir « malléable », W : cœur blanc
« malléable »).
1.2.1
Selon les caractéristiques mécaniques.
Les fontes sont désignées :
Par des chiffres dépendant des caractéristiques mécaniques (Re, A%, résistance à la flexion par
choc, dureté HV ou HB ou HR),
Par des lettres indiquant le mode de production de l’éprouvettes d’essai (S : coulée séparément,
C : prélevé sur pièce moulée) et ou la température de mesurage de la résistance
à la flexion
par
choc (RT : température ambiante, LT : basse température).
Ex : EN-GJS-400-185-RT (fonte à graphite sphéroïdal de résistance à la traction minimale de 400
MPa et 185 MPa de résistance à la flexion par choc à température ambiante).
1.2.2
Selon la composition chimique
La lettre X précède la composition chimique avec mêmes symbole que pour les aciers. Les
teneuses sont indiquées en pourcentage arrondi à l’entier le plus proche. Lorsqu’elle est exigée, la
teneur en carbone est indiquée en centièmes de pour cents après la lettres X.
Ex : EN-GJN-X300 CrNiSi9-5-2 (fonte blanche à 3 % de carbone, 9 % Cr, 5% Ni et 2 % Si
2
Désignation des métaux non ferreux
2.1
Comme
L’aluminium et alliages d’aluminium
pour
les
métaux
ferreux,
Il
existe
deux
désignations
possibles
une
désignation
symbolique et une désignation numérique ces deux désignations commencent par les lettres :
• EN pour indiquer qu’il s’agit d’une désignation normalisée ;
• A pour indiquer qu’il s’agit d’un aluminium ;
• C pour indiquer qu’il s’agit d’un produit de moulage ;
• W pour indiquer q’il s’agit d’un produit corroyé.
, suivies d’un tiret. «-», et des éléments intervenant dans la composition suivis de leur teneur
Ex : EN AC - AlSi7Mg (alliage d’aluminium moulé à 7 % silicium et des traces de magnésium)
Ex : EN AW – AlZn5Mg (alliage d’aluminium corroyé à 5 % de zinc et des traces de
magnésium)
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Désignation des métaux
Chapitre VII
2.2
Cours science des matériaux
Cuivre et alliages de cuivre
La désignation des alliages (NF A 02-009) comporte les symboles chimiques de l’élément de
base (Cu) et ceux des éléments d’alliages, suivis de nombres indiquant leur teneur ≥ 1 %. Il sont
rangés par ordre décroissant de teneurs, ou par ordre alphabétique en cas d’égalité, à condition que
l’élément d’alliage principale soit inscrit en premier (sans tenir compte de sa teneur).
Ex : CuTe, CuAsP, CuZn36Pb3, CuNi30Mn1Fe
2.3
Nickel et alliages de nickel.
La désignation utilise, comme pour le cuivre, les symboles chimiques. Mais un tiret est placé
après le symbole chimique Ni.
Ex : Ni-Cu35, Ni-Mo16Cr15.
2.4
Alliages de zinc et de magnésium
La désignation de ces alliages est encore, le plus souvent définie par l’ancienne norme (NF A 02004). Elle utilise les symboles AFNOR du tableau qui suit et se fait par deux groupes de lettres et de
chiffres :
Le premier groupe désigne le métal de base par une lettre ;
Le deuxième, séparé du premier par un tiret, comprend les lettres des principaux éléments
d’addition respectivement suivis par les nombres correspondant à leurs teneurs. Le classement se fait
pr teneur décroissante ou par ordre alphabétique en cas d’égalité des teneurs.
Symbole
chimique
Al
Sb : antimoine
N
Be
Bi
B
Cd
Cr
Co
Cu
Symbole AFNOR
A
R
Az
Be
Bi
B
Cd
C
K
U
Symbole
chimique
Sn
Fe
Mg
Mn
Mo
Ni
Nb
P
Pb
Se
Symbole AFNOR
E
Fe
G
M
D
N
Nb
P
Pb
Se
Symbole
chimique
Si
S
Ta
Th : thorium
Ti
W
V
Zn
Zr
Symbole AFNOR
S
F
Ta
Th
T
W
V
Z
Zr
Ex : Z-A4G (alliage de zinc à 4 % d’aluminium et de magnésium)
Ex : Z-S7G0,3 (alliage de zinc à 7 % de silicium et 0,3 % de magnésium)
La désignation des alliages de magnésium est décrite par la norme (NF EN 1754). Après le
symbole « EN- », vient la lettre M (magnésium) puis les lettres (A : anodes, B : lingots, C : moulé
ou W : corroyé), puis des symbole chimiques des élément et leur teneurs.
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Chapitre VI
Désignation des métaux
Cours science des matériaux
Références bibliographiques :
• Des Matériaux, J.M Dorlot, J.P Baïlon & J. Masounave, éditions de l’école polytechnique de
Montréal, ISBN : 2-553-00176-2
• Précis de Métallurgie : élaboration structure propriétés, normalisation par J. Barralis & G.
Maeder édition NATHAN, ISBN : 2-09-177491-X
• Matériaux 1. Propriétés et applications par M.F. Ashby & D.R.H Jones édition DUNOD, ISBN :
2-10-004160-6
• Matériaux 2. Microstructure et mise en œuvre par M.F. Ashby & D.R.H Jones édition DUNOD,
ISBN : 2-10-003652-1
• Techniques de l’Ingénieur Traité Matériaux Métalliques
• Métallographie et techniques d’analyse : collection campus édition PYC LIVRES.
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